CN106950185B - 一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置，包括：获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数的步骤或模块；根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率的步骤或模块；采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正的步骤或模块。本发明实现了对吸收通道光谱响应测量的大气污染进行订正，降低吸收气体的吸收作用会对光谱测量产生影响，提高光学遥感器的测量精度。

Description

一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置
技术领域
本发明涉及光学计量与测试技术领域，具体涉及一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置。
背景技术
光谱响应是遥感仪器的重要参数，是光学部件反射和透射特性以及探测器件光谱响应特性的综合表现。它决定遥感器对辐射的光谱响应特征，直接影响观测到的地球目标辐射及星上定标装置的反射或发射辐射。遥感器观测资料的定量应用都需要借助光谱响应确定通道的模拟辐射。仪器的光谱响应参数通过光谱定标过程实现，通常以归一化的光谱响应函数(Spectral Response Function，SRF)的形式表示。随着定量遥感应用需求的提升以及仪器性能的改进，对遥感器定标精度的要求越来越高，辐射定标精度的提高已难以满足高精度定标的要求，光谱定标的精度也变得越发重要。特别是，对于宽光谱通道载荷，光谱响应函数的光谱图形和中心位置都对光谱定标精度有重要影响。
确定光谱响应函数的标准方法是利用单色仪和标准光源测量遥感器光学系统对每个单色光源的响应，这在卫星入轨后很难实现。目前大部分在轨遥感器没有用于光谱定标的单色光源装置，卫星发射后通常采用发射前实验室测量结果来表征仪器在轨光谱响应状态，因此实验室测量结果的准确性直接影响在轨辐射定标的精度。红外光学零件及探测器件的光谱响应与温度有关，因此理想的实验室测量应该模拟遥感器的工作环境，即真空、低温环境。通常，实验室会将遥感器置于辐射制冷器中利用液氮实现低温工作条件，但是真空状态却很难实现。整个光谱定标的光学系统暴露在外界环境中，大气中CO2、H2O等气体必然会对吸收通道SRF测量造成影响。如图1所示，FY-2D/E/F/G四颗卫星吸收气体通道的光谱响应分布以及典型晴空大气的TOA亮温光谱分布。FY-2的吸收气体通道为宽光谱通道，光谱范围1.3μm，整个波段包含了吸收气体吸收以及窗区光谱信息。由图1可见，4颗卫星的光谱响应都存在显著波动，特别是FY-2D卫星的峰谷波动量级达到40％，这明显不符合遥感器光谱响应的物理分布特征。由于FY-2的实验室光谱定标同样是在大气环境中进行的，光谱响应的这种波动是由于吸收大气污染造成的。
针对吸收大气污染造成的光谱响应波动，目前订正方法只能实现光谱中心位置的漂移调整，无法确定光谱响应形状的变化，仅靠平移不能完全消除光谱响应波动误差的影响，而且残余偏差具有明显目标依赖特性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置，实现了对吸收通道光谱响应测量时的大气污染进行订正，提高光学遥感器的测量精度。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种光学仪器光谱响应的订正方法，包括：
获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
进一步的，所述环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；
所述光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。
进一步的，所述根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率，包括：
根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
进一步的，所述根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率，包括：
计算所述吸收气体浓度M和所述光学路径长度L分别在±20％变化范围内的大气路径透过率；
计算单色仪半高宽分辨率FWHM分别为1.5倍的采样间隔H和2倍的采样间隔H的大气路径透过率。
进一步的，所述计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数，包括：
按下式计算相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
另一方面，本发明提供了一种光学仪器光谱响应的订正装置，包括：
获取模块，用于获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
计算模块，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
订正模块，用于采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
进一步的，所述获取模块获取的环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；
所述光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。
进一步的，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
第二计算单元，用于计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
判断单元，用于获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
进一步的，所述第一计算单元包括：
第一子单元，用于计算所述吸收气体浓度M和所述光学路径长度L分别在±20％变化范围内的大气路径透过率；
第二子单元，用于计算单色仪半高宽分辨率FWHM分别为1.5倍的采样间隔H和2倍的采样间隔H的大气路径透过率。
进一步的，所述第二计算单元包括：
计算子单元，用于按下式计算相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置，实现了对吸收通道光谱响应测量的大气污染进行订正，降低吸收气体的吸收作用会对光谱测量产生影响，提高光学遥感器的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明现有技术中卫星FY-2D/E/F/G的光谱响应函数分布和亮温光谱分布图；
图2是本发明的一种光学仪器光谱响应的订正方法的流程示意图；
图3是本发明的一种光学仪器光谱响应的订正方法中步骤S102的流程示意图；
图4是本发明的实施例一中订正前后FY-2D卫星的光谱响应曲线对比图；
图5是本发明的一种光学仪器光谱响应的订正装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光谱响应是遥感仪器的重要参数，它决定遥感器对辐射的光谱响应特征。仪器的光谱响应参数通过光谱定标过程实现，通常以归一化的光谱响应函数(Spectral ResponseFunction，SRF)的形式表示。随着定量遥感应用需求的提升以及仪器性能的改进，对遥感器定标精度的要求越来越高，辐射定标精度的提高已难以满足高精度定标的要求，光谱定标的精度也变得越发重要。针对吸收大气污染造成的光谱响应波动，目前订正方法只能实现光谱中心位置的漂移调整，无法确定光谱响应形状的变化，仅靠平移不能完全消除光谱响应波动误差的影响，而且残余偏差具有明显目标依赖特性。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光学仪器光谱响应的订正方法及装置。
实施例一
本发明实施例提供一种光学仪器光谱响应的订正方法，参见图2，该方法包括：
S101：获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
在本步骤中，环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；吸收气体浓度M为水汽H和二氧化碳C的浓度。光学路径L由单色光到达参考遥感器和待测遥感器经过的光程差决定。
光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。采样间隔H为光谱响应测量时的光谱取样间隔，单色仪半高宽分辨率FWHM由单色仪的半高宽度线性函数决定。
S102：根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
在本步骤中，根据环境参数和光谱测量参数计算大气路径透过率，为了避免环境参数和光谱测量参数引入的偏差，计算吸收气体浓度M和光学路径长度L在预设范围内的多个大气路径透过率和不同单色仪半高宽分辨率FWHM的多个大气路径透过率。在多个大气路径透过率中选取最佳的大气路径透过率，及目标大气路径透过率。
S103：采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
在本步骤中，通过步骤S102中获取最佳的大气路径透过率，采用目标大气路径透过率对光谱响应进行订正，具体订正方法为：采用光谱响应与目标大气路径透过率的比值，即完成对光谱响应的订正。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种光学仪器光谱响应的订正方法，实现了对吸收通道光谱响应测量的大气污染进行订正，降低吸收气体的吸收作用会对光谱测量产生影响，提高光学遥感器的测量精度。
在一种可选实施方式中，提供了上述步骤S102的一种具体实施方法，参见图3，该方法包括：
S1021：根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
在本步骤中，路径长度L、气体浓度M和采样间隔H都是影响路径大气透过率光谱形状的重要参数。针对不同的气体吸收通道输入不同的吸收气体浓度。为了避免参数记录引入的偏差，使气体浓度M和路径长度L在±20％变化范围内水平透过率。对于无法获得单色仪半高宽分辨率FWHM资料，单色仪半高宽分辨率FWHM为采样间隔S1.5和2倍情况下的水平透过率。
S1022：计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
在本步骤中，利用光谱最大相关，来选择最佳大气路径透过率光谱。将光谱响应曲线与大气路径透过率曲线相关联，找到二者最大的相关性。两组波谱均被看作是关于波数空间的函数，计算两波谱的相关系数。与光谱响应测量光谱相关系数最大即为最佳模拟大气路径透过率光谱。
S1023：获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
在本步骤中，为了推导两组同资料长度的波谱S1和S2之间的相关性，每个波谱均被看作是关于波数v空间的函数S(v)。
基于最佳模拟大气路径透过率光谱，通过SRF与透过率的比值消除光谱定标测量结果中大气吸收的影响，从而对SRF进行订正。为了使SRF订正结果更加合理，对比值订正后的光谱通过5点中值滤波进行平滑处理。参见图4，以FY-2D为例显示了光谱订正前后对比效果。
可选的，按下式计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
从上述描述可知，本实施方式通过计算多个大气路径透过率并选取最佳的大气路径透过率，可以避免参数记录引入的偏差，提高光学遥感器的测量精度。
实施例二
本发明实施例提供一种光学仪器光谱响应的订正装置，参见图5，该装置包括：
获取模块10，用于获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
计算模块20，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
订正模块30，用于采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
进一步的，所述获取模块10获取的环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；
所述光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。
进一步的，所述计算模块20包括：
第一计算单元201，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
第二计算单元202，用于计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
判断单元203，用于获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
进一步的，所述第一计算单元201包括：
第一子单元2011，用于计算所述吸收气体浓度M和所述光学路径长度L分别在±20％变化范围内的大气路径透过率；
第二子单元2012，用于计算单色仪半高宽分辨率FWHM分别为1.5倍的采样间隔H和2倍的采样间隔H的大气路径透过率。
进一步的，所述第二计算单元202包括：
计算子单元2021，用于按下式计算相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种光学仪器光谱响应的订正装置，实现了对吸收通道光谱响应测量的大气污染进行订正，降低吸收气体的吸收作用会对光谱测量产生影响，提高光学遥感器的测量精度。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光学仪器光谱响应的订正方法，其特征在于，包括：
获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；
所述光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率，包括：
根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率，包括：
计算吸收气体浓度M和光学路径长度L分别在±20％变化范围内的大气路径透过率；
计算单色仪半高宽分辨率FWHM分别为1.5倍的采样间隔H和2倍的采样间隔H的大气路径透过率。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数，包括：
按下式计算相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
6.一种光学仪器光谱响应的订正装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取进行光谱响应测量时的环境参数和光谱测量参数；
计算模块，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数计算目标大气路径透过率；
订正模块，用于采用光谱响应与所述目标大气路径透过率的比值的方式来对光谱响应进行订正。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块获取的环境参数包括：温度T、吸收气体浓度M和光学路径长度L；
所述光谱测量参数包括：光谱测量的采样间隔H和单色仪半高宽分辨率FWHM。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据所述环境参数和所述光谱测量参数采用MODTRAN软件计算多个大气路径透过率；
第二计算单元，用于计算多个大气路径透过率与光谱响应之间的相关系数；
判断单元，用于获取相关系数最大的大气路径透过率为目标大气路径透过率。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元包括：
第一子单元，用于计算吸收气体浓度M和光学路径长度L分别在±20％变化范围内的大气路径透过率；
第二子单元，用于计算单色仪半高宽分辨率FWHM分别为1.5倍的采样间隔H和2倍的采样间隔H的大气路径透过率。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：
计算子单元，用于按下式计算相关系数：
其中，S1是光谱响应，S2是一个大气路径透过率，n是每个光谱响应S1和一个大气路径透过率S2采样的数目，S1,i是每个光谱响应S1第i个采样值，S2,i是一个大气路径透过率S2第i个采样值，和分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的平均值，DS1和DS2分别是光谱响应S1和一个大气路径透过率S2的标准差。
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