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超光谱成像仪的精细光谱定标

编辑:金沙官网www.cqstyq.com        发布日期:2018-07-03        点击量:673

超光谱成像仪是在多光谱成像遥感仪器设备设备的基础上,从20世纪80年代初发展起来的先进的新一代光学遥感仪器设备,1982年,美国航空航天局(NASA)研制出了世界上首台航空成像光谱仪(Airborne Imaging Spectrometer,AIS),飞行试验获得的成像光谱数据在地矿勘探、植被分类等方面极具价值。

超光谱成像仪的精细光谱定标

超光谱成像数据的应用价值,推动了星载超光谱成像仪的研制与应用,目前已经有多颗超光谱成像卫星在轨运行,包括美国的HSI(Hyper-spectral Imager),欧空局的ESA-HRIS(HighResolution Imaging Spectrometer)和PRISM(Process Research by An Imaging SpaceMis-sion),美国海军NEMO计划中的COIS(Coast-al Ocean Imaging Spectrometer),美国强力星(MightySat)II号上的FTHSI(Fourier TransferHyperspectral Imager),欧洲PROBA小卫星上的CHRIS(Compact High Resolution ImagingSpectrometer)和美国EO-1卫星上的HYPE-RION成像仪[9]等,这些高光谱成像仪提供的丰富高光谱数据已经在多个应用领域发挥了重要作用。

超光谱成像仪的光谱通道数较多,达100个以上,每个通道的带宽只有10~20nm,带宽和中心波长的定标精度不仅影响辐射定标的精度,还直接影响超光谱图像数据的应用,因此在超光谱成像仪发射前和在轨运行过程中都要监测各光谱通道的中心波长和带宽变化情况,以保证光谱定标的精度,在一些特殊光谱波段还需要对探测器直接进行定标。在实验室内实现超光谱成像仪精确光谱标定仍然采用单色准直光的方法,即利用单色仪获得单色光,然后利用平行光管将单色光转换成光谱定标所需的单色准直光,AVIRIS、MODIS、Hyperion、COMPASS等超光谱成像仪均采用了该定标方法。Hyperion还采用了漫反射板,比值法针对机载超光谱成像仪建立了一些小口径光谱定标设备。此外,为了监视超光谱成像仪在轨工作时光谱定标数据的变化,超光谱成像仪一般还采用在轨光谱定标与辐射定标,在轨辐射定标一般用星上定标源、太阳和漫反射板定标。

在轨运行的多台超光谱成像仪都采用了不同的在轨光谱定标方法,MODIS采用了3种方法进行在轨定标,MERIS、Hyperion和CHRIS采用大气吸取谱的方法进行在轨光谱定标,多种在轨光谱定标方法的综合运用可以有效提高光谱定标精度。

本文针对一台棱镜色散型超光谱成像仪的光谱定标,概述了超光谱成像仪的精细光谱定标原理,探讨了超光谱成像仪的谱线弯曲与校正问题,实验测试了超光谱成像仪随温度变化谱线漂移的情况,对超光谱成像仪在轨光谱校正提供了技术依据。本文还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析,并给出了星上光谱定标的实现方法。

 

超光谱成像仪的定标原理

棱镜色散型光谱仪与光栅相比能量利用率高,缺点是谱线折叠(Smile效应)比较大,由于光学系统装调偏差的存在,面阵探测器亦不能完全实现谱线弯曲的对称接收成像。

图1为棱镜超光谱成像仪光谱成像系统的结构原理图,由两块非球面反射镜、一块复合棱镜和一块面阵探测器组成,复合棱镜用于校正光谱色散的非线性,两块非球面反射镜工作在离轴状态,棱镜的背面镀银反射膜,形成棱镜内反射,棱镜色散的固有问题是色散非线性和谱线弯曲,采用复合棱镜后色散特性已经接近线性。

图2为理想状态和实际装调状态下谱线折叠与面阵探测器的配准关系,由于实际工作中只能保证谱线两端与一行探测器像元对齐,且谱线弯曲并不能调整到完全对称,因此对成像区域为1024(空间维)×80(光谱维)的超光谱成像仪,需要确定每个像元的工作中心波长和光谱辐射响应带宽,提供工作状态的波长矩阵表,即进行所谓的光谱定标。重庆计量校准对计量司法鉴定和科研项目鉴定检测;

光谱仪器设备的光谱定标主要有谱线灯方法和单色仪方法,谱线灯方法利用汞灯、钠灯的发射谱线,只能实现光谱分辨率比较高、线性色散仪器设备的波长标定,实现不了光谱带宽标定;而单色仪方法连续输出单色准直光,可同时实现宽光谱范围的波长和带宽标定。

超光谱成像仪的光谱定标要求为:中心波长定标精度±1nm,带宽定标精度±1nm。本文根据光谱定标要求建立了一套光谱定标装置,它由3部分组成(图3):无中心遮拦平行光管、单色仪和光源。该光谱定标装置的技术指标如下:

单色仪的出射狭缝放置在平行光管的焦面上,通过控制单色仪光栅的转动和狭缝的宽度可以选择不同的波长和光谱带宽。玻璃仪器检测量具:滴定管、量筒、量杯、分度吸管。单色仪的出射光经平行光管后获得单色准直光,高亮度光源可保证该仪器设备具有足够高的单色准直光能量输出。控制单色仪的狭缝宽度为100μm时,会输出带宽为1nm的单色准直光;若狭缝宽度为10μm,则输出带宽为0.1nm的单色准直光。超光谱成像仪的带宽在10nm左右,采用1nm带宽的单色准直光即可。

超光谱成像仪的光谱定标需测定出每个响应谱段的相对光谱响应度。连续改变单色仪的输出波长,记录超光谱成像仪的输出数据和单色仪的数据,利用光谱定标装置的标定数据,经过数据处理就可获得超光谱成像的光谱响应度,做归一化处理后,两端响应最大值的1%作为波段的响应带宽,两端响应50%的波长差作为光谱带宽,拟合的高斯相对光谱响应度最大值对应的位置即为谱段的中心波长。

 

超光谱成像仪光谱定标结果

利用建立的超光谱成像仪光谱辐射定标装置测定了1 024(空间)×80(光谱)阵列像元的中心波长和带宽,建立了1 024×80的中心波长矩阵表和光谱带宽矩阵表,并拟合了不同空间像元位置的多项式色散方程。图4为中部视场点(550空间像元)不同通道的相对光谱响应曲线,均近似满足Gauss分布。图5为拟合得到的光谱色散曲线与拟合多项式。图6为3个不同位置的光谱响应带宽曲线,全波段平均响应带宽为8.75nm。

图7为测得的全部光谱响应像元的谱线弯曲(Smile效应),72通道前弯曲最大接近19nm,最小在14nm左右,平均在17nm,弯曲跨度基本在两个光谱探测像元以内。

 

超光谱成像仪的温度谱线漂移

超光谱成像仪安装在卫星上,工作于真空状态,且温度变化范围较大。由于仪器设备设备的结构材料选用的是铝合金,膨胀系数较大,温度变化会导致光谱成像系统产生离焦。图1中像面附近的平面折转反射镜兼作调焦反射镜,通过前后移动可补偿温度变化产生的像面离焦,保证系统获得清晰的光谱图像。另外,调焦时也会在CCD光敏面上产生谱线移动,因此需要测定出不同温度时的谱线漂移量。为了考查超光谱成像仪在不同温度下的谱线漂移量,本文进行了热光学实验,确定了光谱仪谱线位置随温度的变化关系,为在轨调焦和谱线校正提供了初始光谱定标依据。

图8为超光谱成像仪热光学实验原理图,光谱定标仍采用图1所示的单色平行光管进行。振动仪器检测:机械振动台、数字振动台、振动测试仪、测振仪。超光谱成像仪放置在真空罐中,单色平行光经窗口进入超光谱成像仪,控制及数据采集App实现单色光波长切换、图像采集和存储。


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