CN102788643B - 一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，包括以下步骤：步骤I：建立离散后的参考光谱R"(j)；步骤II：将仪器的测量光谱L(j)与所述参考光谱R"(j)进行幅值接近处理，得到仪器的修正测量光谱L′(j)；步骤III：通过对所述参考光谱R"(j)和所述修正测量光谱L′(j)进行比较，得到仪器在轨光谱位置的偏移量。本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，不需要增加额外的定标装置，保证了仪器的可靠性；采用高分辨的连续参考光谱作为标准，避免了其他在轨光谱定标法的谱线数量少且分布不均匀的缺点，有效提高了光谱定标精度，从而保证空间遥感光谱仪器在轨探测数据的可靠性和精度。

Description

一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法

技术领域

本发明属于光谱仪器光谱定标领域技术，它涉及一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法。

背景技术

由于光谱仪器的光谱位置直接影响其光谱响应度测量结果，因此，空间遥感光谱仪器在发射前，特别在光谱响应度定标前，都进行了实验室光谱定标。但是，为了修正卫星发射过程中的冲击振动以及在轨运行中恶劣空间环境的影响，光谱仪器在在轨工作期间必须进行在轨光谱定标及波长精度监测，以提高在轨光谱精度，从而可以使光谱仪器能够提供高精度、具有使用价值的探测数据，实现空间高精度探测。

在实验室中，为了克服线谱光源谱线数量少，分布不均匀，且谱线强度不能满足光谱仪器信噪比要求的缺点，常利用高分辨率的单色仪来提高光谱密度和精度。但高分辨率的单色仪本身就是复杂的仪器，不能照搬到天上用于在轨光谱定标。

目前常用的在轨光谱定标方法有：仪器自带线谱灯法；太阳/大气吸收特征谱线法；以及增设滤光片等方法。其中，仪器自带线谱灯法及滤光片法可利用的谱线有限，定标精度低，且这两种方法都需要增加在轨定标光路，尤其是需要增加运动部件，这无疑使仪器的复杂程度及可靠性受到影响。而可靠性稍高的太阳/大气吸收特征谱线法同样存在谱线数量有限且分布不均匀的缺点，从而严重的限制了光谱定标精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的在轨光谱定标方法所存在的谱线有限、定标精度低的缺陷，提出的一种无需增设额外定标装置且定标精度高的，空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法具体如下：

一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，包括以下步骤：

步骤I：建立离散后的参考光谱R"(j)；

步骤II：将仪器的测量光谱L(j)与所述参考光谱R"(j)进行幅值接近处理，得到仪器的修正测量光谱L′(j)；

步骤III：通过对所述参考光谱R"(j)和所述修正测量光谱L′(j)进行比较，得到仪器在轨光谱位置的偏移量。

上述技术方案中，所述步骤I具体包括：

步骤1：建立连续参考光谱R(λ)，归一化仪器狭缝函数f_slit(λ)，然后计算降低到仪器光谱分辨率后的连续参考光谱R′(λ)；

步骤2：利用地面定标得到的光谱定标公式λ(j)及像元所占带宽△λ将卷积后的参考光谱R′(λ)在带宽△λ内取积分平均，得到离散后的参考光谱R"(j)。

上述技术方案中，所述步骤II具体包括：

步骤3：利用仪器的在轨输出信号S(j)及仪器实验室辐射定标数据D(j)，计算得到仪器的测量光谱L(j)；

步骤4：对测量光谱L(j)与参考光谱R"(j)的商进行多项式拟合得到p(j)，然后用参考光谱R"(j)乘以p(j)就得到处理后的修正测量光谱L′(j)。

上述技术方案中，所述步骤III具体包括：

步骤5：对参考光谱R"(j)和修正测量光谱L′(j)进行匹配，利用互相关运算，建立参考光谱R"(j)和测量光谱L′(j)进的互相关函数G(j)；然后计算得出相关函数G(j)的值为最大时的j₀，进而得到仪器在轨光谱位置的偏移量为△λ·j₀。

上述技术方案中，所述步骤5之后还包括：

步骤6：利用步骤5中得到的在轨光谱位置偏移量，建立光谱定标公式λ′(j)=λ(j)-△λ·j₀；

判断光谱定标公式是否满足精度要求，如果不满足，则用λ′(j)代替λ(j)，对原始光谱定标公式进行更新，然后重复步骤2-5。

本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法具有以下的优点：

本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，通过将高分辨率的连续参考光谱降低到仪器的光谱分辨率，将高分辨率的连续参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积，并将卷积结果在仪器像元所占光谱带宽内进行积分平均。因而在参考光谱与仪器测量光谱匹配中，不仅消除由于仪器像差等因素引入的误差，而且避免了其他在轨光谱定标法的谱线较少，且分布不均匀的缺点，有效提高了光谱定标精度。

此外，本发明在匹配过程中引入了互相关运算，当互相关函数值最大时，匹配误差最小。因而不仅简化了计算过程，便于编程，提高了效率，而且还能保证光谱定标精度要求。

本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，不需要增加额外的定标装置，保证了仪器的可靠性；采用高分辨的连续参考光谱作为标准，避免了其他在轨光谱定标法的谱线数量少且分布不均匀的缺点，有效提高了光谱定标精度，从而保证空间遥感光谱仪器在轨探测数据的可靠性和精度。

附图说明

图1是本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法一种具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想是，将高分辨率的连续参考光谱降低到仪器的光谱分辨率，并与仪器测量光谱进行匹配，得到匹配误差最小时的测量光谱的偏移量，作为仪器在轨光谱位置变化量。

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步详细描述。

本发明的空间遥感光谱仪高精度在轨光谱定标方法具体实施需要如图1所示的6个步骤。

1、建立连续参考光谱R(λ)，归一化仪器狭缝函数f_slit(λ)，然后计算降低到仪器光谱分辨率后的连续参考光谱R′(λ)。

通过国际先进仪器测得的或利用软件模拟得到的高分辨率连续目标光谱（例如太阳光谱）作为连续参考光谱R(λ)。

通过地面测量得到空间遥感光谱仪器的狭缝函数，并对狭缝函数进行面积归一化处理，作为归一化的仪器狭缝函数f_slit(λ)。

将高分辨率的连续参考光谱R(λ)与归一化的仪器狭缝函数f_slit(λ)进行卷积运算，得到降低到仪器光谱分辨率后的连续参考光谱R′(λ)。

2、建立离散后的参考光谱R"(j)。

利用地面定标得到的光谱定标公式λ(j)及像元所占带宽△λ将卷积后的参考光谱R′(λ)在带宽△λ内取积分平均，得到离散后的参考光谱R"(j)。

3、计算仪器的测量光谱L(j)。

利用仪器的在轨输出信号S(j)及仪器实验室辐射定标数据D(j)，计算得到仪器的测量光谱L(j)。

4、修正仪器的测量光谱得到修正测量光谱L′(j)。

由于测量光谱L(j)的幅值和参考光谱R"(j)的幅值存在一定差别，但这个差别达到一定程度时，幅值差别引入的误差会远大于光谱不匹配引入的误差，此时的定标结果是错误的。所以，在测量光谱和参考光谱匹配前，对测量光谱进行幅值修正。首先，对测量光谱L(j)与参考光谱R"(j)的商进行多项式拟合得到p(j)，然后用参考光谱R"(j)乘以p(j)就得到处理后的修正测量光谱L′(j)。

5、计算仪器在轨光谱位置偏移量。

对参考光谱R"(j)和修正测量光谱L′(j)进行匹配，利用互相关运算，建立参考光谱R"(j)和测量光谱L′(j)进的互相关函数G(j)。根据互相关函数的定义，当互相关函数值最大时，参考光谱和测量光谱的匹配误差最小。计算得出相关函数G(j)的值为最大时的j₀，进而得到仪器在轨光谱位置的偏移量为△λ·j₀。

6、根据仪器在轨光谱位置的偏移量建立新的光谱定标公式，并验证精度。具体的说，利用步骤5中得到的在轨光谱位置偏移量，建立新的光谱定标公式λ′(j)=λ(j)-△λ·j₀。

判断新光谱定标公式是否满足精度要求，如果不满足，则用新的光谱定标公式λ′(j)代替λ(j)，继续上述过程的2-5步骤，直到满足精度要求为止，此时完成了高精度在轨光谱定标。

步骤6的过程是实现闭环控制的过程。

本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，通过将高分辨率的连续参考光谱降低到仪器的光谱分辨率，将高分辨率的连续参考光谱与仪器狭缝函数进行卷积，并将卷积结果在仪器像元所占光谱带宽内进行积分平均。因而在参考光谱与仪器测量光谱匹配中，不仅消除由于仪器像差等因素引入的误差，而且避免了其他在轨光谱定标法的谱线较少，且分布不均匀的缺点，有效提高了光谱定标精度。

本发明的空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，不需要增加额外的定标装置，保证了仪器的可靠性；采用高分辨的连续参考光谱作为标准，避免了其他在轨光谱定标法的谱线数量少且分布不均匀的缺点，有效提高了光谱定标精度，从而保证空间遥感光谱仪器在轨探测数据的可靠性和精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种空间遥感光谱仪器在轨高精度光谱定标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过仪器测得的或利用软件模拟得到的高分辨率连续目标光谱作为连续参考光谱R(λ)，归一化仪器狭缝函数f_slit(λ)，然后计算降低到仪器光谱分辨率后的连续参考光谱R′(λ)；

步骤2：利用地面定标得到的光谱定标公式λ(j)及像元所占带宽Δλ将卷积后的参考光谱R′(λ)在带宽Δλ内取积分平均，得到离散后的参考光谱；

步骤3：利用仪器的在轨输出信号S(j)及仪器实验室辐射定标数据D(j)，计算得到仪器的测量光谱L(j)；

步骤4：对测量光谱L(j)与参考光谱R′′(j)的商进行多项式拟合得到p(j)，然后用参考光谱R′′(j)乘以p(j)就得到处理后的修正测量光谱L′(j)；

步骤5：对参考光谱R′′(j)和修正测量光谱L′(j)进行匹配，利用互相关运算，建立参考光谱R′′(j)和测量光谱L′(j)进的互相关函数G(j)；然后计算得出相关函数G(j)的值为最大时的j₀，进而得到仪器在轨光谱位置的偏移量为Δλ·j₀；

步骤6：利用步骤5中得到的在轨光谱位置偏移量，建立光谱定标公式λ′(j)=λ(j)-Δλ·j₀；

判断光谱定标公式是否满足精度要求，如果不满足，则用λ′(j)代替λ(j)，对原始光谱定标公式进行更新，然后重复步骤2-5。

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