CN110794387B - 一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达探测的技术领域，尤其涉及一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法。包括如下步骤：S1、使用光谱标定系统，标定系统中的单色仪发出不同光谱值的光信号，对雷达系统分别进行扫描，确定雷达系统中各通道的带宽和中心波长；S2、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)，实验状态下雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，利用漫反射白板作为地物目标、使用测距通道测量雷达系统的飞行高度，最终求取回波信号功率P_R(λ,z)中各参数，获得高光谱成像激光雷达系统测出的实际地物反射谱β_G(λ)。该方法解决了机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定。

Description

一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法

技术领域

本发明涉及雷达探测的技术领域，尤其涉及一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法。

背景技术

目前激光雷达辐射标定的主要技术手段中，主动式激光雷达测距可实现目标高分辨三维信息获取，被动高光谱成像可获得丰富光谱信息，但两种技术手段皆无法实现空间三维-光谱信息同时获取。为将两个技术优势结合在一起，国内外很多研究机构开展了很多尝试，取得了较好的进展，并基本认同了对地观测激光雷达“单波长-多光谱-高光谱”的发展方向。

高光谱激光雷达作为一种全新的对地观测技术，相较于传统的单波长激光雷达，高光谱激光雷达的一个重要测量目标就是获取地表的后向反射光谱信息。然而，将高光谱激光雷达系统测量获得的光谱信息应用于地物分类等任务前，需要对系统进行标定。系统的标定对于高光谱激光雷达数据的应用是非常重要的，现有的辐射标定方法主要针对地基的多光谱成像激光雷达系统，或者是被动的高光谱成像系统，尚不存在对机载高光谱成像激光雷达辐射标定方法的研究。

发明内容

为了解决机载高光谱成像激光雷达辐射标定，本发明提供一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法。具体采用以下技术方案：

一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，包括如下步骤：

S1、使用光谱标定系统，标定系统中的单色仪发出不同光谱值的光信号，对雷达系统分别进行扫描，确定雷达系统中各通道的带宽和中心波长；

S2、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)，、实验状态下雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，利用漫反射白板作为地物目标、使用测距通道测量雷达系统的飞行高度，最终求取回波信号功率P_R(λ,z)中各参数，获得高光谱成像激光雷达系统测出的实际地物反射谱β_G(λ)。

具体地说，步骤S1具体如下：

S11、搭建光谱标定机构，所述光谱标定机构包括依次设置的单色仪、分束镜，所述分束镜分出两条光路，一条光路直接进入到第一探测器中，第一探测器输出数据到第一数据采集系统中，第一数据采集系统中处理的数据作为参考数据，分束镜的另一光路经过扫描转镜进入到待标定的机载高光谱成像激光雷达系统中，该雷达系统中的第二探测器输出数据到第二数据采集系统中；

S12、根据机载高光谱成像激光雷达系统的光谱范围，单色仪以设定波长精度发出覆盖雷达系统光谱范围的多个波长的光信号，第一数据采集系统和第二数据采集系统获得某个波长λ_n的光信号对应的第一电流信号值I_n和第二电流信号值I_n'，同时确定该光信号输入时第一探测器中响应的通道；

S13、所有波长的光信号输入完毕后，确定雷达系统中各通道的光谱范围，然后通过电流比值的方法确定每个通道对应的中心波长λ_NCW，并根据半高全宽Δλ_n定义为第n通道的带宽，即第n通道内的光谱分辨率。

具体地说，单色仪之前还设置有卤灯光源和给卤灯光源供电的电源。

具体地说，步骤S13中求取中心波长λ_NCW的具体步骤为：

S131、将同步测量第一电流信号值I_n和第二电流信号值I'_n相比较，得到第n通道内波长λ_n对应的电流信号比值I'_n/I_n；

S132、求取理想状态下电流信号比值(I'_n/I_n)_max对应波长为该通道的中心波长λ_NCW。

具体地说，步骤S2具体如下：

(a)、根据雷达系统单发多收的工作模式，多通道高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)，用公式表示如下：

其中，λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为雷达系统中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；ρ₀是激光器输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜的有效通光孔径，单位：m；z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z通过测距通道实时进行测量；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率，I(λ)表示真实的地物信号强度，R是对应通道内探测器的响应度，c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度；

(b)、确定在实验室状态下标定时，雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，公式如下：

P_Ref(λ)＝C(λ)R(λ)＝I_Ref(λ)/R (2)

其中R(λ)表示分离出的激光进入雷达系统的耦合效率，I_Ref(λ)为雷达系统中探测器的各通道输出的电流值，可测量；

(c)、确定雷达系统中接收望远镜的有效通光孔径D_R，将标准的漫反射白板当作地物目标，将雷达系统出射的激光脉冲入射到标准的漫反射白板上，雷达系统与白板之间的距离是已知的，即可得到系统接收望远镜的有效通光孔径D_R,进一步得到系统各个通道的标定系数C_Cal(λ)为：

(d)、在雷达系统的探测区使用角反射器，获取雷达系统中各通道探测器靶面输出的激光器功率：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，I_Cor(λ)是利用角反射器反射的激光脉冲信号在各个通道对应的电流信号值，Q(λ)和I_Cor(λ)均可以准确测量，将(2)式和(3)式左右等式相除，得：

即可求取R(λ)的数值；

(e)、在一个脉冲的重复频率内，雷达系统的采集卡需要采集三次信号强度，从激光器中分离的光强度I_Ref(λ)、经过地物反射后的回波信号强度I′(λ)、系统本身的背景噪声I_BG(λ)；雷达系统在没有激光脉冲信号时，接收系统中探测器输出的强度信息为系统的背景噪声；回波信号强度I′(λ)包括真实的地物信号强度I(λ)和系统的背景噪声I_BG(λ)；即雷达系统在实际的机载飞行实验时，接收系统各个通道的探测器实际输出的信号I′(λ)为：

I′(λ)＝I(λ)+I_BG(λ) (7)

最后，将公式(2)、(7)、(10)、R(λ)的数值代入公式(1)中，得到雷达系统在机载飞行过程中，实际的地物反射谱β_G(λ)为：

本发明的优点在于：

(1)本发明先通过光谱标定系统确定雷达系统中各通道的带宽和中心波长，实现光谱标定，然后获得高光谱成像激光雷达系统测出的实际地物反射谱β_G(λ)，实现辐射标定，该方法解决了机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定。

(2)本发明根据高光谱激光雷达方程，确定雷达系统每一个通道的辐射标定系数，使该高光谱激光雷达在机载飞行过程中，根据各个通道探测器输出的强度信息，实时得到地物的反射光谱信息，实现地形高精度获取和地表超精细分类。

(3)本方法中光谱标定采用分束镜同步测量的方法，降低了光源的非稳定性对系统辐射标定的影响，提高测量精度和效率。

附图说明

图1为本发明中机载高光谱成像激光雷达系统与光谱标定系统配合时的结构图。

图2为光谱标定时带宽、中心波长示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-电源 2-卤灯光源 3-单色仪 4-分束镜 51-第一探测器

6-雷达系统 71-第一数据系统 52-第二探测器 72-第二数据系统

具体实施方式

一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，包括如下步骤：

S1、使用光谱标定系统，标定系统中的单色仪发出不同光谱值的光信号，对雷达系统分别进行扫描，确定雷达系统中各通道的带宽和中心波长；

S2、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)、实验状态下雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，利用漫反射白板作为地物目标、使用测距通道测量雷达系统的飞行高度，最终求取回波信号功率P_R(λ,z)中各参数，获得高光谱成像激光雷达系统测出的实际地物反射谱β_G(λ)。

其中步骤S1实现了光谱标定，步骤S2实现了辐射标定，以下分别进行描述。

光谱标定

S11、搭建光谱标定机构；如图1所示，其中光谱标定机构包括依次设置的电源、光源、单色仪、分束镜，所述分束镜分出两条光路，一条光路直接进入到第一探测器中，第一探测器输出数据到第一数据采集系统中，第一数据采集系统中处理的数据作为参考数据，分束镜的另一光路经过扫描转镜进入到待标定的机载高光谱成像激光雷达系统中，该雷达系统中的第二探测器输出数据到第二数据采集系统中。

S12、根据机载高光谱成像激光雷达系统的光谱范围，单色仪以设定波长精度发出覆盖雷达系统光谱范围的多个波长的光信号，第一数据采集系统和第二数据采集系统获得某个波长λ_n的光信号对应的第一电流信号值I_n和第二电流信号值I_n'，同时确定该光信号输入时第一探测器中响应的通道。

其中单色仪的波长精度为单色仪的波长精度为0.2nm，光谱分辨率也是0.2nm，雷达系统的光谱范围覆盖400-900nm，单色仪从400nm开始，依次输出400nm、400.2nm、400.4nm…900nm，每隔0.2nm输出一次光信号。采用分束镜同步测量的方法，降低了光源的非稳定性对系统辐射标定的影响，提高测量精度和效率。单色仪出射的光线经过分束镜分束，一部分直接入射到第一探测器的靶面，第一数据采集系统直接测量出第一电流信号值，分别记作I₄₀₀、I_400.2、I_400.4…I₉₀₀；另一部分能量通过扫描转镜进入雷达系统，经过光栅分光和后继耦合光路系统入射到相应探测器的靶面，最终在终端的第二数据采集系统中得到测量的电流信号值，记作I′₄₀₀、I′_400.2、I′_400.4…I′₉₀₀。

S13、如图2所示，所有波长的光信号输入完毕后，确定雷达系统中各通道的光谱范围，然后通过电流比值的方法确定每个通道对应的中心波长λ_NCW，并根据半高全宽Δλ_n定义为第n通道的带宽，即第n通道内的光谱分辨率。

步骤S13中求取中心波长λ_NCW的具体步骤为：

S131、将同步测量第一电流信号值I_n和第二电流信号值I_n'相比较，得到第n通道内波长λ_n对应的电流信号比值I'_n/I_n；

S132、求取理想状态下电流信号比值(I'_n/I_n)_max对应波长为该通道的中心波长λ_NCW。

辐射标定

(a)、根据雷达系统单发多收的工作模式，多通道高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)，用公式表示如下：

其中，λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为雷达系统中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；ρ₀是激光器输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜的有效通光孔径，单位：m；z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z通过测距通道实时进行测量；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率，I(λ)表示真实的地物信号强度，R是对应通道内探测器的响应度，c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度；高光谱成像激光雷达辐射标定的最终目的，就是为了得到最真实的地物反射信息，即上式中的β_G(λ),因此我们需要将β_G(λ)从上述方程中求解出来。

实验室标定式时，从雷达系统的探测器靶面接收到的光功率为；

P_Ref(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)R(λ) (2)

R(λ)是分离出的激光进入雷达系统的耦合效率。雷达系统中各个通道内的探测器输出的电流值记作I_Ref(λ),I_Ref(λ)可以表示为：I_Ref＝P_Ref(λ)R。

利用角反射器，将部分激光直接引入到雷达系统中，雷达系统各个通道探测器靶面接收到的激光功率为：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，可以准确测量。实验室标定时，利用角反射器将经过转镜的激光脉冲信号，直接耦合到雷达系统中。I_Cor(λ)是利用角反射器反射的激光脉冲信号在各个通道对应的电流信号值。因此，将(2)式和(3)式相比较：

得到从激光器中分离的部分激光能量进入雷达系统的耦合效率R(λ)，带入到(2)式中，得到：

将(5)式代入到高光谱激光雷达方程，得到地物反射率谱线：

在实际的地物反射谱线中，系统本身的背景噪声对反射谱线β_G(λ)也会造成影响，需要对系统的噪声进行扣除。在一个脉冲的重复频率内，雷达系统的采集卡需要采集三次信号强度，从激光器中分离的光强度I_Ref(λ)、经过地物反射后的回波信号强度I′(λ)、系统本身的背景噪声I_BG(λ)。

雷达系统在没有激光脉冲信号时，接收系统中探测器输出的强度信息为系统的背景噪声。在一个激光脉冲周期内，接收系统各个通道实际输出的回波信号强度I′(λ),包括真实的地物信号强度I(λ)和系统的背景噪声I_BG(λ)。雷达系统在实际的机载飞行实验时，接收系统各个通道的探测器实际输出的信号I′(λ)为：

I′(λ)＝I(λ)+I_BG(λ) (7)

将(7)式代入到(6)式中，得到：

实验室标定时，不考虑大气透过率对系统标定的影响。此时，将(8)式进一步简化，得到：

为了确定接收望远镜的有效通光孔径D_R，将标准的漫反射白板当作地物目标，将雷达系统出射的激光脉冲入射到标准的漫反射白板上，雷达系统与白板之间的距离是已知的，即可得到系统接收望远镜的有效通光孔径D_R,进一步得到系统各个通道的标定系数C_Cal(λ)为：

将(10)式代入到(8)式中，得到系统在机载飞行的过程中，实际的地物反射谱β_G(λ)为：

雷达系统在实际机载飞行的工作过程中，大气透过率主要受到大气分子消光系数和气溶胶消光系数共同影响。机载飞行过程中，大气分子消光系数可以基于标准大气模型和地面气象观测站计算得到，而气溶胶的消光系数可以通过高光谱激光雷达全波形波段的信号进行反演。实际在计算可见光波段内大气消光系数时，近地层大气分子消光系数在大气消光系数中占据的权重很小，气溶胶的消光系数是引起低层消光系数的主要原因。

机载高光谱激光雷达在空中飞行工作时，飞行高度z由测距通道实时测量得到。依据一个激光脉冲周期时间内，各个通道探测器实际输出的信号强度I′(λ)、从激光器中分离的光强度I_Ref(λ)、背景噪声强度I_BG(λ)；同时，依据实际的回波信号反演得到大气透过率T_atm(λ,0,z)，结合每一个探测通道的标定系数C_Cal(λ)，代入到公式(11)即可得到各个通道的中心波长λ和β_G(λ)的对应关系，实时覆盖高光谱激光雷达宽谱段范围内的地物反射光谱信息。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、使用光谱标定系统，标定系统中的单色仪发出不同光谱值的光信号，对雷达系统分别进行扫描，确定雷达系统中各通道的带宽和中心波长；

S2、根据高光谱激光雷达方程的雷达系统中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率P_R(λ,z)、实验状态下雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，利用漫反射白板作为地物目标、使用测距通道测量雷达系统的飞行高度，最终求取回波信号功率P_R(λ,z)中各参数，z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z通过测距通道实时进行测量；获得高光谱成像激光雷达系统测出的实际地物反射谱β_G(λ)；

步骤S1具体如下：

S11、搭建光谱标定机构，所述光谱标定机构包括依次设置的单色仪、分束镜，所述分束镜分出两条光路，一条光路直接进入到第一探测器中，第一探测器输出数据到第一数据采集系统中，第一数据采集系统中处理的数据作为参考数据，分束镜的另一光路经过扫描转镜进入到待标定的机载高光谱成像激光雷达系统中，该雷达系统中的第二探测器输出数据到第二数据采集系统中；

S12、根据机载高光谱成像激光雷达系统的光谱范围，单色仪以设定波长精度发出覆盖雷达系统光谱范围的多个波长的光信号，第一数据采集系统和第二数据采集系统获得某个波长λ_n的光信号对应的第一电流信号值I_n和第二电流信号值I'_n，同时确定该光信号输入时第一探测器中响应的通道；

S13、所有波长的光信号输入完毕后，确定雷达系统中各通道的光谱范围，然后通过电流比值的方法确定每个通道对应的中心波长λ_NCW，并根据半高全宽Δλ_n定义为第n通道的带宽，即第n通道内的光谱分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，其特征在于，单色仪之前还设置有卤灯光源和给卤灯光源供电的电源。

3.根据权利要求2所述的一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，其特征在于，步骤S13中求取中心波长λ_NCW的具体步骤为：

S131、将同步测量第一电流信号值I_n和第二电流信号值I'_n相比较，得到第n通道内波长λ_n对应的电流信号比值I'_n/I_n；

S132、求取理想状态下电流信号比值(I'_n/I_n)_max对应波长为该通道的中心波长λ_NCW。

4.根据权利要求1所述的一种机载高光谱成像激光雷达系统的辐射标定方法，其特征在于，步骤S2具体如下：

(a)、根据雷达系统单发多收的工作模式，多通道高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)，用公式表示如下：

其中，λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为雷达系统中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；ρ₀是激光器输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜的有效通光孔径，单位：m；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率，I(λ)表示真实的地物信号强度，R是对应通道内探测器的响应度，c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度；

(b)、确定在实验室状态下标定时，雷达系统中探测器靶面接收到的光功率P_Ref(λ)，公式如下：

P_Ref(λ)＝c(λ)R(λ)＝I_Ref(λ)/R (2)

其中R(λ)表示分离出的激光进入雷达系统的耦合效率，I_Ref(λ)为雷达系统中探测器的各通道输出的电流值，可测量；

(c)、确定雷达系统中接收望远镜的有效通光孔径D_R，将标准的漫反射白板当作地物目标，将雷达系统出射的激光脉冲入射到标准的漫反射白板上，雷达系统与白板之间的距离是已知的，即可得到系统接收望远镜的有效通光孔径D_R,进一步得到系统各个通道的标定系数C_Cal(λ)为：

(d)、在雷达系统的探测区使用角反射器，获取雷达系统中各通道探测器靶面输出的激光器功率：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，I_Cor(λ)是利用角反射器反射的激光脉冲信号在各个通道对应的电流信号值，Q(λ)和I_Cor(λ)均可以准确测量，将(2)式和(3)式左右等式相除，得：

即可求取R(λ)的数值；

(e)、在一个脉冲的重复频率内，雷达系统的采集卡需要采集三次信号强度，从激光器中分离的光强度I_Ref(λ)、经过地物反射后的回波信号强度I′(λ)、系统本身的背景噪声I_BG(λ)；雷达系统在没有激光脉冲信号时，接收系统中探测器输出的强度信息为系统的背景噪声；回波信号强度I′(λ)包括真实的地物信号强度I(λ)和系统的背景噪声I_BG(λ)；即雷达系统在实际的机载飞行实验时，接收系统各个通道的探测器实际输出的信号I′(λ)为：

I′(λ)＝I(λ)+I_BG(λ) (7)

最后，将公式(2)、(7)、(10)、R(λ)的数值代入公式(1)中，得到雷达系统在机载飞行过程中，实际的地物反射谱β_G(λ)为：

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