成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

成像光谱仪星上光谱定标的数据处理

为了提高仪器光谱定标精度,降低谱线偏移对地物反射光谱数据反演精度的影响（特别是大气吸收峰附近）,根据星上光谱定标的特点,介绍了星上光谱定标数据处理的常用方法。通过对实验室光谱定标时两种典型工况的比较,实现了星上定标数据处理算法的地面仿真,验证了算法的可行性,并比较了各自的优缺点。结果表明,基于谱线匹配的标准差法、相关系数法和最小差值法计算精度较高,但计算效率较低;基于多项式拟合的极值法计算精度较低,但是计算效率较其他算法提高1个数量级。用极值法对数据进行预处理,快速确定谱线偏移量,再用谱线匹配算法在小范围内精确计算谱线偏移量,可以在不影响计算精度的前提下提高运算速度,计算精度优于1 nm,满足成像光谱仪星上光谱定标的精度要求。     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。     

空间调制干涉光谱成像仪星上定标系统研究

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统稳定性研究

空间调制干涉光谱成像仪对地物光谱辐射信息以目标像元干涉图的形式进行采集,系统定标后,复原的光谱图能定量地反映地物目标实际对太阳光的漫反射特性。分析了空间调制干涉光谱成像仪的定标原理,经计算推导和实验,介绍了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试,解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点,对定标卤钨灯进行了辐射稳定性测试,光谱滤光片进行了光学性能测试和粒子辐照试验,星上积分球组件进行了环境力学试验和热真空实验,均得到了较好的结果。通过全孔径、部分视场的相对光谱定标,能够得到星上定标光谱和干涉图,在经过不同条件下复原光谱比较后,证明此星上定标系统是稳定可靠的。     

基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

星上辐射定标精度验证方法研究

星上定标光谱仪(SCS)是HY-1C搭载的标准定标载荷,用于实现对同平台上其他多光谱载荷的辐射定标。基于星上定标光谱仪获得的星上定标结果,与MODIS的影像数据进行交叉定标,比较星上定标光谱仪与MODIS对相同地面区域的辐亮度数据和反射率数据,实现了对星上定标精度的评估与验证。通过对4次定标数据的处理和分析,结果表明,两者的最大相对偏差小于3%,满足同平台其他载荷的定标要求。     

漫反射板法定标成像光谱仪特性研究

采用漫反射板法定标成像光谱仪是近年来发展起来的一种辐射定标新技术,它具有实现容易、定标精度较高的特点。文章根据漫反射板定标法的原理,对于成像光谱仪狭缝平行和垂直纸面两种特殊定标状况,推导出相应的光谱辐射信号电子数采集表达式,数值分析了在此两种定标状况下成像光谱仪光谱辐射定标的特性。结果表明,成像光谱仪狭缝取向对光谱辐射定标结果有明显不同的影响,对于狭缝平行纸面情况下,不同景物像元相同光谱通道采集到的信号电子数是不同的,越靠近辐照度标准灯,采集到的信号电子数越多,反之亦然;对于狭缝垂直纸面情况下,不同景物像元相同光谱通道采集到的信号电子数是相同的。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

超光谱成像仪在轨辐射定标及不确定性分析

介绍了超光谱成像仪的技术参量、成像原理、实验室定标和星上定标的方法,利用超光谱"图谱合一"的特点,对常规的反射率基法提出改进,实现了超光谱成像仪的辐射定标.分析了辐射定标过程中地表测量、大气参量及卫星图像产生的不确定性.结果表明:105个通道定标系数的不确定度优于7%,改进后的定标方法可以实现环境卫星超光谱成像仪的在轨辐射定标.     

空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标方法研究

空间调制干涉光谱成像仪不同于其他类型光谱成像仪,其像面上得到一维空间信息和一维光谱信息。由于其原理特殊,定标方法尚不成熟。介绍了一种用于空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的方法,即干涉光谱成像仪和光谱辐射度计同时采集目标辐射强度,复原采集干涉图得到的光谱图,与光谱辐射度计采集绝对光谱进行比对,得到定标系数,并分析了该方法达到的精度。结果表明：该方法可以满足空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的要求,定标精度达到5．74％。     

基于激光的光谱辐射定标

随着地面遥感、航空与航天遥感、等离子体物理、定量光谱学等研究的发展,对光谱辐射定标精度提出了越来越高的要求,推动了基于可调谐激光的光谱辐射定标新型技术的发展。国际上英国、美国、德国等国家的计量科研机构相继建立了溯源于低温辐射计、低不确定度的基于可调谐激光的光谱辐射定标装置,用于探测器、遥感仪器光谱响应度定标和特性研究。其中美国国家标准技术研究院(NIST)的均匀光源光谱辐照度和辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)和德国物理技术研究院(PTB)的光度学可调谐激光装置(TULIP)最具代表性。相对于灯-单色仪系统,在辐射定标应用中,基于激光的光谱辐射定标具有光谱带宽窄、波长精度高、定标不确定度低等众多优点。本文介绍了基于激光的光谱辐射定标的发展状况和以英国国家物理实验室(NPL)、NIST和PTB为代表的基于激光的辐射定标装置结构与性能,分析了基于激光的光谱辐射定标技术优势,并进一步阐述了此技术的应用。基于激光的光谱辐射定标装置可广泛应用于重要的高精度系统级辐射定标测量,包括亮度温度、空间遥感仪器辐照度和辐亮度定标,推动航空航天、大气物理、光谱学、生物科学等科研、工业领域的发展。     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法,可以有效减少光谱定标的步骤,提高定标的效率,适用于光谱成像仪的快速定标。该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标,待标定光谱成像仪采用棱镜分光,具有色散非线性的特点,光谱分辨率在2~18 nm之间变化,同时存在较大的谱线弯曲,导致每个像元的中心波长都不同,需要对每个像元进行光谱定标。为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象,将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝,狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃,其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线,提高能量利用率;毛玻璃用于匀化光照,毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量,结合提出的方法,增加定标光的带宽,提高能量,最终完成了该光谱成像仪的快速定标,利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。     

Research on radiometric calibration for super wide-angle staring infrared imaging system

To perform radiometric calibration on super wide-angle staring infrared imaging system, the calibration experiment is carried out by using a standard blackbody source with a plate shape in laboratory, and the error analysis and data inversion are made based on the calibration results. Firstly, through analyzing the influencing factors including optical system, detector and signal processing circuit, the optical response model is established. Then, the radiometric calibration experiment is developed in the darkroom environment, and the error analysis is done from six aspects, which are the temperature and radiation instability of the black body, goniometer accuracy, angular resolution, the instability of detector output, data fitting error. Finally, according to the calibration results and the imaging characteristics of short-range airplane in the system, the infrared radiation intensity of aircraft target is calculated. The radiometric calibration and data inversion will benefit obtaining the target radiation characteristic during the system application, and can provide data reference for target detection, recognition, classification, so on.     

基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标的方法研究

中温黑体是红外谱段常用的高精度辐射标尺设备,而近红外是处于其有效辐射范围边缘的谱段,所以该谱段的定标研究相对较少。研究了基于中温黑体的近红外光纤光谱仪辐射定标方法,主旨是探讨定标精度如何受定标模型的结构参数选择的影响,进而为近红外光谱辐射计量溯源提供技术参考。采用50～1 050 ℃的可调中温黑体对近红外光纤光谱仪(950～1 700 nm)进行辐射定标。针对定标的关键环节重点讨论了两个内容,首先是辐射传输模型的几何因子匹配问题,比较分析了传统的双圆盘辐射传输模型和光纤直接耦合模型。对于光纤光谱仪的辐射定标来讲,采用光纤直接耦合形式的辐射传输模型,结构上更简单,耦合效率更高。其次重点分析了辐射定标中模型的结构参数对定标精度的影响,其影响的原因是定标数据本身属性中的尺度结构特征,即通常所说的非线性问题。因此对于定标精度要求较高时,需要采用非线性定标模型进行校正,并尽可能保证测试点采样的尺度均衡,这是小样本数据解释非线性结构关系时无法回避的样本选择问题。数据分析结果表明,定标方程的不同结构参数的选择策略对定标精度有显著影响,校正方程的样本残差标准差带变化范围为±0.1%～±1%。     

积分球光源分布温度对宽波段光学遥感器绝对辐射定标的影响及其校正

实测了积分球输出光谱辐亮度分布曲线,并得到积分球光源的分布温度。从理论上分析了积分球光源分布温度影响宽波段光学遥感器绝对辐射定标精度的原因和机理,并仿真计算了包括积分球和太阳在内的几种不同分布温度光源定标某宽波段光学遥感器时得到的定标系数。仿真结果表明,不同分布温度间的定标系数最大差别大于2%。在此基础上提出了积分球光源分布温度影响绝对辐射定标系数的校正方法,为提高宽波段遥感器的辐射定标精度和遥感图像辐射校正提供了思路和依据。