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光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱学与光谱分析 2022年第7期42卷 2013-2017页

作者：王建威李伟艳孙建颖李兵陈鑫雯谭政赵娜刘扬阳吕群波中国科学院空天信息创新研究院中国科学院计算光学成像技术重点实验室北京100094 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 中国科学院大学光电学院北京100049

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... 详细信息

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。

关键词：高光谱成像谱线弯曲光谱定标

用PtNe灯对大气紫外成像光谱仪进行光谱定标

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光谱学与光谱分析 2010年第12期30卷 3302-3305页

作者：李聪王咏梅空间环境探测研究室中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院研究生院北京100049

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气... 详细信息

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气紫外成像光谱仪的特点,选取PtNe空心阴极放电灯作为定标光源,建立了定标装置,对仪器进行了光谱定标。通过对仪器的输出结果进行数据处理,得到了像元序号与波长的函数表达式。定标结果表明,大气紫外成像光谱仪光谱定标的不确定度为0.043 nm。

关键词：成像光谱仪光谱定标紫外空心阴极灯不确定度

基于波数均匀展宽模型的全反射傅里叶变换成像光谱仪高精度光谱定标处理方法

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光谱学与光谱分析 2011年第7期31卷 1762-1766页

作者：崔德琪廖宁放曹玮亮谭博能田立勋北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081

全反射傅里叶变换成像光谱仪ARFTIS(all-reflection Fourier transform imaging spectrometer)是基于FT成像光谱理论的一种新型仪器,它不但具有高光谱分辨率特点,而且还具有宽波段、无色差的特点,特别适合应用在宽波段成像的遥感领域。... 详细信息

全反射傅里叶变换成像光谱仪ARFTIS(all-reflection Fourier transform imaging spectrometer)是基于FT成像光谱理论的一种新型仪器,它不但具有高光谱分辨率特点,而且还具有宽波段、无色差的特点,特别适合应用在宽波段成像的遥感领域。目前常用的光谱定标方法有单色法、平均法和加权平均法,但是它们各存在一定局限性,不能同时满足简便和高精度的要求。文章研究了全反射型FTIS的光谱定标理论和三种定标方法的局限性,提出了一种新的光谱定标处理实用模型。其特点是需要定标特征波长数量少、单次定标精度高、多波段平均误差小于5%、稳定性较高,可以在保证较高精度的前提下,简化定标工作,特别适用于缺少大量定标设备,或不便进行多光源定标的外场环境仪器标定工作。

关键词：波数均匀展宽全反射傅里叶变换成像光谱仪光谱定标高光谱

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

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红外与毫米波学报 2012年第6期31卷 517-522页

作者：晏磊勾志阳赵红颖陈伟尹中义段依妮北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871 北京大学空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室北京100871

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移... 详细信息

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。

关键词：无人机成像光谱仪辐亮度匹配光谱定标

基于天宫一号高光谱成像仪的替代光谱定标方法精度对比分析

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红外与毫米波学报 2015年第3期34卷 360-367页

作者：张雅琼张文娟陈正超张兵中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室北京100094 中国科学院大学北京100049

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结... 详细信息

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结果表明:基于三景图像的非同步替代光谱定标结果相近,差异小于0.2 nm,标准差小于0.11;同步和非同步两种替代光谱定标结果差异小于0.3 nm;以星上定标结果为基准,两种替代光谱定标方法的误差分别为0.384 nm和0.489 nm,二者差异较小.可见,可采用非同步替代光谱定标方法对高光谱成像仪进行高频次的光谱定标.

关键词：高光谱成像仪替代定标光谱定标精度对比

光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标中心波长偏移研究

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光谱学与光谱分析 2013年第8期33卷 2280-2285页

作者：王明志晏磊杨彬勾志阳北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所北京100871

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外... 详细信息

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外定标结果的偏移进行研究,从光栅色散型成像光谱仪的光学结构和工作环境参数出发对造成其中心波长偏移的因素进行分析和建模,对震动、机械形变和浓度等主要影响因素进行理论推导和数量级估算,结合实验结果进行对比分析。理论推导和实验数据分析都表明光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标获得的各通道中心波长的偏移量与各通道的本征波长成二次函数的关系,其中震动和机械形变所带来的系统光路结构的细微改变是造成其中心波长偏移的主要因素,使用环境温度的差异也对该成像光谱仪各光谱通道的中心波长具有一定的影响。

关键词：光栅色散光谱定标中心波长偏移

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红外傅里叶光谱仪在轨光谱定标算法研究

光学学报 2019年第6期39卷 391-397页

作者：冯绚韩昌佩邹曜璞陈博洋中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室北京100094 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室上海200083 国家卫星气象中心北京100080

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光... 详细信息

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。

关键词：傅里叶光学傅里叶光谱仪光谱定标激光采样频率风云四号A星

FY-3F/HIRAS-Ⅱ的发射前光谱定标

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光学学报 2024年第12期44卷 396-403页

作者：邵春沅顾明剑漆成莉李路杨天杭陈星中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室上海200083 中国气象局国家卫星气象中心北京100081

基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟,研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先,开展仪器线型函数(ILS)影响分析,确定不同影响因素(有限光程差、有限视场、离轴效应等)的分析方法;其次,以面阵型圆形探测器为... 详细信息

基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟,研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先,开展仪器线型函数(ILS)影响分析,确定不同影响因素(有限光程差、有限视场、离轴效应等)的分析方法;其次,以面阵型圆形探测器为例,结合仪器自身光学特性,构建仪器线型函数模型;然后,利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性;最后,基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据,进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明:有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽,并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正,中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10^(-6)减小到0.54×10^(-6),边缘最差像元由-513.38×10^(-6)减小到-0.15×10^(-6),且3个波段内所有像元均满足小于7×10^(-6)的指标要求。

关键词：光谱学光谱定标仪器线型函数离轴效应红外高光谱大气探测仪

紫外可见偏振成像光谱仪的光谱定标与匹配方法

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光学学报 2022年第9期42卷 261-269页

作者：石晶晶李孟凡胡亚东池杲鋆王相京洪津中国科学技术大学环境科学与光电技术学院安徽合肥230026 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

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... 详细信息

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。

关键词：光谱学光谱定标偏振光谱仪视场定标 Fraunhofer线