成像光谱仪光谱定标技术

成像光谱仪光谱定标技术 文章编号?1672—8785(2006)08—0024-03 成像光谱仪光谱定标技术 杨宜 (中国科学院上海技术物理研究所,上海200083) 摘要:本文首先介绍了成像光谱仪光谱定标的背景,原理.接着重点介绍了国外关 于 光谱定标的几种技术,最后对国内光谱定标进行了展望. 关键词:成像光谱;定标 中图分类号:04723文献标识码:A SpectralCalibrationTechnologyforImagingSpectrometer YANGYi (Sh~gbaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,C hina) Abstract:Thebackgroundandprincipleofthespectralcalibrationforimagingspectrometers al'e presented.Then,severalforeignspectralcalibrationtechnologiesaredescribedmainly.Fina lly,the futureofthedomesticspectralcalibrationtechnologiesisexpected. Keywords:imagingspectrometer;spectralcalibration 1引言 成像光谱仪将成像技术与光谱技术结合在 一 起,在探测地物空间特征的同时对地物像元 色散成像,一般提供几十个或上百个地物光谱 成像图,为生态,地质,矿产,海洋,陆地水资 源,冰雪和大气环境等学科提供了更广的研究 手段.成像光谱仪的应用以数据的定量化为基 础,因此仪器本身的定标不可或缺;此外,由于 环境,温度,外界冲击等的影响和成像光谱仪自 身光学,机械,探测器性能变化,其系统响应会 发生变化,这也使得需要对成像光谱仪定期定 标以修正某些参数.本文主要讨论成像光谱仪 在实验室内的光谱定标. 2原理 光谱定标就是确定成像光谱仪各个通道的 光谱响应函数,即确定探测器各个像元对于不 同波长光的响应,进而得到通道的中心波长以 及通光谱带的宽度.通光谱带的宽度一般用半 高宽表示,半高宽指的是通道响应曲线中,对应 最大输出响应的一半的两个波长之间的宽度. 传统的并且占主要地位的光谱定标系统结构框 图如图1所示. 光源发出的白光聚光后经过调制盘入射到 单色仪的输入狭缝,从单色仪输出狭缝出来的 单色光经平行光管扩束后被反射并充满成像光 谱仪的孔径,探测器做出响应,前放出来的信号 进入锁相放大模块,经过模数转换之后输入计 算机.通过计算机控制单色仪在相应波长范围 内以一定步长扫描,并采集探测器各个通道的 响应,就可以得到通道的离散光谱响应,做进一 步的数据处理,便可以比较精确地得到各个通 道的响应峰值波长和半高宽. 3研究动态 3.1AVIRIS的光谱定标 收稿日期?2006-03-08 作者简介?杨宜(1983一),男,湖南岳阳人,硕士研究生,主要从事成像光谱仪光谱定 标技术方面的研究. INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,NO.8,AUG2006 图1光谱定标系统结构框图 机载可见/近红外成像光谱仪(AVIRIS)的 光谱定标系统如图2所示【,其光谱定标过程 包含五个步骤:?单色仪的定标;?对于选定的 ,单色仪输出一定范围的单色光,依 AVIRIS通道 次纪录通道响应;?将测得的光谱响应拟合成高 斯响应曲线;?推测未检测通道的光谱响应;? 分析,讨论以上检验步骤和数据的正确性. 图2AVIRIS光谱定标装置 最早有关成像光谱仪定标的报道【.】是Vane 于1987年提出来的.从那以后,定标的各个环节 都逐步得到改进,系统的稳定性和信噪比的提 高也极大地方便了定标.而以上五个步骤则成 为了以后的成像光谱仪光谱定标的基本步骤. 3.2MAS和MASTER的光谱定标 3.2.1MAS MODIS机载模拟器(MAS)【01是Daedalus公 司为NASA哥达德空间飞行中心和阿姆斯研究 中心设计的一种扫描光谱仪,在0.55#m,14.3#m 波谱范围内有50个通道,用于测量地表反射的太 阳光和热辐射.该光谱仪搭载在NASA的ER-2 飞船上,空间分辨率为50m. 在阿姆斯定标过程中,使用了两种技术来 确定相关的MAS通道光谱响应【引. 第一种方法:从溴钨灯出来的光通过斩波 器耦合进入焦距为275mm的光栅单色仪中,单 色仪的输出光通过准直管(平行光管)进入MAS 系统.当检测MAS每个通道时,单色仪扫描输 出一定范围的波长,分别记录下通道的响应,同 时在测量过程中,用硅探测器或热电耦探测器 记录单色仪单色光的照度输出.最后,MAS每 个通道的光谱响应函数由MAS输出响应,单色 仪输出,实验室大气传输曲线(由MODTRON模 型得到)三者的卷积得到,在AVIRIS光谱定标 的基础上,提高了定标的精确度. 第二种方法:采用傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR),输出光经过校准之后被MAS响应,响 应之后的余光再由傅里叶变换红外光谱仪的电 子学部分处理,得到的干涉图是每个通道光谱 响应函数的傅里叶变换.其中,FTIR输出的光 谱辐照度通过测量空气中的光谱幅照度得到. 值得注意的一点是,FTIR方法不能在硅探测器 通道使用. 3.2.2MASTER的光谱定标 MODIS/ASTER模拟器(MASTER)【4】和 MAS一样都是机载多光谱仪器,模拟地球观测卫 星上的星载成像光谱仪,为地球监测系统(EOS) 观测器的算法优化提供初始数据.其光谱定标 方法和上面介绍的MAS定标方法一样.其中, FTIR方法仍在评价当中,没有直接使用. 3.3Hyperion的定标 INFRARED(MONTHLY)/VOL.27,No.8,AUG2006 Hyperion高光谱成像光谱仪I】是地球轨道 者1号(EO1)宇宙飞船上的有效载荷.其光谱定 标有两种方法.其中一种和上面提到的利用单 色仪扫描得到输出响应的方法一样,但是这种 方法需要测量超过1×10.的光谱响应,每个响 应值的测量需要10s左右的时间,总共需要将近 4000个小时的测量时间,在实际中不太可能实 现.因此,Hyperion利用了另外一种较成熟的技 术【0】t使用掺杂的spectralon(~种非涂层高反射 材料)面板技术测量每个像素的中心波长.需要 测量两帧数据:首先,在焦平面上覆盖一张对所 有波长都高反射的spectralon平板,得到探测器 所有像素点的响应,这是第一帧数据;然后,拿 走spectralon平板,换上另外一张掺有稀土元素 (钬或者铒的氧化物)的spectralon平板,测得第 二帧数据.两帧数据对应的比值去除了探测器 光谱响应和光源光谱输出的影响.假定系统的 参数模型(由其色散和光谱模型得到),将测得 的比值去除这个模型的影响,然后与掺有稀土 元素平板的光谱曲线做最小方差拟合(其吸收谱 线和波长变化是确知并且稳定的),便可以得到 探测器每个像素的中心波长值. 3.4COMPASS的定标 紧凑型机载光谱计(COMPASS)【7】工作在太 阳反射波段400nm一2350nm,拥有256个通道. 利用焦平面技术,使用单一的光学设计系统,消 除了像素匹配问题.COMPASS的光谱响应函数 测量有两种不同的配置:?狭缝一狭缝成 像,如图3(a),单色仪的输出狭缝通过一个离焦 的抛物面(OAP)和一块平面镜成像在COMPASS 的输入狭缝上,这种方案能够提供最强信号,但 是狭缝上面照度的非均匀性导致测得的数据有 些不准;?积分管和spectralon面板,如图3(b), 单色仪输出的光被导入一个两英寸的积分管(积 分管处在OAP的焦点上),经过OAP反射进入 COMPASS,这样能够使照度达到非常高的均匀 性,只是稍微降低了信号的强度. 4结论 最近,欧洲宇航局正在投资建立机载推帚 式成像仪(APEX)的定标基地IS】,在2006 年投入使用.相对于国外定标技术不断飞速发 展,国内则有明显不足.在努力提高成像光谱技 术的同时,我们也应当注意与之相关的包括定 标在内的其它技术进步,这样才能全面地促进 我国成像光谱技术的发展. 单色仪 C饼ASS 高光谱成像仪 (b) 图3COMPASS光谱定标的两种配置 参考文献 [1】ThomasGChrien,RobertOGreen,MichaelL Eastwood.AccuracyoftheSpe~rMandRadio- metricLaboratoryCalibrationoftheAirborneVis_ ible/InfraredImagingSpectrometer(AVIRIS)[c】. 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