CN104729712A - 一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法。数据处理流程是将卫星下传的0级数据，解码后得到的1A级干涉数据，通过偶然性错误处理、数据点饱和处理、非线性校正、光谱复原、干涉条纹计数错误处理、光谱定标、和仪器线型校正和双调制校正后得到光谱数据。本发明解决了星载大气探测傅里叶变换光谱仪动态范围窄的限制，提高了高光谱辐射精度，并针对星载大气探测傅里叶变换光谱仪采用快速傅立叶变换FFTW，减少相关噪声，增加光谱分辨率的选择。

Description

一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法

技术领域

本发明涉及一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，特别涉及一种大气环境红外甚高光谱探测仪的数据处理方法。

背景技术

傅里叶变换光谱技术作为空间遥感的重要手段,具有极大的优势。可以说,高精度的空间红外光谱遥感就是从星载的大气探测傅里叶变换光谱仪开始的。傅里叶光谱测量所具有的优势概括起来主要是三点:宽光谱、高精度以及快速测量。其中宽光谱范围与高精度是目前其他诸如滤光片式及光栅分光式遥感仪器无法相比的。要在宽光谱区间上获得高分辨率光谱数据,傅里叶变换光谱仪是最佳选择。傅里叶变换光谱仪的原理使得其提高光谱分辨率及光谱测量范围的潜力优于其他方式,而且从技术上更可行,更易于实现。

大气红外傅立叶变换光谱仪,其设计意图是用于研究大气的化学成分。探测仪采用太阳掩星的模式在太阳升起和降落时对对流层和平流层大气的痕量气体，薄云，气溶胶、温度、组成成分进行全球探测，同时还能测量10～150km高度范围内大气成分复杂的化学和动力学过程。

中国计划近两年将发射国内第一台大气探测傅里叶变换仪，到目前为止，尚未见可查阅的文献中有关于大气探测傅里叶变换仪数据预处理的技术方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，解决了大气探测傅里叶变换光谱仪地面产品生产的技术问题。

本发明的技术方案是：一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，步骤如下：

1)数据准备：将卫星下行的0级数据进行解码、格式解析转换成1A级干涉数据；

2)偶然性错误处理：去除步骤1)获得的干涉数据中带电粒子产生的尖峰数据；

3)对经步骤2)去除尖峰数据后的干涉数据进行数据点饱和处理，当干涉数据点饱和时，通过线性拟合恢复适合的增益和偏移，进行干涉数据重建；

4)探测器非线性响应：对经步骤3)处理后的干涉数据进行非线性校正，将干涉数据乘以非线性系数得到修改后的干涉数据；然后，在修改后的干涉数据加上直流电平得到非线性校正后的干涉数据；

5)光谱复原：采用快速傅立叶变换对步骤4)得到的非线性校正后的干涉数据进行光谱复原；

6)条纹计数错误处理：采用相位校正方法对步骤5)光谱复原的数据进行条纹计数错误处理；

7)光谱定标：使用太阳光谱对步骤6)的数据进行绝对光谱定标，使用激光二极管对步骤6)的数据进行波长漂移校正；

8)透过率计算：考虑仪器线型对辐射精度的影响，计算获得仪器线型校正后的透过率；

9)双调制校正：在步骤8)的基础上，使用有效反射系数计算获得有效反射校正后的透过率，得到光谱数据，完成预处理。

步骤8)中仪器线型校正后的透过率计算的具体方法为：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\′}\right)\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{{\tilde{S}}_S\left(\mathrm{\σ}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\σ}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\σ}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\σ}\right)}.$

其中F_ILST′表示通过仪器线型函数计算后的透过率，是光谱，是冷参考，是热参考。

步骤9)中使用有效反射系数计算透过率的方法如下：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}T\right)\left(\mathrm{\σ}\right)\≈\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\′}\right)\left(\mathrm{\σ}\right)-\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}_{1/2}^{\′}\right)\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)+\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\′}\right)\left(\mathrm{\σ}\right)\left[\frac{{\tilde{S}}_H\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\frac{\mathrm{\σ}}{2}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\σ}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\σ}\right)}\right],$

其中F_ILST为使用有效反射系数计算得到的透过率，F_ILST'是考虑仪器线型对辐射精度的影响的透光率，有效反射系数，是光谱，是冷参考，是热参考，σ为波数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明针对星载大气探测傅里叶变换光谱仪的成像特点，使用双ADC增加空间应用的动态范围，并对饱和数据点进行替换，解决了星载大气探测傅里叶变换光谱仪动态范围窄的限制。

(2)本发明针对星载大气探测傅里叶变换光谱仪提出的探测器非线性校正、条纹计数误差、双调制校正这些相关算法，可以提高高光谱辐射精度。

(3)本发明针对星载大气探测傅里叶变换光谱仪采用快速傅立叶变换FFTW。FFTW算法有很多优点，它是最快算法之一，比传统算法具有更好的灵活性，能够减少相关噪声，可以增加光谱分辨率的选择。

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，本发明的处理算法步骤如下：

(1)数据准备：将卫星下行的0级数据进行解码、格式解析转换成1A级干涉数据。

(2)偶然性错误处理：为了去除尖峰数据，使用512个数据点的滑动窗口统计本地干涉图平均值和标准偏差的特点。然后，剔除标准偏差超过4的尖峰数据点，该数据点的值由相邻值双线型插值替换。

(3)双ADC重建：由于用于空间应用的动态范围的数字转换器(ADC)难以采购，使用双ADC来增加动态范围。使用2个12位的ADC模拟一个18位ADC。一个ADC不使用放大器，另一个ADC使用一个64倍放大器。

数据点不饱和时只使用高增益ADC。当数据点饱和时，使用低增益ADC。对于每一个干涉图，都要在低增益和高增益之间进行比较。通过线性拟合恢复适合的增益和偏移：

[m₁，b₁]＝LinearFit(I_High[i]，I_Low[i])   (1)

数据重建过程包括替换饱和数据点，还包括由低增益数据值乘以增益加偏置确定接下来的两个高增益数据点。

(4)探测器非线性响应：为了达到辐射精度，需要大通量的探测器。实际上，通量太大，以致探测器饱和，其响应不再是线性的。这种非线性影响探测器的辐射精度。使用迭代收敛法确定探测器非线性响应系数。首先，将干涉图经过傅立叶变换后得到光谱，在频域内将低频设置为零。然后，从修改的光谱生成修改后的干涉图。原干涉图和修改后干涉图实部进行多项式拟合确定非线性系数。这个过程反复迭代，直到收敛。使用迭代收敛法时，需要在干涉图上添加直流电平，该电平在掩星观测结束后，由卫星测得。非线性校正就是原干涉图乘以探测器非线性响应系数得到修改后的干涉图。然后，在修改后的干涉图加上直流电平可以得到非线性校正后的干涉图。

(5)光谱复原：干涉图重建后，可以进行光谱复原。采用快速傅立叶变换FFTW。FFTW算法有很多优点，它是最快算法之一，比传统算法具有更好的灵活性，能够减少相关噪声，可以增加光谱分辨率的选择。

(6)条纹计数错误处理：当干涉仪转向时，电子测量信号丢失，造成条纹计数错误。由位移定理知，条纹计数误差(FCE)在频域中产生一个线性相位误差。

$I(x-a)\stackrel{F.T.}{\↔}S\left(\mathrm{\σ}\right)e^{-2\mathrm{\πia\σ}}---\left(2\right)$

其中，a为线性位移，σ为波数。

由于这个相位误差与光谱相对位置有关，可以用这个特点来检测和纠正条纹计数错误。算法如下：

$\begin{array}{c}\tilde{P}\left[k\right]=\frac{{\tilde{S}}_S}{<{\tilde{S}}_H>-<{\tilde{S}}_C>}=\frac{e^{i{\mathrm{\&phi;}}_h}(A_S{e}^{i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ext}}}+A_{\mathrm{in}}{e}^{i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{in}}})}{(A_H{e}^{i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ext}}}+A_{\mathrm{in}}{e}^{i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{in}}})-A_{\mathrm{in}}{e}^{i{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{in}}}}\\ =e^{i{\mathrm{\&phi;}}_h}[\frac{A_S}{A_H}+\frac{A_{\mathrm{in}}}{A_H}{e}^{i({\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ext}})}]\end{array},---\left(3\right)$

$\tilde{Q}\left[k\right]=\frac{<{\tilde{S}}_C>}{<{\tilde{S}}_H>-<{\tilde{S}}_C>}=\frac{A_{\mathrm{in}}}{A_H}{e}^{i({\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ext}})},---\left(4\right)$

$\tilde{R}\left[k\right]=\frac{\tilde{P}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}{\sqrt{{\left|\tilde{P}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\right|}^2-\mathrm{Im}{\left\{\tilde{Q}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\right\}}^2}+\mathrm{iIm}\left\{\tilde{Q}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\right\}}=e^{i{\mathrm{\&phi;}}_h},---\left(5\right)$

这里是光谱，是冷参考，是热参考(这里指深空和太阳)。A_in、A_S、A_H是傅里叶变换仪器件各自的振幅。φ_in，φ_ext，φ_h分别是仪器本身相位误差、外部来源相位误差和线性相位误差。

(7)光谱定标：使用太阳光谱作为绝对光谱定标。方法如下：

φ＝Arctg(FSun_obs，FSun_ref)，   (6)

其中，Sun_obs和Sun_ref分别是观测太阳谱和参考太阳光谱，F是傅立叶变换。线性相位确定之后，本地拉伸系数可以简单地计算如下：

$S\&cong;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{b}\mathrm{\&delta;\&sigma;}}{2\mathrm{\&pi;}\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&sigma;}}},---\left(7\right)$

其中是平均斜率，δσ和分别是光谱宽度和每段光谱数据的平均波数。最终的拉伸系数是使用每段光谱的拉伸系数加权平均计算得来的。

另外，使用激光二极管对波长漂移进行校正。

(8)透过率计算：考虑仪器线型对辐射精度的影响，这里冷参考是深空，可以忽略它的辐射，透光率计算公式如下：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\frac{{\tilde{S}}_S\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}.$

其中，其中F_ILST′表示通过仪器线型函数计算后的透过率，是光谱，是冷参考，是热参考。

(9)双调制校正：双调制是通过探测器的光局部反射再注入到干涉仪重新调制产生的，返回探测器之前经过了前后两次反射。这时的光谱两倍于原始频率，但具有很低的强度。双调制校正的关键是确定探测器的有效反射系数。有效反射系数计算如下：

$\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)\widetilde{\&ap;}\frac{{\tilde{S}}_S\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}{{\tilde{S}}_S\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)}---\left(10\right)$

其中，有效反射系数，是光谱，是冷参考，是热参考。

使用有效反射系数的透过率计算：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}T\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\&ap;\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}_{1/2}^{\&prime;}\right)\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)+\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\left[\frac{{\tilde{S}}_H\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}\right],---\left(11\right)$

其中，F_ILST为使用有效反射系数计算得到的透过率，F_ILST'是考虑仪器线型对辐射精度的影响的透光率，有效反射系数，是光谱，是冷参考，是热参考，σ为波数。

$F_{\mathrm{ILS}}{T}_{1/2}^{,}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\&ap;\frac{{\tilde{S}}_S\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}---\left(12\right)$

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，其特征在于步骤如下：

1)数据准备：将卫星下行的0级数据进行解码、格式解析转换成1A级干涉数据；

2)偶然性错误处理：去除步骤1)获得的干涉数据中带电粒子产生的尖峰数据；

3)对经步骤2)去除尖峰数据后的干涉数据进行数据点饱和处理，当干涉数据点饱和时，通过线性拟合恢复适合的增益和偏移，进行干涉数据重建；

4)探测器非线性响应处理：对经步骤3)处理后的干涉数据进行非线性校正，将干涉数据乘以非线性系数得到修改后的干涉数据；然后，在修改后的干涉数据加上直流电平得到非线性校正后的干涉数据；

5)光谱复原：采用快速傅立叶变换对步骤4)得到的非线性校正后的干涉数据进行光谱复原；

6)条纹计数错误处理：采用相位校正方法对步骤5)光谱复原的数据进行条纹计数错误处理；

7)光谱定标：使用太阳光谱对步骤6)的数据进行绝对光谱定标，使用激光二极管对步骤6)的数据进行波长漂移校正；

8)透过率计算：考虑仪器线型对辐射精度的影响，计算获得仪器线型校正后的透过率；

9)双调制校正：在步骤8)的基础上，使用有效反射系数计算获得有效反射校正后的透过率，得到光谱数据，完成预处理。

2.根据权利要求1所述的一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，其特征在于：步骤8)中仪器线型校正后的透过率计算的具体方法为：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)=\frac{{\tilde{S}}_S\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}.$

其中F_ILST′表示通过仪器线型函数计算后的透过率，是光谱，是冷参考，是热参考。

3.根据权利要求1所述的一种星载大气探测傅里叶变换光谱仪数据预处理方法，其特征在于：步骤9)中使用有效反射系数计算透过率的方法如下：

$\left(F_{\mathrm{ILS}}T\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\&ap;\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}_{1/2}^{\&prime;}\right)\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)+\tilde{R}\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)\left(F_{\mathrm{ILS}}{T}^{\&prime;}\right)\left(\mathrm{\&sigma;}\right)\left[\frac{{\tilde{S}}_H\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2}\right)}{{\tilde{S}}_H\left(\mathrm{\&sigma;}\right)-{\tilde{S}}_C\left(\mathrm{\&sigma;}\right)}\right],$

其中F_ILST为使用有效反射系数计算得到的透过率，F_ILST'是考虑仪器线型对辐射精度的影响的透光率，有效反射系数，是光谱，是冷参考，是热参考，σ为波数。