CN109813438B - 傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外载荷在轨定标方法技术领域的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，其包括以下步骤：步骤一，星上内黑体温控至最高温控点平衡后关闭温控，在内黑体温控、内黑体自由降温及内黑体达到平衡温度期间，仪器指向镜周期性对准内黑体及冷空间进行观测；步骤二，对卫星下传的内黑体观测的遥感数据包进行筛选，获取多组内黑体观测遥感数据；步骤三，计算内黑体和冷空间观测的未标定光谱数字量和光谱辐亮度；步骤四，对光谱波段内的每一个通道，实施最小二乘拟合，获得非线性定标系数；步骤五，计算仪器对地观测的目标光谱辐亮度。本发明能够确定傅里叶变换光谱仪的非线性响应关系，提高定标精度和数据反演准确性。

Description

傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法

技术领域

本发明涉及红外载荷在轨定标方法技术领域，具体涉及一种傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法。

背景技术

傅里叶变换红外光谱仪具有光谱分辨率高、灵敏度高等优点，已广泛应用于农业、气象、环境、空间技术等领域。傅里叶变换红外光谱仪直接获得的数据为目标的干涉图，通过傅里叶变换可以获得目标的细分光谱。由光谱数字量值转换成目标的入射辐亮度的过程即为辐射定标。

传统星载光学仪器红外通道在轨定标方法选用两点定标法，即用星上黑体提供高点，用冷空提供低点，然后通过线性拟合获取定标系数。然而，由于傅里叶变换红外光谱仪的探测器、读出电路、运放、数模转换等环节会引入非线性响应，使得传统两点定标法不足以获取非线性系数。

随着应用领域对数据准确性的提高，对傅里叶变换红外光谱仪进行在轨非线性定标成为必须。但是由于黑体在轨可设置的温控点有限，故而难以获得非线性定标所需的多组不同温度点数据。如何对傅里叶变换红外光谱仪进行在轨辐射非线性定标成为一个亟待解决的问题。

经对现有技术的检索，中国发明专利201410067846.7，发明名称为一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，该专利申请披露了如下技术内容：首先根据空间遥感器光学系统确定自反射角镜阵列各项参数并完成自反射角镜阵列的加工；其次将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上，并利用定标切换机构使空间遥感器在三种工作模式之间切换得到辐射响应数据和输入输出数据；最后计算系统线性定标因子，完成定标。通过在轨红外焦平面自反射定标，实现了冷焦面自反射作为高稳定性定标源，无需使用反射镜引入冷空间，同时可消除探测器自身暗电流等噪声的影响，从而保证空间遥感光谱仪在轨探测数据的可靠性和精度。但该专利申请仅能对光谱仪进行线性定标，无法对其进行非线性定标。

因此，有必要设计一种能够对傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射进行非线性定标，能够获得非线性定标所需的多组不同温度点数据的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，本发明能够对傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射进行非线性定标，能够获得非线性定标所需的多组不同温度点数据的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法。

本发明涉及傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，包括如下步骤：

步骤1，开启傅里叶变换红外光谱仪星上内黑体温控，温控至最高温控点，多个测温铂电阻输出温度最大差异小于0.2K时，关闭星上内黑体温控，在内黑体温控、内黑体自由降温及内黑体达到平衡温度期间，傅里叶变换红外光谱仪指向镜周期性对准内黑体及冷空间进行观测；

步骤2，对卫星下传的内黑体观测的遥感数据包进行筛选，获得温度点T₁、温度点T₂、……、温度点T_n(温度由低到高)对应的遥感数据，同时获取下传遥感包中的冷空间观测数据；

步骤3，分别计算多个温度点下内黑体观测的未标定光谱数字量S_i(v)和光谱辐亮度R_i(v)(i＝1,2,…,n)，其中v表示波数，i对应不同内黑体温度点，同时计算冷空间观测的未标定光谱数字量S₀(v)和光谱辐亮度R₀(v)；

步骤4，对傅里叶变换红外光谱仪光谱波段内的每一个通道(波数为v处)，根据R_i(v)与S_i(v)(i＝0,1,2,…,n)实施最小二乘拟合，获得非线性响应系数a₂(v)，线性响应系数a₁(v)，以及背景辐射O(v)，拟合方程为

S＝a₂(R-O)²+a₁(R-O) (公式1)

其中S为傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量，R为内黑体辐亮度；

步骤5，辐射非线性定标后的，仪器对地观测的目标辐亮度L(v)为

其中，S_L(v)为对地观测时傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量。

进一步地，所述步骤2包含如下步骤：

步骤2.1，对所有内黑体观测数据，统计单次观测中多个测温铂电阻的温度最大差异；

步骤2.2，筛选出温度最大差异小于0.2K的遥感数据包，并以多个铂电阻输出温度平均值作为对应观测时刻的内黑体温度值；

步骤2.3，将内黑体温度值由低到高排列，保留多次观测之间内黑体温度值间隔大于0.5K的遥感数据包，温度由低到高依次记为T₁、温度点T₂、……、温度点T_n，其中T₁即为内黑体平衡温度，T_n即为最高温控点温度。

进一步地，所述步骤3包含如下步骤：

步骤3.1，从内黑体观测遥感数据中获取傅里叶变换红外光谱仪的干涉图数据，利用快速傅里叶变换计算对应温度点T_i的光谱数据S_i(v)(i＝1,2,…,n)，其中v表示波数；

步骤3.2，计算对应温度点T_i的内黑体辐亮度R_i(v)(i＝1,2,…,n)，计算方法为：

其中，c₁为第一辐射常数，值为1.1910427×10^-5cm³·mW/(m²·cm^-1)；c₂为第二辐射常数，值为1.4387752K·cm，T_refl为傅里叶变换红外光谱仪主体温控温度，通过遥感包中对应温度测点获得，ε为星上内黑体比辐射率，由发射前地面测试获得；

步骤3.3，从傅里叶变换红外光谱仪在轨冷空观测数据包中获取冷空观测的干涉图数据，利用快速傅里叶变换计算深冷空间对应的光谱数据S₀(v)；

步骤3.4，计算深冷空间对应的辐亮度R₀(v)，计算方法为

其中，温度T₀为常数4K。

优选地，所述傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法所使用的星上测温铂电阻测量精度优于0.1K。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，能够针对辐射非线性响应进行在轨多点非线性定标，适用范围更广，有效地提高了傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射定标精度；

2、本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，对傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射进行非线性定标，能够获得非线性定标所需的多组不同温度点数据，提高应用领域对数据准确性；

3、本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，保证空间遥感光谱仪在轨探测数据的可靠性和精度，该非线性定标方法计算简单、计算结果准确，该方法可以广泛推广应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法的流程图；

图2为本发明筛选后的傅里叶变换红外光谱仪内黑体降温温度点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，包括如下步骤：

步骤1，开启傅里叶变换红外光谱仪星上内黑体温控，温控至最高温控点，多个测温铂电阻输出温度最大差异小于0.2K时，关闭星上内黑体温控，在内黑体温控、内黑体自由降温及内黑体达到平衡温度期间，傅里叶变换红外光谱仪指向镜周期性对准内黑体及冷空间进行观测；

步骤2，对卫星下传的内黑体观测的遥感数据包进行筛选，获得温度点T₁、温度点T₂、……、温度点T_n(温度由低到高)对应的遥感数据，同时获取下传遥感包中的冷空间观测数据；

步骤3，分别计算多个温度点下内黑体观测的未标定光谱数字量S_i(v)和光谱辐亮度R_i(v)(i＝1,2,…,n)，其中v表示波数，i对应不同内黑体温度点，同时计算冷空间观测的未标定光谱数字量S₀(v)和光谱辐亮度R₀(v)；

步骤4，对傅里叶变换红外光谱仪光谱波段内的每一个通道(波数为v处)，根据R_i(v)与S_i(v)(i＝0,1,2,…,n)实施最小二乘拟合，获得非线性响应系数a₂(v)，线性响应系数a₁(v)，以及背景辐射O(v)，拟合方程为

S＝a₂(R-O)²+a₁(R-O) (公式1)

其中S为傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量，R为内黑体辐亮度；

步骤5，辐射非线性定标后的，仪器对地观测的目标辐亮度L(v)为

其中，S_L(v)为对地观测时傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量。

接下来对本发明进行详细的描述。

本发明的目的是提供一种傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，本发明能够对傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射进行非线性定标，能够获得非线性定标所需的多组不同温度点数据的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法。

非线性辐射定标需要多个能级的已知入射能量的观测数据，才能实施非线性系数的获取，由于黑体在轨可设置的温控点有限，故而难以获得非线性定标所需的多组不同温度点数据。本发明希望可以通过黑体自由降温及高精度测温铂电阻配合获取足够多的不同能级的黑体观测数据。

首先将星上内黑体温控到最高温度点。由于傅里叶变换红外光谱仪不同波段的多个探测器实际对星上内黑体的不同部位，若黑体温度不均匀，则实际入射辐亮度无法准确计算。多个测温铂电阻输出温度最大差异作为星上内黑体均匀性的评判，当最大差异小于0.2K时关闭星上黑体温控。由于内黑体所在环境温度低于内黑体高点温控点的温度，内黑体的温度会逐渐降低并最终稳定在平衡温度。

傅里叶变换红外光谱仪指向镜在其每个扫描周期内，都可以对黑体、冷空、对地面观测，从而提高辐射定标实时性，在内黑体温控、内黑体自由降温及内黑体达到平衡温度期间，傅里叶变换红外光谱仪指向镜周期性对准内黑体及冷空间进行观测。

为了获取定标系数，多组不同温度点数据需要覆盖动态范围并尽量步长均匀分布。将内黑体温度值由低到高排列，保留多次观测之间内黑体温度值间隔大于0.5K的遥感数据包，温度由低到高依次记为T₁、温度点T₂、……、温度点T_n，其中T₁即为内黑体平衡温度，T_n即为最高温控点温度，如附图2所示。

确定非线性定标系数使用两部分数据，n个温度点的内黑体观测数据以及冷空间观测数据。

内黑体温度点经筛选确定后，需要分别计算这些温度点对应的未标定光谱数据与光谱辐亮度值。未标定的光谱数据通过对傅里叶变换红外光谱仪下传的内黑体干涉图数据进行快速傅里叶变换计算得到，对应温度点T_i的光谱数据记为S_i(v)(i＝1,2,…,n)，其中v表示波数。冷空间观测的光谱数据同理可得，记为S₀(v)。

根据高精度测温铂电阻(精度优于0.1K)的输出值计算对应温度点T_i的内黑体辐亮度R_i(v)(i＝1,2,…,n)，计算方法为：

其中，c₁为第一辐射常数，值为1.1910427×10^-5cm³·mW/(m²·cm^-1)；c₂为第二辐射常数，值为1.4387752K·cm，T_refl为傅里叶变换红外光谱仪主体温控温度，通过遥感包中对应温度测点获得，ε为星上内黑体比辐射率，由发射前地面测试获得。

深冷空间对应的辐亮度R₀(v)S₀(v)可以采用经验方法，即认为其等价于4K的绝对黑体辐射，故计算方法为

其中，温度T₀为常数4K。

由于傅里叶变换红外光谱仪的特殊性，仪器自身也存在背景辐射。当仪器内部精密温控在恒定的温度时，可以认为背景辐射不发生变化。对傅里叶变换红外光谱仪光谱波段内的每一个通道(波数为v处)，根据R_i(v)与S_i(v)实施最小二乘拟合，获得非线性响应系数a₂(v)，线性响应系数a₁(v)，以及背景辐射O(v)，拟合方程为

S＝a₂(R-O)²+a₁(R-O) (公式3)

其中S为傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量，R为内黑体辐亮度。

根据公式3可以推导得到辐射非线性定标后的，仪器对地观测的目标辐亮度L(v)为

其中，S_L(v)为对地观测时傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量。

综上所述，本发明的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，能够针对辐射非线性响应进行在轨多点非线性定标，适用范围更广，有效地提高了傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射定标精度；对傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射进行非线性定标，能够获得非线性定标所需的多组不同温度点数据，提高应用领域对数据准确性；保证空间遥感光谱仪在轨探测数据的可靠性和精度，该非线性定标方法计算简单、计算结果准确，该方法可以广泛推广应用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，开启傅里叶变换红外光谱仪星上内黑体温控，温控至最高温控点，多个测温铂电阻输出温度最大差异小于0.2K时，关闭星上内黑体温控，在内黑体温控、内黑体自由降温及内黑体达到平衡温度期间，傅里叶变换红外光谱仪指向镜周期性对准内黑体及冷空间进行观测；

步骤2，对卫星下传的内黑体观测的遥感数据包进行筛选，获得温度点T₁、温度点T₂、……、温度点T_n对应的遥感数据，同时获取下传的遥感数据包中的冷空间观测数据；

步骤3，分别计算多个温度点下内黑体观测的未标定光谱数字量S_i(v)和光谱辐亮度R_i(v)，其中v表示波数，i对应不同内黑体温度点；i＝1,2,…,n；同时计算冷空间观测的S₀(v)和R₀(v)，所述S_i(v)为内黑体观测的未标定光谱数字量，R_i(v)为内黑体观测的光谱辐亮度；所述S₀(v)为冷空间观测的未标定光谱数字量，R₀(v)为光谱辐亮度；

步骤4，对傅里叶变换红外光谱仪光谱波段内的每一个通道，根据R_i(v)与S_i(v)实施最小二乘拟合；i＝0,1,2,…,n；获得a₂(v)、a₁(v)、O(v)和拟合方程S，其中，a₂(v)为非线性响应系数，a₁(v)为线性响应系数，O(v)为背景辐射，拟合方程S为

S＝a₂(R-O)²+a₁(R-O) (公式1)

其中S为傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量，R为内黑体光谱辐亮度；

步骤5，辐射非线性定标后的，对地观测的目标光谱辐亮度L(v)为

其中，S_L(v)为对地观测时傅里叶变换光谱仪的输出的光谱数字量。

2.如权利要求1所述的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，其特征在于，所述步骤2包含如下步骤：

步骤2.1，对所有内黑体观测数据，统计单次观测中多个测温铂电阻的温度最大差异；

步骤2.2，筛选出温度最大差异小于0.2K的遥感数据包，并以多个铂电阻输出温度平均值作为对应观测时刻的内黑体温度值；

步骤2.3，将内黑体温度值由低到高排列，保留多次观测之间内黑体温度值间隔大于0.5K的遥感数据包，温度由低到高依次记为T₁、温度点T₂、……温度点T_n，其中T₁即为内黑体平衡温度，T_n即为最高温控点温度。

3.如权利要求1所述的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，其特征在于，所述步骤3包含如下步骤：

步骤3.1，从内黑体观测遥感数据中获取傅里叶变换红外光谱仪的干涉图数据，利用快速傅里叶变换计算对应温度点T_i的内黑体观测的未标定光谱数字量S_i(v)；i＝1,2,…,n；其中v表示波数；

步骤3.2，计算对应温度点T_i的内黑体光谱辐亮度R_i(v)；i＝1,2,…,n；计算方法为：

其中，c₁为第一辐射常数，值为1.1910427×10^-5cm³·mW/(m²·cm^-1)；c₂为第二辐射常数，值为1.4387752K·cm，T_refl为傅里叶变换红外光谱仪主体温控温度，通过遥感包中对应温度测点获得，ε为星上内黑体比辐射率，由发射前地面测试获得；

步骤3.3，从傅里叶变换红外光谱仪在轨冷空观测遥感数据包中获取冷空观测的干涉图数据，利用快速傅里叶变换计算深冷空间对应的冷空间观测的未标定光谱数字量S₀(v)；

步骤3.4，计算深冷空间对应的光谱辐亮度R₀(v)，计算方法为

其中，温度T₀为常数4K。

4.如权利要求3所述的傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法，其特征在于，所述傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法所使用的星上测温铂电阻测量精度优于0.1K。

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