成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

光纤光谱仪绝对光谱辐射定标新技术

在700 nm～900 nm波段范围内,用1 000℃黑体标定光纤光谱仪(200 nm～1 100 nm),获得其在该波段范围内的绝对光谱响应函数.通过测量光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的光谱响应,将700 nm～900 nm波段的响应函数推延至400 nm～700 nm波段范围,最终得到400 nm～900 nm波段内的绝对光谱响应函数.光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的5次测量结果表明:在550 nm～900 nm范围内,所获得的绝对光谱响应合成不确定度小于3.53%.     

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。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。     

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。     

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。     

光栅式成像光谱仪空间均匀性测试研究

空间均匀性是成像光谱仪辐射定标的核心参数之一。通过对国内外均匀性测试方法研究,提出采用空间分布法对光栅式成像光谱仪的空间均匀性进行测试研究。该方法能准确给出各个位置点信号响应的详细分布,对于提高并改善光栅式成像光谱仪的图谱质量具有重要的意义。空间分布法建立在高稳定性、高均匀性标准光源的基础上,由计算机软件对测试结果进行图谱分离,提取同波长下空间响应信号获得光栅式成像光谱仪的空间均匀性。最后分析了空间均匀性测量不确定度的影响因素,并分析了空间均匀性对绝对辐射定标和光谱精度的影响。     

神舟3号飞船中分辨率成像光谱仪场地替代定标新方法研究

神舟3号飞船(SZ-3)搭载的中分辨率成像光谱仪(CMODIS)是我国下一代对地环境卫星遥感器的试验仪器,能获取地气系统30个可见光-近红外通道观测数据,这些高光谱数据应用,特别是定量遥感产品反演受到辐射定标的严重制约。文章在传统的在轨遥感器场地辐射校正基础上,提出了星地准同步观测场地辐射校正新方法,在缺少足够地面同步观测数据情况下,实现了CMODIS场地辐射校正,并达到了预期辐射校正精度要求。同时基于敦煌场地反射率光谱光滑的特点,利用EOS/MODIS大气订正后的通道反射比进行光谱内插,开展一种新的交叉定标方法试验。文章针对SZ-3/CMODIS数据,用此两种方法独立进行场地替代定标,试验结果能够相互验证,表明这两种定标方法切实可行,定标精度可靠,为我国下一代环境气象卫星传感器在轨辐射定标提供了新的定标方法和技术。     

应用于全球气溶胶测量网的太阳辐射计辐射定标系统

依据全球气溶胶监测网对高精度辐射定标技术的需求,分析了太阳辐射计定标的特点与技术要求,通过国际合作建立了由野外场地和实验室内设备构成的太阳辐射计定标系统。基于该系统的太阳辐射计定标结果与国外定标结果的比对显示,所建立的系统在定标精度上达到了该类仪器辐射定标的国际水平,能够满足高性能气溶胶测量网络对太阳辐射计辐射定量精度的需求。     

嫦娥一号干涉成像光谱仪的定标

介绍了我国首次探月卫星的有效载荷之一Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪的定标.提出了“行”平场原理以及不同类型的光谱仪对比方法,分别用于相对定标与光谱辐射度绝对定标,取得了好的实验结果.检测了谱线位置不确定度、光谱分辨率及在轨光谱辐射度的相对不确定度.给出了探月卫星干涉成像光谱仪的定标及检测结果.首次采用干涉型成像光谱仪实现了对月的可见光/近红外宽谱段连续光谱探测.     

八通道并行多光谱成像仪的辐射定标

为了对八通道并行多光谱成像仪进行准确的辐射定标,介绍了多光谱成像仪的工作原理,分析了相机的辐射响应模型,根据八个通道以及窄带滤光片的光谱响应特性及实际应用要求,提出取每个相机的G通道输出作为定标通道。根据不同色温下积分球输出的光谱辐亮度和相机的曝光时间,测量并拟合出相应的八通道相机辐射特性曲线。实验结果表明该方法可以准确地得到被测目标的绝对光谱辐射亮度曲线,满足海洋表面多光谱数据的测量要求。     

辐射定标的新型参考光源技术

参考光源是辐射定标系统中的关键设备之一。近年来不同光谱分辨率、不同工作方式光电探测器的发展,需要参考光源在具备稳定性、均匀性等基本特性的同时,能够实现光谱匹配、大动态范围调节和宽波段精细扫描等新的功能。结合以LED为发光单元的可调光谱参考光源和利用宽调谐激光器的单色面光源技术,介绍了新型参考光源的设计、主要性能和部分前期的应用效果。新型参考光源可以与近年发展起来的基于探测器的标准传递技术相结合,在保障和提高绝对定标精度的同时,满足特定的定标技术要求。     

成像光谱技术的研究与发展

成像光谱技术是20世纪70年代末发展起来的一项新型航天航空遥感技术。综述了成像光谱技术的发展背景,在海洋、大气、植被、地质研究等领域的应用现状。介绍了成像光谱技术的几种主要分类、各种类型的特点以及国内外具有代表性的方案。提出了大孔径干涉型成像光谱仪的原理,并展示了攻关样机和实验数据。     

透射光栅谱仪的整体标定

 提出了透射光栅谱仪整体标定的建议,并在北京同步辐射源上首次对ICF实验中所用的透射光栅谱仪进行了整体标定, 获得了与分别标定基本一致的结果。与分别标定相比,整体标定具有实验步骤少、实验数据处理简单、标定结果使用更加直接等优点。     

基于低温辐射计的InGaAs陷阱探测器高精度光辐射定标研究

介绍了以InGaAs陷阱探测器作为传递探测器,基于低温辐射计的高精度光辐射定标和标准传递实验与研究。在红外(944-1589nm)三个波长初步给出了InGaAs陷阱探测器绝对光谱响应率定标结果。InGaAs陷阱探测器绝对光谱响应率的联合不确定最大为0.655%,最小为0.026%。     

干涉成像光谱仪技术的新发展

综述了成像光谱仪的发展过程以及空间调制干涉成像光谱仪技术的新原理、新技术、新发展。对干涉成像光谱技术的原理进行了论述 ,分析了Sagnac型和偏振型干涉成像光谱仪的分光机理和成像原理。提出了未来光谱仪技术的发展方向。     

硅陷阱探测器在350—1064 nm波段的绝对光谱响应度定标

介绍了利用钛宝石可调谐激光器、倍频器和单波长激光器作为光源,在24个波长分立点定标了三个硅陷阱探测器的绝对光谱响应度,解决了红外激光的精确定位与调整、窗口透过率模拟定标等关键技术.结果显示：在激光波长为412—800nm时,三个陷阱探测器定标的不确定度约低于0.05％;当激光波长大于800nm以及低于355nm时,获得的陷阱探测器的定标不确定度约低于0.065％.硅陷阱探测器可以作为空间各类遥感器在350—1064nm波段定标的传递标准探测器. 关键词： 陷阱探测器 低温辐射计 光谱响应度 辐射定标     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标,研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法,通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法,研制了绝对辐射定标装置,校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值,实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

Relative calibration for a polarization interference imaging spectrometer

A polarization interference imaging spectrometer (PIIS) for remote sensing is developed. Its operation principle and typical configuration are introduced. A polarization beam-splitter is its key component. The principle of calibration for the PIIS is introduced. The results of relative calibration for the PIIS are given. After the calibration, the responding uniformity of the detector of the PIIS to an expanded uniform light source is largely improved and the quality of the pictures obtained by the PIIS is obviously clear and accurate to the aims. Some applications and expectations of a PIIS are put forward.