CN102818630B - 一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法 - Google Patents

Abstract

一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法，(1)读取成像光谱仪干涉数据图，对该成像光谱仪干涉数据进行光谱复原得到成像光谱仪光谱数据；(2)根据最大光程差设计值为L’，估算最大光程差L_真的可能范围；(3)在步骤(2)确定的范围内，选取最大光程差L_真的初值，根据该初值确定特征谱线波长λ′；(4)将特征谱线波长λ′与真实波长λ进行比较；如果两者差值大于阈值，则L_真增加一个最大光程差变化步长，重新代入(3)(4)进行计算；如果差值小于等于阈值，则此时的L_真即为所求的最大光程差；(5)根据步骤(4)确定的最大光程差计算光谱分辨率；(6)根据光谱分辨率确定各个波段中心波长，完成光谱定标。

Description

一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法

技术领域

本发明涉及一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法，特别涉及环境减灾卫星干涉型高光谱成像仪的光谱定标方法。

背景技术

地物光谱信息经过干涉型成像光谱仪得到干涉信息，干涉信息与光谱信息之间满足傅立叶变换关系，通过对干涉信息进行傅立叶变换反演即可得到地物光谱信息。成像光谱仪具有纳米级的光谱分辨率，一般具有几十到几百个波段，可以获得地物空间信息和光谱信息组成的光谱立方体信息，可以细致、有效的识别地物，具有极大的应用价值和广阔的应用前景。

成像光谱仪可通过实验室定标和星上定标对成像光谱仪进行光谱定标。由于激光带宽窄，可以获得较高精度的定标效果，干涉型成像光谱仪一般采用激光干涉数据进行实验室光谱定标；卫星发射和在轨运行过程中，由于成像仪在发射过程或飞行中的剧烈振动、气压温度等空间环境的急剧变化，器件性能的衰减，造成星上成像光谱仪光谱特性发生变化，出现光谱漂移现象，需要在轨重新进行光谱定标，此时可采用大气吸收特征谱线进行在轨定标，一般采用O₂吸收特征谱线进行光谱定标。干涉型成像光谱仪光谱定标的精度直接决定了高光谱数据的精度和可用性，对干涉型成像光谱仪具有重要意义。

光谱定标的关键是确定干涉型成像光谱仪的最大光程差，最终目的是确定光谱数据各个谱段的中心波长。

传统的光谱定标方法依赖大量的试验数据，并且光谱定标精度较低。本文提出一种光谱定标方法，不依赖于大量试验数据，使用一组干涉数据以及准确的特征谱线波长值即可准确的对成像光谱仪的进行光谱定标。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法，该方法不依赖于大量试验数据，使用一组干涉数据以及准确的特征谱线波长值即可准确的对成像光谱仪的进行光谱定标。

本发明的技术解决方案是：一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法，步骤如下：

(1)读取成像光谱仪干涉数据图，对该成像光谱仪干涉数据进行光谱复原得到成像光谱仪光谱数据；

(2)根据最大光程差设计值为L’，估算最大光程差L_真的可能范围；

(3)在步骤(2)确定的范围内，选取最大光程差L_真的初值，根据该初值确定特征谱线波长λ′；

(4)将特征谱线波长λ′与真实波长λ进行比较；如果两者差值大于阈值，则L_真增加一个最大光程差变化步长，重新代入(3)(4)进行计算；如果差值小于等于阈值，则此时的L_真即为所求的最大光程差；

(5)根据步骤(4)确定的最大光程差计算光谱分辨率；

(6)根据光谱分辨率确定各个波段中心波长，完成光谱定标。

所述步骤(2)中L_真的可能范围(1-k)L’～(1+k)L’，k为成像光谱仪最大光程差的误差百分比。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明从干涉型成像光谱仪基本原理出发，利用特征谱线，实现了干涉型成像光谱仪的高精度光谱定标。

(2)本发明在干涉型成像光谱仪的试验阶段即可进行准确的光谱定标；如果干涉型成像光谱仪的器件发生衰减，出现了光谱漂移，同样可以采用本方法利用大气吸收特征谱线进行重新定标，可以有效解决光谱漂移问题。

(3)本方法成功的进行了环境减灾小卫星高光谱成像仪的光谱定标，对提高干涉型成像光谱仪的光谱准确性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，如图1所示，具体步骤如下：

(1)光谱复原

读取成像光谱仪干涉数据图，对该成像光谱仪干涉数据进行傅立叶变换得到成像光谱仪光谱数据；干涉数据与光谱数据满足傅立叶变换关系，如公式所示。干涉数据采样点数记为N，傅立叶变换输出数据点数为2ⁿ(n＞8)，并且需要满足2ⁿ＞N。

$B\left(v\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}I\left(l\right)\cos \left(2\mathrm{\πvl}\right)\mathrm{dl}$

$=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\πvl})\mathrm{dl}=\mathrm{FT}\left\{I\left(l\right)\right\}$

式中：l为相干光束的光程差

I(l)对应成像光谱仪干涉数据强度

FT傅立叶变换

v为波数

B(v)对应成像光谱仪光谱数据强度

(2)分析最大光程差L_真(nm)

最大光程差设计值为L’，则最大光程差L_真与设计值L’存在一定偏差，此偏差在光学系统很小，一般可控制在最大光程差的10％，所以设定L_真的可能范围为0.9L’-1.1L’；设定最大光程差变化步长，设定步长越小，则光谱定标最终结果越准确，一般可设定步长为1nm；L_真的初始值为0.9L’，步长为1nm递增，最大值为1.1L’；将L_真代入以下计算过程进行计算。

(3)根据当前最大光程差确定特征谱线波长λ′

3.1)计算复原光谱的波数间隔Δv，单位为CM^-1

3.2)计算复原后光谱数据后一半各点对应的波数(后一半点波长依次递增)

v_i＝(2^n-1-i)*Δv，i＝1，2，......2^n-1

3.3)计算复原后光谱数据后一半各点对应的波长

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{v_i},i=\mathrm{1,2},......2^{n-1}$

4.4)读取特征谱线峰值对应的波长λ′

(4)特征谱线波长λ′与真实波长λ比较分析

λ_Δ＝|λ′-λ|

本方法精度较高，阈值λ_阈值的选取与最终的定标精度一致(当定标精度理论要求0.01um时，λ_阈值取值0.01um)，阈值λ_阈值可以小于0.01um，如果λ_Δ＞λ_阈值，则L_真增加1nm，重新代入(3)(4)进行计算；如果λ_Δ＜λ_阈值，则说明此时的L_真即为所求的最大光程差。

(5)计算光谱分辨率，单位为CM^-1

(6)根据光谱分辨率确定各个波段中心波长

6.1)计算波段数

已知成像光谱仪的起始波长λ_start和终止波长λ_end；对应的起始波数v_start和终止波数v_end(单位为CM^-1)计算如下：

$v_{\mathrm{start}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{start}}}$

$v_{\mathrm{end}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{end}}}$

波段数m等于取整加1。

6.2)计算实际输出光谱的波数间隔δ′_v

${\mathrm{\δ}}^{\′}v=\frac{(v_{\mathrm{end}}-v_{\mathrm{start}})}{m}$

6.3)计算实际输出光谱的中心波数

各个波段终止波数为：v′_i＝v_start-δ′v*i，i＝1，2，......，m；

各波段中心波长为：v_i-center＝(v_i+v_i-1)/2，i＝1，2，......，m；v₀＝v_start；

6.4)计算实际输出光谱的中心波长

${\mathrm{\λ}}_{i-\mathrm{center}}=\frac{1}{v_{i-\mathrm{center}}},i=\mathrm{1,2},......,m;$

此时可以准确的获得干涉型成像光谱仪各个谱段的中心波长，完成了整个光谱定标过程。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种干涉型成像光谱仪的光谱定标方法，其特征在于步骤如下：

(1)读取成像光谱仪干涉数据图，对该成像光谱仪干涉数据进行光谱复原得到成像光谱仪光谱数据；

(2)根据最大光程差设计值为L’，估算最大光程差L_真的范围，L_真的范围为(1-k)L’～(1+k)L’，k为成像光谱仪最大光程差的误差百分比；

(3)在步骤(2)确定的范围内，选取最大光程差L_真的初值，根据该初值确定特征谱线波长λ′，具体如下：

3.1)计算复原光谱的波数间隔Δv：

3.2)计算复原后光谱数据后一半各点对应的波数：

v_i＝(2^n-1-i)*Δv，i＝1，2，......2^n-1

3.3)计算复原后光谱数据后一半各点对应的波长：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{v_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·\·\·\·2^{n-1}$

3.4)读取特征谱线峰值对应的波长λ′；

上述，干涉数据采样点数记为N，傅立叶变换输出数据点数为2ⁿ，n＞8，并且需要满足2ⁿ＞N；

(4)将特征谱线波长λ′与真实波长λ进行比较；如果两者差值大于阈值，则L_真增加一个最大光程差变化步长，重新代入(3)(4)进行计算；如果差值小于等于阈值，则此时的L_真即为所求的最大光程差；

(5)根据步骤(4)确定的最大光程差计算光谱分辨率；

(6)根据光谱分辨率确定各个波段中心波长，完成光谱定标。