CN110726474A - 一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，提供了一种连续高效的获取地物高光谱和超光谱信息的方案，通过分叉光纤和光路切换开关，交替获取太阳入射光谱和地物反射光谱，保证所观测太阳光谱和地物光谱的采集在同一光强条件下进行，避免光强的变化造成所计算的地物反射率存在误差，可自动连续高质量的地物高光谱和超光谱反射率数据产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，属于光谱仪观测技术领域。
背景技术
自然界各种地物都有各自的光谱特征，具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性。在地物反射、吸收和透射等物理性质中，使用最普遍最常用的是地物的反射特征。通过遥感手段获取地物反射光谱信息，是定性和定量研究地物特征的重要方式。
收集和积累各种典型地物的光谱数据信息历来是遥感基础研究和应用研究中不可缺少的一个重要环节。随着遥感信息获取技术水平的提高,早期使用的波段式的低光谱分辨率的光谱仪已逐渐被具有高光谱分辨率乃至超光谱分辨率的光谱仪所替代，同时极大的促进了利用高光谱数据进行定量化研究的发展。
定量遥感是利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在计算机系统支持下，根据计算模型，定量获取观测目标参量或特性的方法与技术。定量遥感强调定量的数学物理方法的运用和强调处理结果的精确性，它通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来，运用遥感信息定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量。定量遥感是当前遥感发展的前沿，国内外地物实测光谱在植被、农业和林业、冰、雪与水体、工业、地矿及土壤等领域做了大量定量研究。为了获取不同地物在野外自然条件下的可见光和近红外波段反射光谱，以精确定量反演目标参量，需要适用于野外测量的光谱仪器，获取高质量的高光谱乃至超光谱数据。
目前应用最为广泛的地物光谱仪是美国生产的ASDFieldspe便携式光谱仪，其内部集成350-1000nm和1000-2500nm两个波段范围的传感器，运行稳定便于野外操作，但无法同时观测太阳入射光谱和地物反射光谱，需搭配标准反射板使用，长期自动观测性能欠佳。且光谱分辨率为3nm，已无法满足超光谱分辨率观测的需要。以近年兴起的植被日光诱导叶绿素荧光为例，其观测需要亚纳米级光谱分辨率的光谱仪。同时，Frankenberg等人在“Newglobal observations of theterrestrial carbon cycle from GOSAT:Patterns ofplant fluorescence with gross primaryproductivity”一文中提出利用叶绿素荧光遥感估算陆地生态系统生产力的方法，因此在叶绿素荧光应用中，不仅需要超高的光谱分辨率，还需要长期连续的超光谱观测，对地物光谱观测提出了新的要求。
市面上可用的光谱仪种类有限，且通常只能接收一个光路，若要同时获取太阳入射光和地物反射光，需将一个光路转换为两个；另外光谱仪运行环境要求高，为降低噪声的干扰，需将光谱仪放置在恒温箱内。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种地物超光谱高频观测系统，针对现有光谱仪，引入改进型结构设计，能够高效实现太阳光谱信息、地物光谱信息的获得。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关和余弦矫正器；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各子观测系统中，光谱仪置于恒温室工作，光路开关置于外室环境进行工作，分叉光纤中双路光纤经光路开关、分别所连光纤位于外室环境。
作为本发明的一种优选技术方案：所述光路开关为两个inline光路开关，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。
作为本发明的一种优选技术方案：所述两套子观测系统中，其中一套子观测系统中的光谱仪为QEpro光谱仪，另一套子观测系统中的光谱仪为HR光谱仪。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，基于改进型光谱仪设计结构，应用相应方法设计，能够高效实现太阳光谱信息、地物光谱信息的获得。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，先执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作，再执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作，其中，各子观测系统的执行工作，分别均包括如下步骤：
步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B；
步骤B.首先连通朝上指向太阳光照的光纤光路，且阻断朝下指向地物的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量太阳辐照度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先连通朝下指向地物的光纤光路，且阻断朝上指向太阳光照的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量地物辐亮度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别按如下公式进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数；
cof＝Rad/((DN-DC)/IT)
其中，cof表示定标系数，Rad表示光源的已知亮度，DN表示光谱仪所采集光源所对应的记录下来的数字信号，IT表示积分时间,DC表示采集DN值时相应的暗电流。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照的光纤，采用卤素灯进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝下指向地物的光纤，采用积分球定标法进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作时，则所述步骤B至步骤C如下：
步骤B.首先控制朝上指向太阳光照的通道连接的inline开关打开，朝下通道的inline开关闭合，根据该光纤的定标系数，测量太阳辐照度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先控制打开QEpro光谱仪内部的开关，控制朝下指向地物的通道连接的inline开关打开，朝上通道的inline开关闭合，测量地物辐亮度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得；
所述执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作时，则所述步骤B至步骤C如下：
步骤B.首先控制连通朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量太阳辐照度；接着控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先控制连通朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量地物辐亮度；接着控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
作为本发明的一种优选技术方案：所述太阳辐照度、以及相应暗噪声测量，地物辐亮度、以及相应暗噪声测量中，所涉及的积分时间，按如下公式：
optinttime＝inttime*(targetDN/max)
获得最优积分时间optinttime，进而参与上述各个处理；其中，inttime表示预设积分时间，targetDN表示预设采集光谱值DN的大小，max表示根据预设积分时间inttime所采集一条光谱中、最大光谱值。
本发明所述一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，提供了一种连续高效的获取地物高光谱和超光谱信息的方案，通过分叉光纤和光路切换开关，交替获取太阳入射光谱和地物反射光谱，保证所观测太阳光谱和地物光谱的采集在同一光强条件下进行，避免光强的变化造成所计算的地物反射率存在误差，可自动连续高质量的地物高光谱和超光谱反射率数据产品。
附图说明
图1是本发明设计针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法的流程示意图。
图2是观测系统获取的太阳和植被地物DN值光谱；
图3是观测系统获取的太阳和植被地物光谱经预处理和辐射定标后的辐照度、辐亮度和反射率。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关、余弦矫正器和显示器等；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。
实际应用中，所述两套子观测系统中，其中一套子观测系统中的光谱仪为QEpro光谱仪，QEpro光谱仪的观测范围为：640-800nm，730-780nm，分辨率为0.3nm，QEpro的高分辨率和波段范围使得其能够观测荧光；另一套子观测系统中的光谱仪为HR光谱仪，HR光谱仪的观测范围为：400-1000nm，分辨率1nm左右，HR的宽波段观测以及高分辨率可以用来观测各种植被指数以及反射率；光路开关为两个inline光路开关，HR与QEpro均采用两个inline光路开关与分叉光纤的双路光纤分别串联，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。针对HR与QEpro光谱仪，则光路开关为两个inline光路开关，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。
应用中，所述各子观测系统中，光谱仪置于恒温室工作，保证光谱仪的热稳定性，以获取更高质量的数据；光路开关置于外室环境进行工作，分叉光纤中双路光纤经光路开关、分别所连光纤位于外室环境；具体实际操作中，恒温室中放光谱仪以及TEC温湿度控制器，TEC温湿度控制器读取恒温室内的温湿度，并根据预设的温度进行调节，保证恒温室的温度在25度左右；外室中放置光路开关，以及一块集成了所有部件电源的电路板，同时外室也放了一个温湿度传感器，通过集成电路板的串口，可以读取外室与恒温室的实时的温湿度。
整个地物超光谱高频观测系统设计中，从一个串口可以控制电路板上集成的所有部件，并读取出整套系统内部的恒温室与外室的温湿度，其中，整个集成的系统实现了一键启动的功能，程序采用一块电路板上的五个通道将系统中的所有电源集成起来。五个电源通道分别为工控机、光谱仪、TEC温度控制器、光路开关、温湿度传感器。通过对电路板的通电控制，可以实现对于整套系统的一键开关控制；电路板自带开关机时间，设置为在晚上对所有电源通路断电。
基于上述所设计地物超光谱高频观测系统，本发明进一步针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，实际应用中，如图1所示，首先执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作，包括如下步骤：
实际系统用于野外观测之前，需要对光谱仪进行辐射定标，因为光谱仪采集的光谱数据为DN(digital number)值，这个DN值并没有具体的物理意义，因此，我们需要一个系数来将其转换为具有物理意义的值，即执行如下步骤A，针对QEpro光谱仪进行辐射定标。
步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B。
实际应用中，上述步骤A中，针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别按如下公式进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数。
cof＝Rad/(DN-DC/IT)
其中，cof表示定标系数，Rad表示光源的亮度，DN表示光谱仪所采集光源的数字信号，DC表示相应的暗电流，IT表示积分时间；有了定标系数，当用光谱仪测量其它未知光源时，获取到DN值与积分时间IT，即可知道其它未知光源的辐照度或者辐亮度的信息。
如此，定标系数用来将光谱仪采集的无物理意义的电子信号转换为有物理意义的辐照度与辐亮度，辐射定标过程：用观测系统对已知强度的光源进行测量，得到相应的光谱仪采集的电子信号(digitalnumber,DN值)，那么我们就获取了光谱仪采集的电子信号与光源强度的一种对应关系，该对应关系以定标系数的形式表现出来；在有了定标系数以后，光谱仪采集到的DN值均可以转换为辐照度或者辐亮度。
并且实际应用中，针对朝上指向太阳光照的光纤，采用卤素灯进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数；针对朝下指向地物的光纤，采用积分球定标法进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。
步骤B.首先控制朝上指向太阳光照的通道连接的inline开关打开，朝下通道的inline开关闭合，根据该光纤的定标系数，测量太阳辐照度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C。
步骤C.首先控制打开QEpro光谱仪内部的开关，控制朝下指向地物的通道连接的inline开关打开，朝上通道的inline开关闭合，测量地物辐亮度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
然后执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作，包括如下步骤：
按针对QEpro光谱仪同样的方法，针对HR光谱仪进行辐射定标，执行如下步骤A。
步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B。
步骤B.首先控制连通朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量太阳辐照度；接着控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C。
步骤C.首先控制连通朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量地物辐亮度；接着控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
上述所设计针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，在实际应用中，每次光谱采集之前都需要找到较好的积分时间，以保证采集的光谱的DN值不至于饱和，也不至于太低，从而影响到采集数据的质量，具体来说，对于太阳辐照度、以及相应暗噪声测量，地物辐亮度、以及相应暗噪声测量中，所涉及的积分时间，按如下公式：
optinttime＝inttime*(targetDN/max)
获得最优积分时间optinttime，进而参与上述各个处理；其中，inttime表示预设积分时间，targetDN表示预设采集光谱值DN的大小，max表示根据预设积分时间inttime所采集一条光谱中、最大光谱值。如图2为获取的太阳和植被地物的DN值，以及图3所示为获取的太阳和植被地物光谱经预处理和辐射定标后的辐照度、辐亮度和反射率。
实际应用中，将所获太阳光谱信息、地物光谱信息投入使用，其中，在进行反射率计算之前首先需要进行数据质量控制，一般用信噪比，反射率以及DN值是否饱和，光谱观测是否稳定来进行数据质量控制，在数据质量控制完成之后，可以直接计算获得地物反射率。在植被遥感领域中，通过各个波段的反射率来计算想要的植被指数，而荧光则基于夫琅禾费线填充的原则，通过最小二乘法来进行荧光的反演。
上述技术方案所设计地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，提供了一种连续高效的获取地物高光谱和超光谱信息的方案，通过分叉光纤和光路切换开关，交替获取太阳入射光谱和地物反射光谱，保证所观测太阳光谱和地物光谱的采集在同一光强条件下进行，避免光强的变化造成所计算的地物反射率存在误差，可自动连续高质量的地物高光谱和超光谱反射率数据产品。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，其特征在于：包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关和余弦矫正器；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。
2.根据权利要求1所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述各子观测系统中，光谱仪置于恒温室工作，光路开关置于外室环境进行工作，分叉光纤中双路光纤经光路开关、分别所连光纤位于外室环境。
3.根据权利要求1或2所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述光路开关为两个inline光路开关，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。
4.根据权利要求3所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述两套子观测系统中，其中一套子观测系统中的光谱仪为QEpro光谱仪，另一套子观测系统中的光谱仪为HR光谱仪。
5.一种针对权利要求4所述地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于，先执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作，再执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作，其中，各子观测系统的执行工作，分别均包括如下步骤：
步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B；
步骤B.首先连通朝上指向太阳光照的光纤光路，且阻断朝下指向地物的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量太阳辐照度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先连通朝下指向地物的光纤光路，且阻断朝上指向太阳光照的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量地物辐亮度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
6.根据权利要求5所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别按如下公式进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数；
cof＝Rad/((DN-DC)/IT)
其中，cof表示定标系数，Rad表示光源的已知亮度，DN表示光谱仪所采集光源所对应的记录下来的数字信号，IT表示积分时间,DC表示采集DN值时相应的暗电流。
7.根据权利要求6所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照的光纤，采用卤素灯进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。
8.根据权利要求6所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述步骤A中，针对朝下指向地物的光纤，采用积分球定标法进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。
9.根据权利要求5所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作时，则所述步骤B至步骤C如下：
步骤B.首先控制朝上指向太阳光照的通道连接的inline开关打开，朝下通道的inline开关闭合，根据该光纤的定标系数，测量太阳辐照度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先控制打开QEpro光谱仪内部的开关，控制朝下指向地物的通道连接的inline开关打开，朝上通道的inline开关闭合，测量地物辐亮度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得；
所述执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作时，则所述步骤B至步骤C如下：
步骤B.首先控制连通朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量太阳辐照度；接着控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先控制连通朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，以及控制阻断朝上指向太阳光照的光纤光路的inline光路开关，测量地物辐亮度；接着控制阻断朝下指向地物的光纤光路的inline光路开关，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。
10.根据权利要求5至9中任意一项所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述太阳辐照度、以及相应暗噪声测量，地物辐亮度、以及相应暗噪声测量中，所涉及的积分时间，按如下公式：
optinttime＝inttime*(targetDN/max)
获得最优积分时间optinttime，进而参与上述各个处理；其中，inttime表示预设积分时间，targetDN表示预设采集光谱值DN的大小，max表示根据预设积分时间inttime所采集一条光谱中、最大光谱值。
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