稀土掺杂漫反射板星上光谱定标技术.pdf

航天返回与遥感第3 6 卷第6 期 4 8 S P A C E C R A F TR E C O V E R Y & R E M O T ES E N S I N G 2 015 年l2 月 稀土掺杂漫反射板星上光谱定标技术 刘宇翔伏瑞敏李明丁世涛杜国军 ( 北京空间机电研究所，北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要星上光谱定标是星载光谱成像仪光谱图像数据定量化应用的基础。文章针对某光谱成像仪 特点和任务要求，在中国首次选用稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法对其进行星上光谱定标，并进行了地 面模拟。通过寻峰处理和回归分析计算出了光谱定标方程，模拟了载荷的星上光谱定标过程，并利用汞 灯标准谱线和滤光片吸收峰波长对定标精度进行了检验。 关键词稀土掺杂漫反射板星上光谱定标地面模拟光谱成像仪航天遥感 中图分类号：V 4 7 4 2 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 9 8 5 1 8 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 4 8 0 7 D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 8 5 1 8 2 0 1 5 0 6 0 0 7 O n - - b o a r dS p e c t r a lC a l i b r a t i o nT e c h n o l o g i e sw i t hR a r e E a r t hD o p e dD i f f u s e rP l a t e L I UY u x i a n gF UR u i m i nL IM i n gD I N GS h i t a oD UG u o j u n ( B e i j i n gI n s t i t u t eo fS p a c eM e c h a n i c s & E l e c t r i c i t y , B e O i n g10 0 0 9 4 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h eo n b o a r ds p e c t r a lc a l i b r a t i o ni st h eb a s i sf o rs p a c e - b o r n es p e c t r a li m a g e rt oo b t a i na c c u r a t e l yq u a n t i f i e ds p e c t r a li m a g i n gd a t a B yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d m i s s i o nr e q u i r e m e n t so fas p e c t r a l i m a g e r ，r a r ee a r t hd o p e dd i f f u s e rp l a t ei sc h o s e nf o rt h ef i r s tt i m ei nC h i n a t oa c h i e v ei t so n b o a r ds p e c t r a lc a l i b r a t i o n A n dt h eg r o u n ds i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e d T h ee q u a t i o no fs p e c t r a lc a l i b r a t i o nw a sc a l c u l a t e d t h r o u g hp e a ks e a r c h i n ga n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ，a n df i n a l l yt h eo n - b o a r ds p e c t r a lc a l i b r a t i o no ft h ei n s t r u m e n t i s s i m u l a t e d T h ep r e c i s i o no fs p e c t r a lc a l i b r a t i o ni sv e r i f i e dw i t ht h es t a n d a r dl i n e so fm e r c u r yl a m pa n dt h ef i l t e r w a v e l e n g t h s K e yw o r d s r a r ee a r t hd o p e dd i f f u s e rp l a t e ；o n b o a r ds p e c t r a lc a l i b r a t i o n ；g r o u n ds i m u l a t i o n ；s p e c t r a l i m a g e r ；s p a c er e m o t es e n s i n g 0 引言 光谱成像仪是同时获取地物图像和光谱信息【1 1 ，且能获得连续的光谱数据的光学遥感仪器。与一般 相机获取的图像相比，光谱成像仪多了光谱维的信息。很多谱段数目的组合应用可以为不同需求用户提 供大量的遥感图像产品 2 1 。 光谱成像仪的应用以定量化的数据为基础，因此需要对其进行准确定标。光谱定标的目的是确定 C C D 每个像元的序号与入射辐射的波长之间的对应关系，并确定仪器总的光谱范围。 收稿日期：2 0 1 5 - 0 7 0 7 万方数据 第6 期 刘宇翔等：稀k - 掺杂漫反射板星上光谱定标技术 4 9 经过发射以及在轨运行，星载光谱成像仪的光学、结构和电子学部件会发生性能改变，导致实验室 辐射定标建立的数字化输出和地面景物辐亮度之间的关系发生改变，同时也会使像面上谱线位置发生改 变。为了得到准确的光谱图像数据，必须对这些变化进行校正，这就要求在实验室定标的基础上对光谱 成像仪进行星上定标【j J 。 目前，星载光谱成像仪的星上光谱定标方法有：1 ) 稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法；2 ) 太阳夫琅 和费线法；3 ) 氧气A 吸收带法；4 ) 大气吸收线法；5 ) 具有特殊吸收峰的滤光片法；6 ) 迈拉聚酯薄膜 法。M E W S 、H y p e r i o n 、C H R I S 、O M I 、M O S 、H R I S 、M O D I S 、H I S U I l 4 1 l 】等卫星上的光谱成像仪均使 用了以上方法中的l 3 种进行星上光谱定标。 本文针对某光谱成像仪的特点及任务需求选择了稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法对其进行星上光谱 定标，并且进行了地面模拟，相比其他方法具有一定优势。首先，该方法可以通过选择掺杂稀土元素的 种类和数量改变漫反射板吸收峰的位置和数量，使其适应光谱成像仪的谱段范围和光谱响应区间。其次， 该方法不需要通过地球大气，在实验室可以通过太阳模拟器进行地面模拟。此外，此光谱成像仪参考了 M E R I S 的星上光谱定标方法，是我国首例使用稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法进行星上光谱定标，通过 此次方案设计、模拟，可以为后续应用提供技术参考。 1星上定标系统简介 某光谱成像仪采用光栅作为分光元件，采用面阵探测器作为信号接收元件，探测器行方向对应视场 维、列方向对应光谱维。光谱范围4 0 0 9 5 0 n m ，光谱色散率为1 2 5 n m 像元。光谱成像仪由星上定标系 统、光学镜头和焦面组件、遮光罩、支撑结构、电子学系统和热控系统等组成。星上定标系统位于光学 系统的前端，采用太阳定标方法进行光谱成像仪的星上定标。星上定标系统见图l ，由定标转盘、传动 机构、电机、旋转变压器、挡光板、遮光罩、地球窗口玻璃和其它结构组成。 定标转盘上有5 个工作位置，如图2 所示，分别为地球窗口、辐射定标漫反射板( 主份) 、辐射定标 漫反射板( 备份) 、光谱定标漫反射板和遮光位置，不同的工作位置对应着相机的不同工作模式。 电机 图l 某光谱成像仪星上定标系统 F i g 1 O n - b o a r dc a l i b r a t i o ns y s t e m so fs p e c t r a li m a g e r 光谱定标2 8 8 。 漫反射板 标t 漫孚射板1 6 。 r - _ l 3 ) 2 图2 定标转盘的5 个工作位置 F i g 2 F i v ep o s i t i o n so fc a l i b r a t i o nd i s k 辐射定标漫反射板采用聚四氟乙烯白板，光谱定标漫反射板采用聚四氟乙烯掺杂稀土元素材料。辐 射定标漫反射板和光谱定标漫反射板方向半球反射比光谱分布见图3 。辐射定标漫反射板在4 0 0 9 5 0 n m 波段反射率大于9 5 且具有较好的光谱平坦性。光谱定标漫反射板在4 0 0 9 5 0 n m 波段范围内具有6 个特 万方数据 5 0 航天返回与遥感 2 0 1 5 年第3 6 卷 征吸收峰，吸收峰波长分别为4 0 7 7 、4 5 1 9 、4 8 9 3 、5 2 1 4 、6 5 3 7 、7 9 8 6 n m ，以光谱定标漫反射板的吸 收峰波长作为星上光谱定标的特征波长。 图3辐射定标漫反射板和光谱定标漫反射板方向半球反射比光谱分布 F i g 3 R e f l e c t a n c eo fr a d i o m e t r i cc a l i b r a t i o nd i f f u s e rp l a t ea n ds p e c t r a lc a l i b r a t i o nd i f f u s e rp l a t e 2 星上光谱定标过程及地面模拟 2 1 星上光谱定标过程 用稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板法进行星上光谱定标时，太阳光从太阳窗E 1 人射，将定标转盘转到 辐射定标漫反射板( 聚四氟乙烯白板) 位置，得到第一帧数据。然后将定标转盘转到光谱定标漫反射板 ( 稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板) 位置，得到第二帧数据。通过对稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板吸收峰 附近的两帧数据进行对比，找到吸收峰波长所对应的像元，从而完成星上光谱定标的寻峰处理。对于不 同的空间维，用多个吸收峰波长及其对应的像元位置进行线性回归分析求解，便能得到不同视场方向的 光谱定标方程。 2 2 地面模拟实验及结果 进行星上光谱定标地面模拟时，将太阳模拟器的光源从太阳窗口入射，所成夹角与星上光谱定标时 与太阳光所成的夹角相同。首先，将定标转盘转到遮光位置，记录此时C C D 每个像元的暗电流值D f ，； 然后，将定标转盘转到光谱定标漫反射板( 稀土掺杂聚四氟乙烯漫反射板) 位置，记录此时的D N 值彳I ，； 最后，将定标转盘转到辐射定标漫反射板( 聚四氟乙烯白板) 位置，记录此时的D N 值B ：，。A l ! ：、B F 和 D f ，都要多次测量取平均值，以减小测量误差。其中，下标f 代表行号，即光谱维像元号，i 越大，对应 的光谱波长越短；J 代表列号，即空间维像元号。将测得的光谱响应数据按式( I ) 进行归一化整理，得 到去除暗电流噪声后光谱定标漫反射板光谱响应的归一化结果G 。 C f ，= 两A i j - D U ( ) 通过理论计算以及实验室光谱定标，光谱定标漫反射板的6 个吸收峰位置( 4 0 7 7 、4 51 9 、4 8 9 3 、 5 2 1 4 、6 5 3 7 、7 9 8 6 n m ) 在单一视场方向所对应的像元位置应分别在4 6 1 、4 2 5 、3 9 5 、3 6 9 、2 6 3 、1 4 6 附近。 将得到的光谱定标漫反射板光谱响应归一化结果G 固定视场方向( 选取特定值) ，便可得到单一 视场方向上光谱维像元号和归一化值的对应关系。取j = 5 0 0 时( 大致在中心视场方向) ，光谱维像元号和 归一化值的对应关系如图4 所示，从图4 中