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。     

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。     

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。     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

紫外可见偏振成像光谱仪的光谱定标与匹配方法

紫外可见偏振成像光谱仪中沃拉斯顿棱镜的色散效应会导致探测器同一空间通道的中心坐标发生偏移,影响目标信号探测精度。根据偏振解调算法,利用沃拉斯顿棱镜出射的两正交分量调制光谱(S光和P光)实现偏振信息解调时,还需要完成光谱匹配。针对这一问题,提出了一种光谱定标与匹配方法。首先利用平行光源标定了仪器视场角与空间维像元的对应关系,提取出各空间通道对应的像元坐标集合并确定了视场定标方程;在同一空间通道内,通过低压汞灯标准光源对波长与像元的对应关系进行标定,得出光谱定标方程;利用视场定标和光谱定标结果完成正交分量光谱的匹配;最后利用太阳光谱中Fraunhofer线的特征波长对定标结果进行了检验。结果表明：紫外可见偏振成像光谱仪正交分量的光谱吸收峰位具有较好的一致性,定标值和标准值的偏差在0.1 nm以内,这验证了定标结果的准确性。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。     

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...     

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%。     

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％。     

基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证

HJ-1B卫星热红外通道自发射以来共进行了7次星上黑体定标,然而针对星上定标系数的验证工作开展较少。通过半高宽法、矩方法和查找表法计算得到2009年9月14日星上定标系数。以具有较高定标精度的MODIS为参考源,基于MODIS第31,32通道和HJ-1B热红外通道的光谱响应特性,改进对应热红外通道的光谱匹配算法,建立两传感器表观辐亮度的匹配关系,进而通过Planck公式计算出HJ-1B热红外通道的等效水表亮温,通过与HJ-1B热红外通道基于星上定标系数得到的反演水表亮温进行比较,实现对星上定标系数的验证。以光谱响应差异计算的等效亮温值为285.97 K,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温值分别为288.77,274.52和285.97 K。结果显示,半高宽法、矩方法和查找表法星上定标系数反演亮温与光谱响应差异计算的等效亮温偏差分别为2.8,-11.46和0.02 K。结果表明,HJ-1B热红外通道星上定标方法中以查找表法星上定标系数计算结果精度较高。同时证明了基于光谱响应差异的HJ-1B热红外通道星上定标系数验证方法有效可行。     

Efficient Analysis of Millimeter Wave Circuit Using Numerical Calibration Technique

In this paper, A numerical technique, called short-open calibration (SOC), in conjunction with edge-based finite element method (FEM) is employed to analyze millimeter wave circuit that can be segmented into two distinct section: static model of feedlines and dynamic model of circuit discontinuity. The derivation of reflection coefficient of 3D discontinuities is arranged in two steps. In the first step, this SOC technique is incorporated into the FEM for mesh truncation of computaional domain. In this way, much faster convergence is achieved for large-sparse linear matrix equations from FEM by this termination than by perfectly matching layers (PML). The field distribution of the dominated mode in uniform feedlines and entire circuit is obtained individually by exciting a pair of even and odd impressed voltages along the struture. In step two, Scattering parameters based on the voltages and current defintion is calculated by integral of electric and magnetic fields. Numerical solutions for a class of planar circuit discontuities are very well compared with those published in the available literatures.     

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.     

紫外臭氧垂直探测仪高精度在轨光谱定标方法研究

为监测及修正紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在发射以及在轨运行过程中的光谱位置的偏移,采用了一种全新的高精度在轨光谱定标方法。利用高分辨率参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积,并将卷积结果与修正后的测量光谱进行匹配,建立了相关评价函数,计算参考光谱和测量光谱误差最小时的光谱偏移量。对于SBUS,利用此方法定标得出的光谱偏移量为0.10 nm。利用SBUS星上汞灯光谱验证了定标结果的最大误差为0.01 nm,满足仪器指标要求。实验结果证明了高精度在轨光谱定标方法的可行性及精度。     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

光谱仪联合使用提高谱线的测量宽度

为了提高光谱仪测量谱线的精度,推导出计算机自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领等参量公式,提出一种将两台光谱仪联合使用以提高谱线测量精度的测量方法.理论分析了两台光谱仪联合测激光线宽的原理,并用两台光谱仪联合使用对He-Ne激光谱线宽度进行了测量.实验结果表明,两台光谱仪联合测量He-Ne激光谱线的半峰全宽的放大倍数3.38×105,比单台光谱仪测量至少可以将谱线宽度的测量精度提高5个数量级.     

基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光在大气压环境中产生了Ar等离子体,测量了Ar等离子体的发射光谱,从Ar等离子体发射光谱中筛选出了来自Ar Ⅰ和Ar Ⅱ 15个上能级的35条跃迁谱线,基于分支比方法计算了光谱仪的辐射强度响应效率标定系数。此外,利用氘灯和卤钨灯标准光源,对光谱仪辐射强度响应效率进行了标定,得到了针对不同光栅的光谱仪的辐射效率标定系数。用分支比方法获得的辐射强度响应效率标定系数与标准光源得到辐射强度响应效率标定系数具有较好的一致性,其最大相对误差为5.4%。该研究的标定方法可以为一些大型聚变装置的光谱测量的在线标定提供借鉴和参考。