CN111174911A - 一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，涉及空间光学相机的绝对辐射定标方法，解决采用现有光谱分布可调谐光源完成所有地物定标系数不现实的问题，定标系统包括光源、单色仪、平行光管、标准辐射计、空间光学相机、卫星综合模拟器和图像数据采集系统；光源为单色仪提供稳定的宽光谱辐射光源，单色仪输出的单色光经平行光管转换为平行光，平行光经空间光学相机成像于焦平面探测器上，并将接收到的单色辐射光转换为数字图像数据，卫星综合模拟器为空间相机注入对应的成像参数，图像数据采集系统用于接收空间相机的数字图像数据并进行存储；定标方法采用基于绝对光谱响应度的任意地物的绝对辐射定标系数则可以改善该情况。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学相机的测试标定领域，具体涉及一种空间光学相机任 意地物绝对辐射定标方法。
背景技术
随着空间光学遥感技术的不断发展，定量遥感逐渐成为遥感应用发展趋势， 这就对空间光学遥感器的辐射定标精度提出更高的要求。在空间光学遥感器实 验室辐射定标时，定标光源除了应该具备良好的辐照度面均匀性和辐亮度角度 均匀性(朗伯特性)之外，其光谱分布还应该与遥感器在轨探测目标光谱保持 一致。大口径积分球光源是公认的理想的空间光学遥感器实验室辐射定标光源， 常用内置光源主要有溴钨灯和氙灯，两者的光谱分布相对固定，很难实现光谱 的可调，与光学遥感器在轨探测目标的光谱分布不匹配(简称光谱非匹配)。
为了解决光谱非匹配对辐射定标带来的影响，最直接的方式是研制光谱分 布可调谐光源用于空间光学相机的实验室辐射定标。2001年，英国的National PhysicalLaboratory最早设计了光谱分布可调谐光源系统，该系统的光源为溴钨 灯，溴钨灯发出的光首先聚焦到一个入射狭缝上，狭缝发出的光经过透镜经准 直透镜成为平行光，光栅将平行光色散成不同角度出射的平行单色光，聚焦透 镜将不同角度方向的单色光汇聚到透镜焦平面的不同位置，即在焦面上不同位 置形成了多个单色狭缝像，单色狭缝像经过焦平面上放置空间滤波器后入射到 积分球。空间滤波器用于改变不同位置处单色狭缝像的透过率，调整不同单色 狭缝像处空间滤波器透过特性即可改变积分球输出光谱分布(Proceedings of SPIE,2001,4295:259～266)。2002年，美国National Institute ofStandards and Technology提出了一种以LED为发光介质的光谱分布可调谐光源系统设计方 案。将装有大量不同峰值波长的窄带LED的灯头放入积分球，调整LED的驱动 电流和点亮数目，积分球即可输出不同光谱分布,光纤光谱仪用于实时监视光源 的光谱分布并反馈控制电脑，电脑通过计算模拟光谱与目标光谱的差异调整 LED的驱动电流，从而得到与目标光谱最为接近的光谱曲线(Journal of Research of the National Institute ofStandards and Technology,2002,107(4): 363-371.)。在我国，也开展了基于LED的光谱分布可调谐光源研究(光学精 密工程，2008，16(11)：2060-2064、APPLIED OPTICS,2011,50(9):C95-C99、 发光学报，2011，32(10)：1074.)。采用上述的光谱可调谐光源模拟典型地物光 谱(如草地、沙漠和柏油路等)用于空间光学相机的实验室辐射定标，考虑到 地物光谱种类繁多，实际定标过程中不可能完成所有地物的定标，并且待相机 随卫星发射之后未完成的地物的定标系数不能进行补救标定，影响到定量遥感 的应用。为了彻底解决光谱不匹配对辐射定标带来的影响，发明了一种基于绝 对光谱响应度的空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法。
发明内容
本发明为了解决采用现有光谱分布可调谐光源完成所有地物定标系数不现 实，采用光谱可调谐光源模拟所有典型地物光谱对空间光学相机绝对辐射定标 将耗费巨大人力、物力和时间以及采用可调谐光源完成所有地物定标系数不现 实等的问题，提供一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法。
一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，包括空间光学相机光谱定 标系统，所述定标系统包括光源、单色仪、平行光管、标准辐射计、空间光学 相机、卫星综合模拟器和图像数据采集系统；
所述光源为单色仪提供稳定的宽光谱辐射光源，单色仪输出的单色光经平 行光管转换为平行光，所述平行光经空间光学相机成像于焦平面探测器上，并 将接收到的单色辐射光转换为数字图像数据，所述卫星综合模拟器为空间相机 注入对应的成像参数，图像数据采集系统用于接收空间相机的数字图像数据并 进行存储；
该方法包括以下步骤：
步骤一、通过空间光学相机光谱定标系统完成空间光学相机相对光谱响应 度测试，获得相机相对光谱响应度；
步骤二、采用光源标定出单波长绝对光谱响应度；
步骤三、根据步骤二获得的单波长绝对光谱响应度和步骤一获得的相对光 谱响应度计算获得相机的绝对光谱响应度；
步骤四、采用光谱辐射计和标准白板完成地物光谱反射率的采集；
步骤五、根据空间光学相机的绝对光谱响应度以及步骤四采集的地物光谱 反射率获得地物的辐射定标系数，实现对任意地物绝对辐射定标。
本发明的有益效果：本发明所述的定标方法采用基于绝对光谱响应度的任 意地物的绝对辐射定标方法，无需模拟任意地物光谱来完成绝对定标系数的标 定，对定标系统的要求减少，大大节省了辐射定标时间、人力和物力，更易于 实现。即使空间光学相机已随卫星发射在轨运行，根据本发明只需完成典型地 物光谱的采集同样可以得到该地物的绝对定标系数。
附图说明
图1为本发明所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法的流程 图；
图2为本发明所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法中空间 光学相机光谱定标系统的结构框图；
图3为本发明所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法中单色 LED与归一化相对光谱响应曲线示意图；
图4为本发明所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法中典型 地物相对光谱反射率测试系统的结构示意图。
图中：1、光源，2、单色仪，3、平行光管，4、标准辐射计，5、空间光 学相机，6、卫星综合模拟器，7、图像数据采集系统8、太阳，9、典型地物， 10、光谱辐射计，11、标准白板。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种空间光学相机任 意地物绝对辐射定标方法，该方法包括以下步骤：
第一步，通过空间光学相机光谱定标系统完成空间光学相机相对光谱响应 度测试工作；
第二步，采用单色LED积分球光源标定出单波长绝对光谱响应度；
第三步，根据单波长绝对光谱响应度和相对光谱响应度计算得到相机的绝 对光谱响应度函数。
第四步，使用光谱辐射计和标准白板完成地物光谱反射率的采集。
第五步，综合成像时刻太阳照明情况、典型地物的光谱反射率以及空间光 学相机的绝对光谱响应曲线，既可得到典型地物的辐射定标系数。
结合图2说明本实施方式，空间光学相机光谱定标系统由光源1、单色仪2、 平行光管3、标准辐射计4、空间光学相机5、卫星综合模拟器6和图像数据采 集系统7组成。光源1为单色仪2提供稳定的宽光谱辐射照明，单色仪输出的 单色光经平行光管3转换为平行光，再经空间光学相机5成像于焦平面探测器 上，并将接收到的单色辐射转换为数字图像数据，卫星综合模拟器6为空间相 机注入适合的成像参数，图像数据采集系统7进行图像数据的采集和存储。单 色仪2按一定的波长(如：2nm)间隔输出单色光，图像数据采集系统7与单色仪配合，记录各波长的图像数据D(λ)。
采用标准辐射计4替换空间相机，入光口与平行光管等高同心，用于测试 平行光管3出光口处的辐射照度。单色仪2按一定的波长间隔输出单色光，标 准辐射计4同步采集平行光管3出光口处各波长对应的辐射照度E(λ)。
所述平行光管输出的单色光直接入射到空间光学相机时，按公式(1)计算 相对光谱响应度。
结合图3说明本实施方式，本实施方式中，第二步的具体过程为：所选单 色LED应位于归一化相对光谱响应度平缓均匀谱段区间，以提高单波长点的绝 对响应定标精度，LED的峰值波长为λp，按照公式(2)计算峰值波长处的绝对 响应度R(λp)，响应度单位为DN/(W/m2/Sr)，
其中，DN为空间光学相机响应，L(λ)为LED积分球光源产生的光谱辐射 亮度、λ1和λ2为相机的起始和终止波长。
本实施方式中，第三步的具体过程为：获取空间光学相机绝对光谱响应度 函数。按公式(3)计算相机的绝对光谱响应度R*(λ)。
其中，R0(λp)为λp波长位置处的相对光谱响应值。
结合图4说明本实施方式，第四步的具体过程为：典型地物光谱反射测试 系统由太阳8、典型地物9、光谱辐射计10和标准白板11组成。太阳8发出的 光均匀照射典型地物9，光谱辐射计10沿典型地物9法线45度方向测量典型地 物9反射的光谱辐射亮度L地物(λ)，将标准白板移动至典型地物上方，光谱辐射 计10沿标准白板法线45度方向测量标准白板反射的光谱辐射亮度L白板(λ)，根据 公式(4)计算光谱典型地物的光谱反射率ρ地物(λ)。
其中，ρ白板(λ)为白板的光谱反射率。
本实施方式中，第五步的典型地物绝对定标系数获取按照公式(5)计算典 型地物绝对定标系数R地物。
其中，E(λ)成像时刻的地物的光谱辐射照度。
本实施方式所述的空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，为消除光谱 非匹配带来的辐射定标误差提供了技术手段，可广泛应用于定标遥感领域。
Claims (6)
1.一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征是：包括空间光学相机光谱定标系统，所述定标系统包括光源(1)、单色仪(2)、平行光管(3)、标准辐射计(4)、空间光学相机(5)、卫星综合模拟器(6)和图像数据采集系统(7)；
所述光源(1)为单色仪(2)提供稳定的宽光谱辐射光源，单色仪(2)输出的单色光经平行光管(3)转换为平行光，所述平行光经空间光学相机(5)成像于焦平面探测器上，并将接收到的单色辐射光转换为数字图像数据，所述卫星综合模拟器(6)为空间相机注入对应的成像参数，图像数据采集系统(7)用于接收空间相机的数字图像数据并进行存储；
该方法包括以下步骤：
步骤一、通过空间光学相机光谱定标系统完成空间光学相机相对光谱响应度测试，获得相对光谱响应度；
步骤二、采用标定出单波长绝对光谱响应度；
步骤三、根据步骤二获得的单波长绝对光谱响应度和步骤一获得的相对光谱响应度计算获得相机的绝对光谱响应度；
步骤四、采用光谱辐射计和标准白板完成地物光谱反射率的采集；
步骤五、根据空间光学相机的绝对光谱响应度以及步骤四采集的地物光谱反射率获得地物的辐射定标系数，实现对任意地物绝对辐射定标。
2.根据权利要求1所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征在于：步骤一中，计算相对光谱响应度的具体过程为：
单色仪(2)按等波长间隔输出单色光，图像数据采集系统(7)与单色仪配合，记录各等波长的图像数据；
采用标准辐射计(4)代替空间光学相机(5)，将标准辐射计(4)入光口与平行光管等高同心，标准辐射计(4)用于测试平行光管(3)出光口处的辐射照度；单色仪(2)按等波长间隔输出单色光，标准辐射计(4)同步采集平行光管(3)出光口处各等波长对应的辐射照度E(λ)；
所述平行光管(3)输出的单色光入射到空间光学相机(5)时，计算相机相对光谱响应度Ro(λ)；
式中，D(λ)为各波长的图像数据。
3.根据权利要求1所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：
采用单色LED积分球光源，设定所述单色LED积分球光源的峰值波长为λp，采用下式计算所述峰值波长的绝对响应度R(λp)；
式中，DN为空间光学相机响应，L(λ)为LED积分球光源产生的光谱辐射亮度，λ1和λ2为空间光学相机的起始波长和终止波长。
4.根据权利要求1所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征在于：步骤三中，相机的绝对光谱响应度的计算公式为：
其中，R0(λp)为λp波长位置处的相对光谱响应值。
5.根据权利要求1所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征在于：步骤四中，所述地物光谱反射率的采集过程为：设置地物光谱反射测试系统，该测试系统包括典型地物(9)、光谱辐射计(10)和标准白板(11)；
太阳(8)发出的光均匀照射典型地物(9)，光谱辐射计(10)沿典型地物(9)法线45度方向测量典型地物(9)反射的光谱辐射亮度L地物(λ)；
将所述标准白板移动至典型地物(9)上方，所述光谱辐射计(10)沿标准白板法线45度方向测量标准白板反射的光谱辐射亮度L白板(λ)，根据下式计算典型地物的光谱反射率ρ地物(λ)；
式中，ρ白板(λ)为白板的光谱反射率。
6.根据权利要求1所述的一种空间光学相机任意地物绝对辐射定标方法，其特征在于：步骤五中，获得地物的辐射定标系数，采用下式为：
式中，E(λ)为成像时刻的地物的光谱辐射照度。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |