CN111006762A - 一种基于led分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于，通过算法选择三色LED对空间遥感仪器的光谱通道对应的标准太阳光谱曲线进行拟合，得到LED的定标系数矩阵K；依次点燃LED光源，并分别将其引入空间遥感仪器和传递辐射计，得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率矩阵ρ_TRc；通过LED的定标系数矩阵K和单色光源情况下的传递辐射计响应率矩阵ρ_TRc，传递辐射计每个通道的综合响应系数为ρ_TR＝K·ρ_TRc′；通过传递辐射计和空间遥感仪器同时观测三色LED同时点亮的定标光源，分别得到传递辐射计的通道响应值矩阵S_TR；空间遥感仪器的响应值矩阵S_IM，计算得到遥感仪器各个通道的响应率矩阵ρ_IM＝(S_IM·/S_TR)·ρ_TR。本发明保证了空间遥感仪器星上定标的高精度。

Description

一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标 方法

技术领域

本发明属于空间遥感仪器星上辐射定标技术领域，更具体地说，涉及一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器高精度星上定标方法。

背景技术

随着科学研究的发展，尤其是在国民经济领域，农作物估产、矿物勘探、资源普查、环境监测等问题的研究需要高精度的空间遥感数据。空间遥感仪器在发射前后，由于定标传递链路断裂，导致在轨定标精度难以满足遥感应用的需求。因此，建立一个溯源于空间低温辐射计的空间遥感仪器在轨高精度定标链路是迫在眉睫的。

现有技术中对所述空间遥感仪器的星上定标主要有两种方式，一种是利用太阳光作为光源照射漫反射板，利用传递辐射计和空间遥感仪器同时观测所述漫反射板的方式实现定标。如：CN200410065927.X《星上全光路辐射定标方法》，通过在卫星平台上依次安装有高精度光谱辐射亮度计、待定标星载多光谱相机、由电机驱动的可转动漫反射白板，高精度光谱辐射亮度计与多光谱相机可同时测量同一目标-漫反射白板；需要定标时，由地面指令电机驱动漫反射白板旋转切入高精度光谱辐射亮度计与多光谱相机的入射光路，此时高精度光谱辐射亮度计与多光谱相机同时测量漫反射白板实现光谱相机的星上全光路辐射定标；定标任务完成后，再由地面指令转动电机带动漫反射白板旋转移动避开多光谱相机的光路，此时多光谱相机即恢复对地球目标的观测。

另一种是利用标准灯作为定标光源。相关技术有：CN200310124756.9《空间调制型干涉光谱成像仪星上定标方法》；CN200810051627.4《提高真空紫外定标光源稳定性的方法》；CN201210148172.4《红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法》，其定标光源包括定标光源A和定标光源B，定标光源A为四根并均匀分布在圆环上，定标光源B为两根并均匀分布在长板上，圆环和长板固定在一起，且圆环和长板的质心重合。

以上两种方式各有利弊，利用太阳光作为定标光源，可以保证空间遥感仪器定标光源和工作光源的一致性，避免因光谱不匹配引入误差，但是太阳光中的紫外成分会逐渐分解所述漫反射板表面的化学组分，引起漫反射板二向反射率的变化，而这种变化是难以在空间进行定量检测的；以标准灯作为定标光源，又会引入光谱不匹配误差。因此以上两种方式都难以满足定标需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有空间遥感仪器星上辐射定标方法中存在定标精度的问题，从而提出的一种基于LED分段拟合太阳光谱的辐射定标方法，具有定标精度高，寿命长等特点。

为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

步骤I：通过算法分别选择三色LED对空间遥感仪器的各个光谱通道所对应的标准太阳光谱曲线进行拟合，得到LED的定标系数矩阵K；

步骤II：依次点燃LED光源，并分别将其引入空间遥感仪器和传递辐射计，得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率矩阵ρ_TRc；

步骤III：通过LED的定标系数矩阵K和单色光源情况下的传递辐射计响应率矩阵ρ_TRc，计算传递辐射计每个通道的综合响应系数为ρ_TR＝K·ρ_TRc′；

步骤IV：通过传递辐射计和空间遥感仪器同时观测三色LED同时点亮的定标光源，分别得到传递辐射计的通道响应值矩阵S_TR；空间遥感仪器的响应值矩阵S_IM，计算得到遥感仪器各个通道的响应率矩阵ρ_IM＝(S_IM./S_TR)·ρ_TR。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其中，所述LED单色光源可以为所述空间低温辐射计和传递辐射计提供所述定标光源，以实现利用所述空间低温辐射计对所述传递辐射计的定标；另外所述LED光源还可以为所述传递辐射计和空间遥感仪器提供辐亮度均匀的面光源，以实现利用所述传递辐射计对所述空间遥感仪器的星上定标。由于所述辐亮度均匀的面光源中不包含紫外成分，因此不会分解所述漫反射板表面的化学组分，从而避免因此而引起的漫反射板二向反射率的变化，进而避免由于所述漫反射板二向反射率的变化而给所述空间遥感仪器的星上定标带来误差的情况出现。并且定标光源使用LED分段拟合太阳光谱，减小因定标光源和工作光源光谱不匹配造成的误差，利用激光二极管的稳定性来实现遥感仪器的高精度定标；并通过空间低温辐射计对LED光源、传递光路及漫反射板等定标链路在轨实时标定，解决目前在轨太阳直射漫反射板导致的反射率衰减、卤钨灯光源衰减引入的定标不确定度等问题，提高在轨基准传递精度。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种成像光谱仪星上定标方法的流程示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1：

步骤1：一种单色LED定标光源的选择，空间遥感仪器在轨工作大多数是利用太阳光作为工作光源，但是辐射定标过程中直接使用太阳光，必须将定标装置直接暴露在宇宙空间环境中，因此引起空间定标仪器的重大衰减，因此本发明设计使用性能稳定的LED作为空间定标光源；为了更好的标定遥感仪器的工作状态，使用遗传算法在反射太阳谱段选择最具代表性的15个光谱通道，即通过该15个光谱通道可以最佳拟合太阳光谱曲线。然后用三种单色LED分别对该15个光谱通道处10nm带宽的范围对太阳光谱曲线进行拟合，消除定标光源和工作光源光谱不匹配引入的误差(实现太阳光谱的拟合，自然达到消除或者说降低光源和工作光源光谱不匹配引入的误差)。得到LED定标系数矩阵如下：

且此矩阵每一行只有k_i,3i-2,k_i,3i-1,k_i,3i三个元素不为零，其余元素都为零。

步骤2：一种传递辐射计星上定标方法，低温辐射计定标传递辐射计时，采用LED输出的单色光作为定标光源，使用光纤将激光器出射的标准单色光分别导入低温辐射计和传递辐射计中，实现空间低温辐射计对传递辐射计的高精度功率定标。

低温辐射计定标传递辐射计的过程中，因低温辐射是总辐射通量的测量装置，故在此过程中45种单色LED是依次被导入系统，考虑定标的时间成本问题(由于LED灯在点亮之后需要大约三分钟左右的稳定时间，如果每个单独点亮，则需要大约45X3＝135min的稳定时间，这对每次定标的定标时间来说太大了，所以本实施例采用同时点亮预热)，LED被同时点亮进行预热处理，等到LED稳定后被依次导入定标光路；同时因为低温辐射计定标传递辐射计是低频次的定标，因此该过程的定标时间成本在可允许的范围内(低温辐射计定标传递辐射计是低频定标，因此此处定标使用45个LED光源依次进行，是可以允许的。而如果是传递辐射计定标成像光谱仪，因为此过程是高频次定标。再采用45个依次导入时间成本就会很大。在本实施例中，成像光谱仪定标中是采用45个LED一起导入)。通过以上操作得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率为：

ρ_TRc＝[ρ₁ ρ₂ K ρ₄₅]

通过步骤1中的定标系数矩阵可以得到，传递辐射计每个通道的综合响应系数为：

步骤3：一种传递辐射计定标遥感仪器方法，是通过将三种单色激光器输出的光通过匀光和准直装置产生均匀分布的准直光束照射漫反射板，产生朗伯光源，传递辐射计和空间遥感仪器同时观测漫反射板，实现传递辐射计对空间遥感仪器的高精度定标。

在此过程中，每个通道的三种单色LED灯是一起被导入定标系统的，因此得到传递辐射计的通道响应值，如下：

S_TR＝[S₁ S₂ K S₁₅]

成像光谱仪的响应值矩阵为：

S_IM＝[S_IM1 S_IM2 K S_IM15]

计算得到成像光谱仪各个通道的响应率矩阵为：

ρ_IM＝(S_IM./S_TR)·ρ_TR

结合图1，对本实施例应用于成像光谱仪星上定标进一步说明。

1、定标光谱通道的选择，通过标准太阳光谱AM1.5编写遗传算法，得到最具代表性的15个光谱通道，即通过选定的15个光谱通道的拟合对标准的太阳光谱的拟合精度最高。

2、三色LED对太阳光谱的分段拟合，根据市面上的LED的光谱特性，选择三种单色LED对步骤1中选择的15个光谱通道处，10nm带宽的太阳光谱进行拟合，使得LED对太阳光谱的分段拟合精度最高，得到LED定标系数矩阵K。

3、通过以单色LED作为定标光源，实现空间低温辐射计对传递辐射计的定标，具体如下图1，通过激光二极管组及其稳定系统设计，结合光纤耦合系统、准直及光源导入系统分析设计，将单色LED的输出光分别导入空间低温辐射计和传递辐射计，得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率矩阵ρ_TRc。

4、通过步骤2和步骤3，计算得到传递辐射计每个通道的综合响应系数为ρ_TR＝K·ρ_TRc′。

5、传递辐射计定标遥感仪器方法，是通过将三种单色激光器输出的光通过积分球和离轴抛物面产生均匀分布的准直光束照射漫反射板，产生朗伯光源，传递辐射计和空间遥感仪器同时观测漫反射板，在此过程中，每个通道的三种单色LED灯是一起被导入定标系统的，因此得到传递辐射计的通道响应值矩阵S_TR；空间遥感仪器的响应值矩阵S_IM，计算得到遥感仪器各个通道的响应率矩阵ρ_IM＝(S_IM./S_TR)·ρ_TR。

6、通过以上步骤，实现空间遥感仪器的多光谱通道定标，对传递精度进行评价，反过来调整整个定标传递链路的设计，最终实现空间遥感仪器的高精度定标。

本发明的一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器高精度星上定标方法，通过筛选定标太阳光谱通道，使用三色LED对太阳光谱进行分段拟合，通过合理设计LED光源的定标传递标准，消除空间遥感仪器定标光源和工作光源光谱通道不匹配所引入的误差，同时也避免了直接以太阳光作为定标光源，所造成的漫反射板衰减，以及多光谱仪器定标高精度仪器的定标系数的反演扩展精度低的问题。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申的显而易见地变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤I：通过算法选择三色LED对空间遥感仪器的光谱通道对应的标准太阳光谱曲线进行拟合，得到LED的定标系数矩阵K；

步骤II：依次点燃LED光源，并分别将其引入空间遥感仪器和传递辐射计，得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率矩阵ρ_TRc；

步骤III：通过LED的定标系数矩阵K和单色光源情况下的传递辐射计响应率矩阵ρ_TRc，传递辐射计每个通道的综合响应系数为ρ_TR＝K·ρ_TRc′；

步骤IV：通过传递辐射计和空间遥感仪器同时观测三色LED同时点亮的定标光源，分别得到传递辐射计的通道响应值矩阵S_TR；空间遥感仪器的响应值矩阵S_IM，计算得到遥感仪器各个通道的响应率矩阵ρ_IM＝(S_IM·/S_TR)·ρ_TR。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于步骤I中，使用遗传算法在反射太阳谱段选择最具代表性的15个光谱通道，即通过该15个光谱通道最佳拟合太阳光谱曲线；然后用三种单色LED分别对该15个光谱通道处10nm带宽的范围对太阳光谱曲线进行拟合，消除定标光源和工作光源光谱不匹配引入的误差；得到LED定标系数矩阵如下：

且此矩阵每一行只有k_i,3i-2,k_i,3i-1,k_i,3i三个元素不为零，其余元素都为零。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于步骤II中，使用光纤将激光器出射的标准单色光分别导入低温辐射计和传递辐射计中，实现空间低温辐射计对传递辐射计的高精度功率定标；

低温辐射计定标传递辐射计的过程中，因低温辐射是总辐射通量的测量装置，故在此过程中45种单色LED是依次被导入系统，考虑定标的时间成本问题，LED被同时点亮进行预热处理，等到LED稳定后被依次导入定标光路；同时因为低温辐射计定标传递辐射计是低频次的定标，因此该过程的定标时间成本在允许的范围内；通过以上操作得到传递辐射计在每种LED单独点亮时的响应率为：

ρ_TRc＝[ρ₁ ρ₂ K ρ₄₅]。

4.根据权利要求3所述的一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于步骤III中，传递辐射计每个通道的综合响应系数为：

5.根据权利要求3所述的一种基于LED分段拟合太阳光谱的空间遥感仪器星上定标方法，其特征在于步骤IV中，通过将三种单色激光器输出的光通过匀光和准直装置产生均匀分布的准直光束照射漫反射板，产生朗伯光源，传递辐射计和空间遥感仪器同时观测漫反射板，实现传递辐射计对空间遥感仪器的高精度定标。

在此过程中，每个通道的三种单色LED灯是一起被导入定标系统的，因此得到传递辐射计的通道响应值，如下：

S_TR＝[S₁ S₂ K S₁₅]；

成像光谱仪的响应值矩阵为：

S_IM＝[S_IM1 S_IM2 K S_IM15]；

计算得到成像光谱仪各个通道的响应率矩阵为：

ρ_IM＝(S_IM·/S_TR)·ρ_TR。

Images