CN109655158A - 基于大气廓线与led的高光谱遥感器在轨光谱定标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，分别利用已知的大气廓线和LED光谱来标校高光谱遥感器的光谱偏移，将基于大气廓线的光谱定标结果与基于LED的光谱定标结果进行比较，分析两种定标结果的差异不超过5％，则满足高光谱遥感器的光谱定标精度。本发明目的在于克服现有的高光谱遥感器在轨定标技术的不足，结合大气廓线定标和LED的定标技术，将不同的光谱的定标结果进行相互验证，提高了高光谱遥感器在轨光谱定标的精度，从而保证了遥感数据定量化应用的可靠性和价值。
Description
技术领域
本发明属于光学遥感科学领域，涉及一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法。
背景技术
高光谱成像技术是80年代发展起来的遥感技术，与传统的光谱仪不同的是，高光谱成像技术是集成像与光谱于一体(图谱合一)，以纳米级高光谱分辨率，在获取目标二维空间图像信息的同时，同步获取目标的连续精细光谱信息，使空间遥感的探测能力大为提高，在国防军事、国土资源调查、农业估产、环境监测、大气探测等领域中有重要的应用。高精度定标是高光谱遥感器定量化应用的前提和基础，在高光谱遥感器发射前，都会进行实验室光谱定标，目前地面实验室定标的方法成熟完善，均能达到较高的精度。但是即使高光谱遥感器发射前在实验室里定标精细且完备，但是其不能完全模拟高光谱遥感器在轨工作环境和状态，因为在高光谱遥感器随卫星发射升空后，会受到震动、温度和压强变化等因素影响，会产生探测器中心波长漂移和仪器光谱分辨率变化的现象，因此高光谱遥感仪器在工作期间必须进行在轨定标。在轨定标是实现高光谱遥感器高分辨率成像一个不可替代的部分，高光谱遥感器在轨实现传递和稳定性监测，其定标装置成为遥感器的一部分，可与其同时工作。在高光谱遥感器工作状态下，能经常进行的一种定标方式和过程。目前常用的在轨光谱定标方法，主要有在轨光谱定标法、大气临边光谱定标法以及大气廓线吸收特征谱线法，在轨光谱定标法是在在轨定标灯进入传感器的光路中，加入具有吸收特征的滤光片或反射板，确定光谱中心波长位置，确实具有较高的定标精度，但定标灯由于卫星发射过程的剧烈震动和长时间的运行，定标灯自身性能会发生衰变，会导致定标精度越来越低；大气临边光谱定标法需要对卫星姿态进行精确调整，观测经过整个大气层的透过率，利用大气吸收特征曲线，实现在轨定标，难度较大，不易开展；大气廓线吸收特征谱线法是利用对地观测的图像，根据氧气、二氧化碳和水汽等吸收通道的光谱曲线特征，实现在轨光谱定标。与前两者光谱定标方法对比，大气廓线吸收特征谱线法实现难度小，可展开频率高，是一种更易实施的光谱定标方法。但由于大气具有含量不稳定，谱线数量有限且分布不均匀等缺点，从而严重限制了大气廓线吸收特征谱线法的光谱定标精度。
因此，需求一种新型的高精度的在轨定标方法是对遥感器响应在其整个任务运行过程中进行实时有效的表征，是保证遥感器数据可靠性和应用价值的重要手段。
发明内容
本发明提出了一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，目的在于克服现有的高光谱遥感器多采用单一定标方法，定标精度低等问题，结合了大气廓线定标和LED的定标技术，将不同的光谱的定标结果进行相互验证，提高了高光谱遥感器在轨光谱定标的精度，从而保证了遥感数据定量化应用的可靠性和价值。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)、建立已知的大气廓线吸收波段高光谱遥感器的各个通道光谱响应函数,获取高光谱遥感器的各个通道参考谱线；在轨实际输出光谱谱线与参考光谱谱线之间的光谱夹角最小时为对应的光谱偏移量，得到基于大气廓线的光谱定标结果；
2)、拟合出已知的LED中心波长处高光谱遥感器的各个通道光谱响应值曲线函数，获取在轨时LED中心波长和半波宽，与实验室测量的LED和高光谱遥感器中心波长和半波宽进行差异比较，得到基于LED的光谱定标结果；
3)、将基于大气廓线的光谱定标结果与基于LED的光谱定标结果进行比较，分析两种结果的差异不超过5％，则满足高光谱遥感器的光谱定标精度。
其中，步骤1)中所述的大气廓线吸收波段附近高光谱遥感器的各个通道光谱响应函数为
λ为已知的大气廓线吸收波长；λc(i)为通道i定标前的中心波长，Δλ为中心波长的步长，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，fwhm(i)为通道i定标前的半波宽，Δf为半波宽的步长，SRF(λi,k)为λc(i)在偏移量为λrange-+k×Δλ，fwhm(i)偏移量为(λrange-+k×Δf)时的光谱响应函数，k为偏移步数；
通过仿真获取大气吸收曲线，与光谱响应函数进行卷积，即可获取高光谱遥感器通道i的参考谱线：
其中Li(λ)为通道i仿真获取的大气廓线吸收曲线。
其中，步骤1)中所述的高光谱遥感器在轨实际输出光谱谱线与参考光谱谱线之间的光谱夹角为：
其中，L(λi)为高光谱遥感器通道i实际输出光谱谱线，Lref(λi,k)为通道i的参考谱线，n为通道数；
取SAMk为最小值时对应的中心波长偏移λrane-g+k'×Δλ，半波宽偏移(λrange-+k'×Δf)为光谱偏移量，基于大气廓线的定标结果为：
λc'(i)＝λc(i)+(λrange-+k'×Δλ)
fwhm'(i)＝fwhm(i)+(λrange-+k'×Δf)
其中，λc'(i)为通道i定标后的中心波长，λc(i)为通道i定标前的中心波长；fwhm'(i)为通道i定标后的的半波宽，fwhm(i)通道i定标前的半波宽，k'为SAMk为最小值时的偏移步数，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，Δλ为中心波长的步长，Δf为半波宽的步长。
其中，步骤2)中所述的根据各视场不同光谱通道的响应值通过高斯拟合，得到LED光源的中心波长和半高宽，其拟合公式如下：
其中，y0为暗电流，A为峰值波长处响应值，xc(i)为高光谱遥感器通道i实验室测量的中心波长，x'L即为拟合得到的LED中心波长，fwhm'(L)即为拟合得到的LED半波宽。
其中，步骤2)中所述的获取拟合得到的LED光源在轨时的中心波长和半波宽，与实验室测量的LED和高光谱遥感器中心波长和半波宽进行差异比较，得到基于LED的定标结果：
xc'(i)＝xc(i)-(xL-x'L)
fwhmc'(i)＝fwhmc(i)-(fwhm(L)-fwhm'(L))
其中，xc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的中心波长，xc(i)为通道i实验室测量的中心波长，x'L为拟合得到的LED中心波长，xL为实验室时LED的中心波长；fwhmc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的半波宽，fwhmc(i)为通道i实验室测量的半波宽，fwhm'(L)为拟合得到的的LED半波宽，fwhm(L)实验室时LED的半波宽。
其中，步骤3中所述的将上述基于大气廓线的光谱偏移量与基于LED的光谱偏移量进行比较：
Δλi＝|λc'(i)-xc'(i)|
Δfwhmi＝|fwhm'(i)-fwhmc'(i)|
其中，Δλi表示两种方法定标得到的中心波长的差异，其中λc'(i)为通道i基于大气廓线方法定标后的中心波长，xc'(i)为通道i基于LED方法定标后的中心波长；Δfwhmi表示两种方法定标得到的半波宽的差异，其中fwhm'(i)为通道i基于大气廓线方法定标后的半波宽，fwhmc'(i)为通道i基于LED方法定标后的半波宽；
本发明采用以上技术方案，分别利用已知的大气廓线和LED光谱来标校高光谱遥感器的光谱偏移，将基于不通定标方法的定标结果进行相互验证，多技术结合提高高光谱遥感器在轨光谱定标的稳定性，提高了高光谱遥感器在轨光谱定标的精度，从而保证了遥感数据定量化应用的可靠性和价值。
附图说明
图1为本发明基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标的方法步骤示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合实施例，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。
一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，具体包括如下步骤：
S1、建立已知的大气廓线吸收波段高光谱遥感器的各个通道光谱响应函数：
λ为已知的大气廓线吸收波长；λc(i)为通道i定标前的中心波长，Δλ为中心波长的步长，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，fwhm(i)为通道i定标前的半波宽，Δf为半波宽的步长，SRF(λi,k)为λc(i)在偏移量为λrange-+k×Δλ，fwhm(i)偏移量为(λrange-+k×Δf)时的光谱响应函数，k为偏移步数；
获取高光谱遥感器的各个通道参考谱线：
其中Li(λ)为通道i仿真获取的大气廓线吸收曲线；
在轨实际输出光谱谱线与参考光谱谱线之间的光谱夹角最小时为对应的光谱偏移量：
其中，L(λi)为高光谱遥感器通道i实际输出光谱谱线，Lref(λi,k)为通道i的参考谱线，n为通道数；
取SAMk为最小值时对应的中心波长偏移λrane-g+k'×Δλ，半波宽偏移(λrange-+k'×Δf)为光谱偏移量，基于大气廓线的定标结果为：
λc'(i)＝λc(i)+(λrange-+k'×Δλ)
fwhm'(i)＝fwhm(i)+(λrange-+k'×Δf)
其中，λc'(i)为通道i定标后的中心波长，λc(i)为通道i定标前的中心波长；fwhm'(i)为通道i定标后的的半波宽，fwhm(i)通道i定标前的半波宽，k'为SAMk为最小值时的偏移步数，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，Δλ为中心波长的步长，Δf为半波宽的步长。
S2、拟合出已知的LED中心波长处高光谱遥感器的各个通道光谱响应值曲线函数：
其中，y0为暗电流，A为峰值波长处响应值，xc(i)为高光谱遥感器通道i实验室测量的中心波长，x'L即为拟合得到的LED中心波长，fwhm'(L)即为拟合得到的LED半波宽。
其中，所述获取拟合得到的LED光源在轨时的中心波长和半波宽，与实验室测量的LED和高光谱遥感器中心波长和半波宽进行差异比较，得到基于LED的定标结果：
xc'(i)＝xc(i)-(xL-x'L)
fwhmc'(i)＝fwhmc(i)-(fwhm(L)-fwhm'(L))
其中，xc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的中心波长，xc(i)为通道i实验室测量的中心波长，x'L为拟合得到的LED中心波长，xL为实验室时LED的中心波长；fwhmc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的半波宽，fwhmc(i)为通道i实验室测量的半波宽，fwhm'(L)为拟合得到的的LED半波宽，fwhm(L)实验室时LED的半波宽。
S3、将基于大气廓线的光谱定标结果与基于LED的光谱定标结果进行比较：
Δλi＝|λc'(i)-xc'(i)|
Δfwhmi＝|fwhm'(i)-fwhmc'(i)|
其中，Δλi表示两种方法定标得到的中心波长的差异，其中λc'(i)为通道i基于大气廓线方法定标后的中心波长，xc'(i)为通道i基于LED方法定标后的中心波长；Δfwhmi表示两种方法定标得到的半波宽的差异，其中fwhm'(i)为通道i基于大气廓线方法定标后的半波宽，fwhmc'(i)为通道i基于LED方法定标后的半波宽；
分析两种定标结果的差异不超过5％，则满足高光谱遥感器的光谱定标精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于包括如下步骤：
1)建立已知的大气廓线吸收波段高光谱遥感器的各个通道光谱响应函数,获取高光谱遥感器的各个通道参考谱线；在轨实际输出光谱谱线与参考光谱谱线之间的光谱夹角最小时为对应的光谱偏移量，得到基于大气廓线的光谱定标结果；
2)根据各视场不同光谱通道的响应值通过高斯拟合，得到LED光源在轨时的中心波长和半高宽，与实验室测量的LED和高光谱遥感器中心波长和半波宽进行差异比较，得到基于LED的光谱定标结果；
3)将基于大气廓线的光谱定标结果与基于LED的光谱定标结果进行比较，分析两种结果的差异不超过5％，则满足高光谱遥感器的光谱定标精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，步骤1)中所述的大气廓线吸收波段附近高光谱遥感器的各个通道光谱响应函数为：
λ为已知的大气廓线吸收波长；λc(i)为通道i定标前的中心波长，Δλ为中心波长的步长，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，fwhm(i)为通道i定标前的半波宽，Δf为半波宽的步长，SRF(λi,k)为λc(i)在偏移量为λrange-+k×Δλ，fwhm(i)偏移量为(λrange-+k×Δf)时的光谱响应函数，k为偏移步数；
通过仿真获取大气吸收曲线，与光谱响应函数进行卷积，即可获取高光谱遥感器通道i的参考谱线：
其中Li(λ)为通道i仿真获取的大气廓线吸收曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，步骤1)中所述的高光谱遥感器在轨实际输出光谱谱线与参考光谱谱线之间的光谱夹角为：
其中，L(λi)为高光谱遥感器通道i实际输出光谱谱线，Lref(λi,k)为通道i的参考谱线，n为通道数；
取SAMk为最小值时对应的中心波长偏移λraneg-+k'×Δλ，半波宽偏移(λrange-+k'×Δf)为光谱偏移量，则基于大气廓线的定标结果为：
λc'(i)＝λc(i)+(λrange-+k'×Δλ)
fwhm'(i)＝fwhm(i)+(λrange-+k'×Δf)
其中，λc'(i)为通道i定标后的中心波长，λc(i)为通道i定标前的中心波长；fwhm'(i)为通道i定标后的的半波宽，fwhm(i)通道i定标前的半波宽，k'为SAMk为最小值时的偏移步数，λrange-～λrange+为光谱偏移范围，Δλ为中心波长的步长，Δf为半波宽的步长。
4.根据权利要求1所述的一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，步骤2)中所述的根据各视场不同光谱通道的响应值通过高斯拟合，得到LED光源的中心波长和半高宽，其拟合公式如下：
其中，y0为暗电流，A为峰值波长处响应值，xc(i)为高光谱遥感器通道i实验室测量的中心波长，x'L即为拟合得到的LED中心波长，fwhm'(L)即为拟合得到的LED半波宽。
5.根据权利要求1所述的一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，步骤2)中所述的拟合得到的LED光源在轨时的中心波长和半波宽，与实验室测量的LED和高光谱遥感器中心波长和半波宽进行差异比较，得到基于LED的定标结果：
xc'(i)＝xc(i)-(xL-x'L)
fwhmc'(i)＝fwhmc(i)-(fwhm(L)-fwhm'(L))
其中，xc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的中心波长，xc(i)为通道i实验室测量的中心波长，x'L为拟合得到的LED中心波长，xL为实验室时LED的中心波长；fwhmc'(i)为高光谱遥感器通道i定标后的半波宽，fwhmc(i)为通道i实验室测量的半波宽，fwhm'(L)为拟合得到的的LED半波宽，fwhm(L)实验室时LED的半波宽。
6.根据权利要求1所述的一种基于大气廓线与LED的高光谱遥感器在轨光谱定标方法，其特征在于，步骤3)中所述的将基于大气廓线的光谱定标结果与基于LED的光谱定标结果进行比较：
Δλi＝|λc'(i)-xc'(i)|
Δfwhmi＝|fwhm'(i)-fwhmc'(i)|
其中，Δλi表示两种方法定标得到的中心波长的差异，其中λc'(i)为通道i基于大气廓线定标后的中心波长，xc'(i)为通道i基于LED定标后的中心波长；Δfwhmi表示两种方法定标得到的半波宽的差异，其中fwhm'(i)为通道i基于大气廓线定标后的半波宽，fwhmc'(i)为通道i基于LED定标后的半波宽。
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