空间调制型干涉光谱成像仪星上定标方法

摘要

一种空间调制型干涉光谱成像仪星上定标方法。该方法是：光谱曲线平坦的均匀面光源进入积分球，得到面均匀性更高的面光源；使该光源的光谱曲线产生吸收峰；经准直镜系统产生具有一定视场角的平行光，成为带有特征谱线的宽谱定标光源，用仪器测得该定标光源的光谱曲线。定标光源经超光谱成像仪的前置镜成像在一次像面狭缝上，再经干涉仪、傅立叶透镜、柱面镜在探测器阵列上产生干涉图像，经计算机复原，得到定标光源的光谱曲线；将该光谱曲线与预先获得的光谱曲线比对，得到所需的定标参数。用上述定标参数对仪器获得的数据进行修正，完成定标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间调制型干涉光谱成像仪星上定标方法。

背景技术

干涉型光谱成像技术，亦称干涉成像光谱技术，发展于上世纪90年代，采用的是遥感观测手段，星上定标是其核心关键技术之一，目前国际上也正处于研究阶段。

在工程实践中，由于材料的性质、装调的精度等原因，仪器获得的目标信息总会与实际目标存在一定差距，需要通过定标获得修正的参数，使仪器获得的结果尽量符合实际目标情况，故需进行定标。

干涉型超光谱成像仪的定标与普通的CCD遥感相机不同。普通CCD遥感相机获得的是目标的几何图像，只需要进行辐射度定标即可满足要求；而干涉型超光谱成像仪除了获得目标的几何图像外，还要得到目标的光谱信息，所以其既要进行辐射度定标，还要进行光谱定标。

由于干涉型超光谱成像仪的工作原理与色散型成像光谱仪的原理不同，色散型成像光谱仪探测器接收到的是目标的直接光谱信息，而干涉型成像光谱仪探测器接收到的是目标光谱的傅里叶变换信息。两者定标目的相同，但方法差异较大。

美国于2000年7月发射的强力小卫星是世界上第一台投入实用的干涉型超光谱成像仪，强力小卫星起初想用一根光纤将太阳光引入至仪器作为定标的光源，希籍将仪器获得的数据与已知的太阳光谱作比对，而得到修正的参数。但该设想最终并未付诸实践，而是以地面辐射场定标进行比较修正。由于对太阳光谱特性了解的欠缺，目前国内还生产不出适于航天应用的光纤。

发明内容

本发明解决了背景技术无法实现星载干涉型超光谱成像仪定标，即不能同时进行辐射度定标和光谱定标的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种空间调制型干涉光谱成像仪星上定标方法，其特殊之处在于：该方法包括：

1).由柯拉照明系统或积分球系统光源发出光谱曲线平坦的均匀面光源，由入口3进入积分球4，得到面均匀性更高的面光源。

2).使该光源的光谱曲线产生吸收峰。在出口5处放置钕镨玻璃或其他具有吸收峰透明材料使其光谱曲线产生两个、三个或多个吸收峰。

3).经准直镜系统产生具有一定视场角的平行光，即成为带有特征谱线的宽谱定标光源，用标准仪器测得该定标光源的光谱曲线。

4).定标光源经过超光谱成像仪的前置镜成像在一次像面狭缝上，然后再经过干涉仪、傅立叶透镜、柱面镜在探测器阵列上产生干涉图像。该图像，经过计算机复原软件复原后，得到超光谱成像仪获得的定标光源的光谱曲线，

5).将这条光谱曲线与我们预先获得的光谱曲线比对，就可以得到我们需要的定标参数。平坦的宽谱可以用来作辐射度定标，光源的吸收峰可以用来确定仪器的光谱分辨率，以及谱线的位置和相对幅值。

6).用上述定标参数对仪器获得的数据进行修正，完成定标。

上述准直镜焦距和相对孔径与成像光谱仪前置镜相同；准直镜6与超光谱成像仪的前置镜一起将积分球4出射的光会聚在超光谱成像仪光学系统的狭缝上，然后通过干涉仪、富里叶透镜、柱面镜在探测器上成像；准直镜6——将光源变为平行光；由此，整个定标系统产生的定标光源就成为带有特征谱线的宽谱光源。宽谱光源将可以用作辐射度定标，光源的特征谱线通过光谱复原进行光谱特性分析，可以确定光谱线位置的变化情况，达到星上相对定标的目的；再经准直镜系统6，最后光线经反射镜7折转光路，被引入仪器的光学系统进行定标。

上述定标是指确定遥感器输出准确数值的过程，主要手段是测定遥感器对一个已知辐射特性目标的响应。对干涉型超光谱成像仪来说，定标内容主要包括光谱定标和辐射度定标两方面，其中辐射度定标又包括相对辐射度定标和绝对辐射度定标两种，相对辐射度定标用来确定仪器各谱段的相对辐射响应和探测器不同单元的相对辐射响应，绝对辐射定标用来确定仪器输出信号，使之能够反应输入信号的绝对辐射强度。

所述的光谱定标：就是确定干涉图零光程差的位置、频率以及最大光程差，从而确定各谱段的中心波长和半波宽度。它对保证仪器的光谱分辨率十分重要，同时对干涉仪的工作状态是否正常是最主要的判据。

所述的辐射度定标：通常星上主要进行相对辐射度定标。

已知光谱强度分布B(σ)的定标光源进入超光谱成像仪，得到像元的干涉强度分布为：

I(x)＝∫K(σ)B(σ)cos(2πxσ)dσ+IN

IN是像元的零输入响应，x为光程差，σ为波数。K(σ)是系统的光谱响应函数。

上述干涉图经滤波、相位修正后，进行反傅里叶变换，得到复原光谱强度分布B’(σ)，则有

B’(σ)＝K(i，j)×B(σ)

在K(i，j)中，i与j分别表示空间方向像元数与谱段数。K(i，j)就是第i列探测器单元的光谱修正值，(j＝1，2……N，N为谱段数)，即光谱响应函数。

用同样的方法，可对各列(i＝2……M)单元求出修正值，最后得到一个完整的二维修正系数矩阵K(i，j)，提供光谱辐射度修正数据，完成光谱辐射度的定标。

本发明具有以下优点：

1.实现了星载干涉型超光谱成像仪的定标；

2.可同时完成辐射度定标及光谱定标；

3.定标精度可以达到：相对精度为5％，绝对精度为10％；

4.材料、仪器不需要特制；

5.采用现有的材料、仪器即可实现定标目的。

附图说明

附图为本发明星上定标光学系统的结构示意图。

附图标号说明：1-光源，2-聚光镜，3-入口，4-积分球，5-出口，6-准直镜系统，7-反射镜。

具体实施方式

本发明定标系统光源的光谱曲线可预先测得。卤钨灯的光谱是比较平坦的，经过积分球系统，谱线上会产生一些尖锐的吸收峰，吸收峰的数目、位置与积分球口的材质有关。利用光谱的平坦部分做辐射度定标，用吸收峰的位置以及半高宽做光谱定标。

参见附图，本发明由柯拉照明系统、积分球系统和准直镜系统组成。

1.由柯拉照明系统或积分球系统光源发出光谱曲线平坦的均匀面光源，由入口3进入积分球4，得到面均匀性更高的面光源。

2.使该光源的光谱曲线产生吸收峰。在出口5处放置钕镨玻璃或其他具有吸收峰透明材料使其光谱曲线产生两个、三个或多个吸收峰。

3.经准直镜系统产生具有一定视场角的平行光，即成为带有特征谱线的宽谱定标光源，用标准仪器测得该定标光源的光谱曲线。

4.定标光源经过超光谱成像仪的前置镜成像在一次像面狭缝上，然后再经过干涉仪、傅立叶透镜、柱面镜在探测器阵列上产生干涉图像。该图像，经过计算机复原软件复原后，得到超光谱成像仪获得的定标光源的光谱曲线，

5.将这条光谱曲线与我们预先获得的光谱曲线比对，就可以得到我们需要的定标参数。平坦的宽谱可以用来作辐射度定标，光源的吸收峰可以用来确定仪器的光谱分辨率，以及谱线的位置和相对幅值。

6.用上述定标参数对仪器获得的数据进行修正，完成定标。

准直镜焦距和相对孔径与成像光谱仪前置镜相同。

准直镜6与超光谱成像仪的前置镜一起将积分球4出射的光会聚在超光谱成像仪光学系统的狭缝上，然后通过干涉仪、富里叶透镜、柱面镜在探测器上成像。准直镜6——将光源变为平行光。

这样，整个定标系统产生的定标光源就成为带有特征谱线的宽谱光源。宽谱光源将可以用作辐射度定标，光源的特征谱线通过光谱复原进行光谱特性分析，可以确定光谱线位置的变化情况，达到星上相对定标的目的。再经准直镜系统6，最后光线经反射镜7折转光路，被引入仪器的光学系统进行定标。朗伯板8，

在工程实践中，由于材料性质，加工、装调精度等原因，以及空间环境与地面环境的不同，会引起仪器采集到的信号的变化，因此，需要通过定标获得修正的参数。

补充说明：

定标是指确定遥感器输出准确数值的过程，主要手段是测定遥感器对一个已知辐射特性目标的响应。对干涉型超光谱成像仪来说，定标内容主要包括光谱定标和辐射度定标两方面，其中辐射度定标又包括相对辐射度定标和绝对辐射度定标两种，相对辐射度定标用来确定仪器各谱段的相对辐射响应和探测器不同单元的相对辐射响应，绝对辐射定标用来确定仪器输出信号，使之能够反应输入信号的绝对辐射强度。

光谱定标：就是确定干涉图零光程差的位置、频率以及最大光程差，从而确定各谱段的中心波长和半波宽度。它对保证仪器的光谱分辨率十分重要，同时对干涉仪的工作状态是否正常是最主要的判据。

辐射度定标：通常星上主要进行相对辐射度定标。

已知光谱强度分布B(σ)的定标光源进入超光谱成像仪，得到像元的干涉强度分布为：

I(x)＝∫K(σ)B(σ)cos(2πxσ)dσ+IN

IN是像元的零输入响应，x为光程差，σ为波数。K(σ)是系统的光谱响应函数。

上述干涉图经滤波、相位修正后，进行反傅里叶变换，得到复原光谱强度分布B’(σ)，则有

B’(σ)＝K(i，j)×B(σ)

在K(i，j)中，i与j分别表示空间方向像元数与谱段数。K(i，j)就是第i列探测器单元的光谱修正值，(j＝1，2……N，N为谱段数)，即光谱响应函数。

用同样的方法，可对各列(i＝2……M)单元求出修正值，最后得到一个完整的二维修正系数矩阵K(i，j)，提供光谱辐射度修正数据，完成光谱辐射度的定标。