CN102538966A - 超光谱成像仪短波红外实验室光谱定标校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超光谱成像仪短波红外波段(1000-2500nm)的实验室光谱定标校正方法。它基于单色仪扫描法基础上，通过采集校正波段并利用数值计算和线性回归分析求其通道偏移量同时间偏移量的关系，建立谱线漂移校正模型，最后根据谱线漂移校正模型特征对短波红外全波段数据进行谱线漂移校正。通过本发明的超光谱成像仪实验室光谱定标校正方法能够很好地修正由于成像仪仪器内部产热而导致的谱线波长向长波漂移问题。在定标精度允许的范围内，模型可靠且时间漂移规律具有重复性，有实用价值。本文提出的解决方案已经实际应用到了超光谱成像仪的实验室光谱定标方法中，所提出的模型可为其他同类型遥感器出现类似情况时提供参考依据。

Description

超光谱成像仪短波红外实验室光谱定标校正方法

技术领域

本发明涉及实验室光谱定标领域，波段范围为短波红外波段(波长为1000-2500nm)，具体是指通过谱线漂移校正模型对超光谱成像仪谱线温漂进行校正的方法。

背景技术

为了定量获得地物图像信息，在发射之前需对遥感仪器进行实验室定标以获取仪器的性能参数，其中实验室定标包括光谱定标和辐射定标。其中光谱定标是获得遥感器各波段的中心波长和光谱响应带宽(一般用半波宽描述)；辐射定标是根据光谱定标得到的波段响应特性计算仪器各个探测元的辐射定标系数(包括增益和偏置)。目前实验室光谱定标方法主要采用谱线灯方法、单色仪扫描法和特征峰吸收法。谱线灯方法利用汞灯、钠灯的发射谱线，实现波长的标定，但无法标定光谱带宽；单色仪扫描法是利用单色仪在相应波长范围内以一定的步长扫描，并采集探测器各个波段的响应，利用高斯曲线拟合比较精确地得到响应峰值的波长和半波宽。其实验室装置见图1；特征峰吸收法是利用掺杂稀土元素的反射板位置来测量探测元的中心波长，例如EO-1中的Hyperion高光谱成像仪就分别测量对波长有高反射的spectralon板和掺有稀土元素的spectralon板，根据掺有稀土元素白板的特定吸收谱线位置对仪器进行中心波长和半波宽标定。

单色仪扫描法定标精度高且易于操作，使用较为广泛。本方法的提出也是基于单色仪扫描法，单色仪以波段带宽的1/10为步长采集短波红外波段光谱。然而随着采集时间的增加，遥感仪器内部产热引起光机结构和框架的变化，造成波段中心波长向长波方向偏移，波段序号越大，中心波长的偏移量越大。单色仪采集一次短波红外的全波段数据需要大概23分钟，在这段时间内波长漂移显著，根据实验数据得偏移量在0.5个波段带宽以上。超光谱成像仪的光谱分辨率高，达纳米数量级，通道内中心波长的微小偏移会影响辐射定标系数的精度，进一步影响遥感图像应用的精度。

发明内容

基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种超光谱成像仪短波红外实验室光谱定标校正方法，以修正由于长时间采集产生的波长漂移问题。

该校正方法首先选取波长校正波段a、b、c等，分别采集多组并通过数值计算和线性回归方法获得校正波段通道变化量与采集时间偏移量的变化规律，根据规律建立谱线漂移校正模型，最后根据谱线漂移校正模型对短波红外全波段光谱定标结果进行谱线漂移校正。

该方法是建立在单色仪扫描法实验室光谱定标(图1)装置基础上的：标准光源按从左到右顺序先经过单色仪分光，分光后的单色光经过目标模拟器准直为平行光后入射到光谱仪的光学系统中。通过软件设备控制单色仪的分光步长和光谱仪的水平和俯仰角度，确保单色仪狭缝同光学系统狭缝对准。在实验每次测量之前要严格控制实验环境温度，控制在常温20℃，同时保持光谱仪制冷机、光学系统、电箱及框架等温度在每次测量时均一致(偏差在±0.5℃)。

其具体步骤是：

1)选择波长校正波段并采集。选取整个波段范围中信噪比较高的波段作为校正波段，校正波段的采集波长范围为波段中心波长±半波宽，以确保能完整采集校正波段。具体采集方法如下：

a)确定光谱仪采集的积分时间和指向镜角度。

b)调整狭缝光线的视场位置，待环境温度稳定并达到实验室要求后光谱仪开机。

c)采集校正波段，重复连续采集多组，保证校正波段的重复采集总时间不少于全波段谱线的采集时间。

d)待校正波段多组采集完毕后，关机冷却直至环境温度再次稳定。

重复步骤a)-d)，得到其他校正波段的采集数据。

2)分析每个校正波段的通道偏移量ΔCH_ai相对时间偏移量ΔT_ai的变化规律，其中通道偏移量ΔCH_ai为波段内中心波长变化量Δλ_ai与半波宽ΔFWHM_ai的比值，i代表参考点采集组号，a代表校正波段序号。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{CH}}_{\mathrm{ai}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ai}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{FWHM}}_{\mathrm{ai}}}---\left(1\right)$

3)计算校正波段的通道偏移量均值ΔCH同时间偏移量ΔT的变化规律，通过对实验数据进行线性回归得到谱线漂移校正模型的表达式：

ΔCH＝f(ΔT)                (2)

4)控制实验环境及成像光谱仪各控温点温度同采集校正波段时一致，采集短波红外全波段的光谱数据，计算全视场全波段的中心波长λ_mn和半波宽，其中m代表波序号，n代表视场探测元序号。

5)利用步骤3)得到的谱线漂移校正模型来校正色散方向全波段的谱线漂移。计算单色波长采集时间，其中采集每波长用时为

$T^{\′}=\frac{T}{L_2-L_1}---\left(3\right)$

T代表总采集时间(秒)，L₂为采集终止波长(nm)，L₁为采集开始波长(nm)。根据步骤4)得到原始的存在温漂影响的不同波段不同探测元中心波长结果，根据公式(1)-(3)得到不同波段不同探测元中心波长的波长偏移量，从而实现对原始光谱定标结果修正。

本发明有如下有益效果：

1)建立的谱线漂移校正模型，其参数只包括采集时间和通道偏移量，避免了实验过程中引入其他测量误差，保证测量的精确。

2)本发明的光谱定标校正方法，是建立在短波红外波段单色仪扫描法的基础上，它避免了由于长时间采集引起的谱线漂移影响，对于超光谱精度的光谱定标有实用价值。

3)在定标精度允许的范围内，模型可靠且时间漂移规律具有重复性。

附图说明

图1为单色仪法实验室光谱定标示意图；

图2为校正波段偏移量均值随时间偏移量变化规律；

具体实施方式

根据本发明对一台色散型超光谱成像光谱仪短波红外波段进行光谱定标的谱线漂移校正。根据图1搭建单色仪扫描法实验室光谱定标实验装置，调整实验光路，保证单色仪成像到探测器的光线均一、稳定、长直。光源为250W卤钨灯，调整后光源电压电流为：11.3V/5.13A。控制环境温度为20±0.5℃，湿度为60％。

详述如下：

1)调整成像光谱仪积分时间为3.6毫秒，指向镜角度为1.885°。在1000-2500nm范围内，选择校正波段为a(1190-1250nm)、b(1600-1660nm)、c(2330-2390nm)，其中a、b、c分别对应第15、29和63波段。每次采集时保证环境温度一致，对a校正波段进行重复连续测量，1190-1250nm为一组数据，共采集21组，采集时间为30分钟，采集之后关机冷却等环境温度恢复到初始状态。b、c操作同a。

2)对于a波段，计算21组中心波长相对于第一组的偏差得到波长偏移量，根据公式(1)得到通道偏移量ΔCH_ai，i＝1，2...21，计算21组开始采集时间相对于第一组的时间得到时间偏移量ΔT_ai。b、c操作同a。

3)通过三次样条插值求出a、b、c相同时间偏移量所对应的通道偏移量，并计算均值ΔCH。分析了通道偏移量随时间偏移量成良好的线性规律，对实验数据进行线性回归得到谱线漂移校正模型，其表达式为：

y＝3.53·10^-4·x                (4)

其中x代表采集时间偏移量(从0开始)，y代表波段偏移量，拟合的复合相关系数为0.99962。图2为校正波段偏移量均值随时间偏移量变化的真实值和拟合值。

4)控制实验环境温度同步骤1)中温度，采集短波红外波段波长值，为了确保完成采集1000nm的波段，采集范围选择900-2500nm，覆盖75个波段。待采集完毕后计算全波段全探测元的中心波长和半波宽。

5)根据公式(3)计算单波长采集时间，光谱仪以步长2nm采集一组短波红外(SWIR)的全波段(900-2500nm)数据，采集总时间为1294秒。采集单波长用时为：

$t=\frac{T}{l_2-l_1}=\frac{1294}{2500-900}=0.809$ (秒/纳米)        (5)

根据建立的谱线漂移校正模型(4)及单波长采集规律(5)对步骤4)得到的原始中心波长进行漂移量校正。

Claims (1)

1.一种超光谱成像仪短波红外实验室光谱定标谱线漂移校正方法，其特征在于已包括的步骤如下：

(1)选择波长校正波段并采集。选取整个波段范围中信噪比较高的波段作为校正波段，校正波段的采集波长范围为波段中心波长±半波宽，以确保能完整采集校正波段；具体采集方法如下：

a)确定光谱仪采集的积分时间和指向镜角度；

b)调整狭缝光线的视场位置，待环境温度稳定并达到实验室要求后光谱仪开机；

c)采集校正波段，重复连续采集多组，保证校正波段的重复采集总时间不少于全波段谱线的采集时间；

d)待校正波段多组采集完毕后，关机冷却直至环境温度再次稳定；

重复步骤a)-d)，得到其他校正波段的采集数据；

2)分析每个校正波段的通道偏移量ΔCH_ai相对时间偏移量ΔT_ai的变化规律，其中通道偏移量ΔCH_ai为波段内中心波长变化量Δλ_ai与半波宽ΔFWHM_ai的比值，i代表参考点采集组号，a代表校正波段序号；

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{CH}}_{\mathrm{ai}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ai}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{FWHM}}_{\mathrm{ai}}}---\left(1\right)$

3)计算校正波段的通道偏移量均值ΔCH同时间偏移量ΔT的变化规律，通过对实验数据进行线性回归得到谱线漂移校正模型的表达式：

ΔCH＝f(ΔT)                (2)

4)控制实验环境及成像光谱仪各控温点温度同采集校正波段时一致，采集短波红外全波段的光谱数据，计算全视场全波段的中心波长λ_mn和半波宽，其中m代表波序号，n代表视场探测元序号；

5)利用步骤3)得到的谱线漂移校正模型来校正色散方向全波段的谱线漂移，计算单色波长采集时间，其中采集每波长用时为

$T^{\′}=\frac{T}{L_2-L_1}---\left(3\right)$

T代表总采集时间(秒)，L₂为采集终止波长(nm)，L₁为采集开始波长(nm)；根据步骤4)得到原始的存在温漂影响的不同波段不同探测元中心波长结果，根据公式(1)-(3)得到不同波段不同探测元中心波长的波长偏移量，实现对原始光谱定标结果修正。

Images