CN111982282B - 太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法和系统，包括：通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪；采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪；分别采用标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。在本发明中，采用传递光谱仪，结合非线性测量的方法实现了对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，由于线性标定不需要量值源头，能够消除面积测量和双向反射分布函数测量引入的误差，标定的结果准确性好，精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及光学测试的技术领域，尤其是涉及一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法和系统。
背景技术
我国太阳反射谱段的光谱辐射亮度国家基准采用高温黑体BB3500M作为辐射源；光谱辐射亮度副基准采用钨带灯保存量值，溯源至高温黑体，量值水平近似等于高温黑体。太阳反射谱段，我国在轨轨道卫星的光学载荷测量的辐射信号几乎都来自地表反射的太阳光或云层反射的太阳光。国内通常采用地物光谱仪测量地表反射的光谱辐射亮度，并将数值反馈给卫星载荷，进行数据同步标定。然而，地表反射产生的光谱辐射亮度远远低于钨带灯，较钨带灯的光谱辐射亮度低约4个量级，采用钨带灯标定会直接饱和。同时，钨带灯的钨带面积过小，适用于小视场的光谱仪测量，不适用于大视场角的地物光谱仪。
目前，光谱仪太阳反射谱段的光谱辐射亮度标定都通过光谱辐射照度灯溯源至高温黑体BB3500M，量值溯源链条是高温黑体光谱辐射照度—光谱辐射照度灯和白板—待测光谱仪。当高温黑体的温度测量后，光谱辐射亮度可以由普朗克公式给出，而高温黑体光谱辐射照度必须涉及面积测量；光谱辐射照度灯和白板转换为光谱辐射亮度时，必须测量白板的双向反射分布函数。其中，光谱辐射照度灯结合漫反射白板的光谱辐射量值大小与户外地表反射的光谱辐射量值相当；光谱辐射照度灯和漫反射白板也可以标定积分球光源，然后由积分球光源进行光谱辐射亮度标定。总之，对于太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度的标定，分别涉及到面积测量和双向反射分布函数测量。而上述面积测量和双向反射分布函数测量会带来测量误差，进而导致光谱仪的光谱辐射亮度标定的准确性差。
综上，现有的太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定过程存在误差大，精确度低的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法和系统，以缓解现有的太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定过程误差大，精确度低的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法，包括：
通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪；
采用非线性测量装置对所述初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪；
分别采用所述标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
进一步的，通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定包括：
根据光谱辐射亮度响应度算式
计算所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R(λ)表示所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，LBB(λ)表示所述高温黑体在波长λ处的光谱辐射亮度，s(λ)表示所述传递光谱仪在所述高温黑体照射下波长λ处的信号；
采用所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对所述传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
进一步的，采用所述非线性测量装置标定的所述标定的传递光谱仪中包含多组在波长λ处的信号s(λ)与在波长λ处的光谱辐射亮度响应度R(λ)之间的对应关系。
进一步的，根据测量结果对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定包括：
根据标定值算式
计算所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R2(λ)表示所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s1(λ)表示所述标定的传递光谱仪测量所述预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号，R1(λ)表示所述标定的传递光谱仪中，与在波长λ处的信号s1(λ)对应的在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s2(λ)表示所述待测光谱仪测量所述预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号；
采用所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
进一步的，所述高温黑体包括3000K高温黑体。
进一步的，所述传递光谱仪中封装有衰减片。
进一步的，所述衰减片的透过率根据所述传递光谱仪的测量信号水平确定。
第二方面，本发明实施例还提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统，包括：高温黑体、传递光谱仪、非线性测量装置和待测光谱仪；
所述太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统采用上述第一方面中任一项所述的方法对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
在本发明实施例中，提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法，包括：通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪；采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪；分别采用标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。通过上述描述可知，在本发明中，采用传递光谱仪，结合非线性测量的方法实现了对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，由于线性标定不需要量值源头，能够消除面积测量和双向反射分布函数测量引入的误差，标定的结果准确性好，精度更高，缓解了现有的光谱仪的光谱辐射亮度标定过程误差大，精确度低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的高温黑体标定传递光谱仪的示意图；
图3为本发明实施例提供的非线性测量装置对传递光谱仪线性标定的示意图；
图4为本发明实施例提供的对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法进行详细介绍。
实施例一：
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法进行详细介绍，参见图1所示的一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法的流程示意图，主要包括以下步骤：
步骤S102，通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪；
图2为高温黑体标定传递光谱仪的示意图。在本发明实施例中，高温黑体的工作温度约为3000K，即高温黑体可以为3000K的高温黑体，高温黑体的光谱辐射量值太大，如果采用传递光谱仪直接测量，极易饱和。所以，测量时，根据传递光谱仪测量信号的水平制作不同透过率的衰减片，进而将制作的衰减片封装在传递光谱仪中，然后采用高温黑体进行传递光谱仪的光谱辐射亮度标定。
步骤S104，采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪；
上述步骤S102的过程只是完成了对传递光谱仪在一个光谱辐射亮度点的标定，得到初始标定的传递光谱仪，然后步骤S104进一步采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪。
上述标定的传递光谱仪中包括：多组在波长λ处的信号s(λ)与在波长λ处的光谱辐射亮度响应度R(λ)之间的对应关系。
也就是，完成上述线性标定后，就能得到多组s(λ)和R(λ)之间的对应关系。
具体可以采用图3所示的非线性测量装置对传递光谱仪线性标定，测量动态范围可达到5-6个量级的，覆盖3000K高温黑体辐射亮度至户外光谱辐射亮度水平。根据传递光谱仪的线性，修正高温黑体定标的传递光谱仪测量户外辐射亮度时引入的误差。
步骤S106，分别采用标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
具体可以采用图4所示的方式对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
在本发明实施例中，提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法，包括：通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪；采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪；分别采用标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。通过上述描述可知，在本发明中，采用传递光谱仪，结合非线性测量的方法实现了对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，由于线性标定不需要量值源头，能够消除面积测量和双向反射分布函数测量引入的误差，标定的结果准确性好，精度更高，缓解了现有的光谱仪的光谱辐射亮度标定过程误差大，精确度低的技术问题。
上述内容对本发明的太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法进行了简要介绍，下面对其中涉及到的具体内容进行详细描述。
在本发明的一个可选实施例中，步骤S102，通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定的过程包括如下(1)和(2)的步骤：
(1)根据光谱辐射亮度响应度算式
计算传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R(λ)表示传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，LBB(λ)表示高温黑体在波长λ处的光谱辐射亮度，s(λ)表示传递光谱仪在高温黑体照射下波长λ处的信号；
在上述算式中，高温黑体在波长λ处的光谱辐射亮度LBB(λ)已知，传递光谱仪在高温黑体照射下波长λ处的信号s(λ)能够在传递光谱仪上读取得到。
(2)采用传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
具体的，将传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度写入传递光谱仪，就能得到一组s(λ)与R(λ)之间的对应关系。
进而再采用非线性测量装置对初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪，具体为得到多组s(λ)与R(λ)之间的对应关系。
最后，分别采用标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，具体包括如下(i)至(ii)的步骤：
(i)根据标定值算式
计算待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R2(λ)表示待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s1(λ)表示标定的传递光谱仪测量预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号，R1(λ)表示标定的传递光谱仪中，与在波长λ处的信号s1(λ)对应的在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s2(λ)表示待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号；
测量时，可以在标定的传递光谱仪上读取得到s1(λ)，在待测光谱仪上读取得到s2(λ)，根据读取得到的s1(λ)，在上述对应关系中确定得到与s1(λ)对应的R1(λ)，将各个数值带入上述算式，便能计算得到待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度R2(λ)。
(ii)采用待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
在本发明中，预设光谱辐射亮度源的值可变，能够在不同的量值下对待测光谱仪进行标定，范围更广。
实施例二：
本发明实施例还提供了一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统，包括：高温黑体、传递光谱仪、非线性测量装置和待测光谱仪；
太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统采用上述实施例一中的方法对待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
本发明实施例所提供的太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法和系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定方法，其特征在于，包括：
通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定，得到初始标定的传递光谱仪，其中，所述高温黑体包括3000K高温黑体，所述传递光谱仪中封装有衰减片，所述衰减片的透过率根据所述传递光谱仪的测量信号水平确定；
采用非线性测量装置对所述初始标定的传递光谱仪进行线性标定，得到一段光谱辐射亮度区间标定的传递光谱仪，其中，所述传递光谱仪测量动态范围可达到5-6个量级的，覆盖3000K高温黑体辐射亮度至户外光谱辐射亮度水平；
分别采用所述标定的传递光谱仪和待测光谱仪测量预设光谱辐射亮度源，根据测量结果对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过高温黑体对传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定包括：
根据光谱辐射亮度响应度算式
计算所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R(λ)表示所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，LBB(λ)表示所述高温黑体在波长λ处的光谱辐射亮度，s(λ)表示所述传递光谱仪在所述高温黑体照射下波长λ处的信号；
采用所述传递光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对所述传递光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述非线性测量装置标定的所述标定的传递光谱仪中包含多组在波长λ处的信号s(λ)与在波长λ处的光谱辐射亮度响应度R(λ)之间的对应关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据测量结果对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定包括：
根据标定值算式
计算所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，其中，R2(λ)表示所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s1(λ)表示所述标定的传递光谱仪测量所述预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号，R1(λ)表示所述标定的传递光谱仪中，与在波长λ处的信号s1(λ)对应的在波长λ处的光谱辐射亮度响应度，s2(λ)表示所述待测光谱仪测量所述预设光谱辐射亮度源时在波长λ处的信号；
采用所述待测光谱仪在波长λ处的光谱辐射亮度响应度对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
5.一种太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统，其特征在于，包括：高温黑体、传递光谱仪、非线性测量装置和待测光谱仪；
所述太阳反射谱段光谱仪的光谱辐射亮度标定系统采用上述权利要求1至4中任一项所述的方法对所述待测光谱仪的光谱辐射亮度进行标定。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于高温黑体的傅里叶光谱测量系统响应度分段线性标定;宋旭尧等;《红外与激光工程》;20190730;第0718002-1页至第0718002-6页 * |
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