CN112504448B - 一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法 - Google Patents

一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法 Download PDF

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CN112504448B CN202011290915.2A CN202011290915A CN112504448B CN 112504448 B CN112504448 B CN 112504448B CN 202011290915 A CN202011290915 A CN 202011290915A CN 112504448 B CN112504448 B CN 112504448B
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Abstract

本发明公开了一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，首先选取高精度标准卤钨灯作为辐照度定标光源，使其直接照射成像光谱仪的星上定标板，基于照射距离、照射角度可得到星上定标板上不同位置处的辐照度值，然后设置成像光谱仪为定标模式以实现对星上定标板的观测，设置紫外通道为高曝光、高增益工作参数以保证定标数据具有较高信噪比，基于星上定标板处辐照度值、紫外通道观测的定标数据可得到每个探测像元对应的辐照度定标系数，其次选取高功率紫外增强型氙灯照射星上定标板，基于获取的辐照度定标系数可标定出氙灯在星上定标板上不同位置处的辐照度值，获取到此辐照度值后，基于氙灯在紫外波段的高辐射强度可实现紫外通道低曝光、低增益下的高精度辐照度定标。本发明以高精度标准卤钨灯作为标准辐照度源，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，实现了紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。

Description

一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法
技术领域
本发明属于星载成像光谱仪紫外波段遥感数据应用领域，具体涉及一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法。
背景技术
星载成像光谱仪在轨运行时通过漫反射板获取太阳参考谱，太阳参考谱的辐照度值由成像光谱仪的辐照度定标系数得到，因此高精度的辐照度定标系数是获取精确太阳参考谱的前提和保证。
目前常用的辐照度定标方法为，选取标准卤钨灯作为定标光源，获取成像光谱仪不同入射角度下的辐照度定标系数，但卤钨灯在紫外波段辐射强度较弱，很难对成像光谱仪紫外通道进行高精度的辐照度定标，而高功率紫外增强型氙灯没有提供标准辐照度值，无法单独使用，因此有必要结合标准卤钨灯和氙灯，提出一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，实现紫外波段的高精度辐照度定标。
目前国外同类型的具有紫外通道探测的成像光谱仪OMI(Ozone MonitoringInstrument)的辐照度定标时，采用NIST标定后的1000W石英卤钨灯，石英卤钨灯直接照射到星上定标板上，灯和定标板的距离为1363±2mm，入射方位角和俯仰角为标称值(参见Marcel R.Dobber,et al.Ozone Monitoring Instrument Calibration.IEEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,44(5),2003:1209-1238.)，TROPOMI(Tropospheric Monitoring Instrument)在辐照度定标时，采用NIST校准的1000W石英卤钨灯，将FEL灯置于三个位置重复绝对辐照度测量(参见Quintus Kleipool,et al.Pre-launch calibration results of the TROPOMI payload on-board the Sentinel-5Precursor satellite,11,2018:6439–6479)。
综上所述，目前对成像光谱仪进行辐照度定标时，由于氙灯无法提供标准的辐照度值，通常采用1000W标准卤钨灯对紫外探测通道进行标定，因卤钨灯在紫外波段辐射强度较弱，无法保证紫外探测通道在低曝光时间、低增益下的辐照度定标精度
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采用标准卤钨灯和高功率紫外增强型氙灯相结合，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，提供星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，实现了紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。该方法采用标准卤钨灯和高功率紫外增强型氙灯相结合，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，实现了紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，首先选取高精度标准卤钨灯作为辐照度定标光源，得到星上定标板上不同位置处的辐照度值，获取到紫外通道高曝光、高增益工作参数下每个探测像元对应的辐照度定标系数，其次标定高功率紫外增强型氙灯，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，以实现紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。
具体实现方法如下：一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，包括如下步骤：
第一步，辐照度定标距离、定标角度确定；
辐照定标中选取的1000W标准卤钨灯(可溯源至NIST)能够提供在灯距L0处的标准辐照度值I0(λ)，λ为波长，定标选取辐照度定标距离L1，基于星载成像光谱仪轨道高度、升/降交点时间及在轨辐照度定标特性，可以确定辐照度定标方位角
Figure GDA0003994690540000021
的变化范围，基于在轨辐照度定标时长可确定俯仰角θ的变化范围；
第二步，获取星上定标板处的辐照度值；
首先基于L0处的标准辐照度值I0(λ)，得到在距离L1处垂直照射下的辐照度I1(λ)，此辐照度基于距离平方反比关系得到，然后根据定标方位角
Figure GDA0003994690540000022
及俯仰角θ得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure GDA0003994690540000023
基于
Figure GDA0003994690540000024
对I1(λ)进行余弦修正，进而得到定标距离L1及定标角度
Figure GDA0003994690540000025
θ对应的定标板处的辐照度值
Figure GDA0003994690540000026
第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数；
设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA0003994690540000027
i＝1～N为采集幅序数，以保证观测数据
Figure GDA0003994690540000028
具有较高信噪比，然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000029
以进一步提高信噪比，基于
Figure GDA00039946905400000210
和辐照度值
Figure GDA00039946905400000211
可得到辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000212
第四步，标定高功率紫外增强型氙灯；
采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2，采集N幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA0003994690540000031
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000032
基于
Figure GDA0003994690540000033
和辐照度定标系数
Figure GDA0003994690540000034
可得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure GDA0003994690540000035
第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标；
调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g，采集N幅氙灯观测数据
Figure GDA0003994690540000036
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000037
基于
Figure GDA0003994690540000038
和辐照度值
Figure GDA0003994690540000039
可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000310
具体的，通过如下步骤实现：
1、第一步，辐照度定标距离、定标角度确定，具体实现如下：
(1)调整标准卤钨灯的位置，设定其到定标板的距离为L1；
(2)基于星载成像光谱仪轨道参数及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角
Figure GDA00039946905400000321
的变化范围，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围。
2、第二步，获取星上定标板处的辐照度值，具体实现如下：
(1)基于L0处的标准辐照度值I0(λ)得到在距离L1处垂直照射下的辐照度
Figure GDA00039946905400000311
(2)根据定标方位角
Figure GDA00039946905400000312
及俯仰角θ进行坐标系转换，得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure GDA00039946905400000313
(3)基于
Figure GDA00039946905400000314
对I1(λ)进行余弦修正，得到定标板处的辐照度值
Figure GDA00039946905400000315
3、第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数，具体实现如下：
(1)设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA00039946905400000316
(2)对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA00039946905400000317
(3)基于
Figure GDA00039946905400000318
和辐照度值
Figure GDA00039946905400000319
可得到辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000320
4、第四步，标定高功率紫外增强型氙灯，具体实现如下：
(1)采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2；
(2)采集N幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA0003994690540000041
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000042
(3)基于
Figure GDA0003994690540000043
和辐照度定标系数
Figure GDA0003994690540000044
可得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure GDA0003994690540000045
5、第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标，具体实现如下：
(1)首先调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g；
(2)采集N幅氙灯观测数据
Figure GDA0003994690540000046
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000047
(3)基于
Figure GDA0003994690540000048
和辐照度值
Figure GDA0003994690540000049
可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000410
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用NIST标定的1000W卤钨灯作为标准辐照度源，能够保证紫外通道在高曝光、高增益下的定标精度。
(2)本发明采用星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，保证了传递中介和标定目标仪器的一致性，保证了标准传递的精度。
(3)本发明采用标定后的高功率紫外增强型氙灯对紫外通道进行辐照度定标，可以进一步提高低曝光、低增益下的辐照度定标精度。
附图说明
图1为星载成像光谱仪紫外波段辐照度定标的获取流程；
图2为NIST标定的1000W卤钨灯在40cm和50cm处的辐照度值；
图3为星载成像光谱仪紫外波段对图2中40cm处辐照度值的响应值；
图4为星载成像光谱仪紫外波段观测的高功率紫外增强型氙灯定标数据；
图5为基于高功率紫外增强型氙灯标定的辐照度定标结果。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1～图5所示，本发明中，一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，采用NIST标定的1000W卤钨灯作为标准辐照度源，为解决紫外通道在高曝光、高增益下的定标精度的问题，采用星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，能够提高标准传递的精度，采用标定后的高功率紫外增强型氙灯对紫外通道进行辐照度定标，可以进一步提高低曝光、低增益下的辐照度定标精度。
第一步，辐照度定标距离、定标角度确定；
辐照定标中选取的1000W标准卤钨灯(可溯源至NIST)能够提供在灯距L0处的标准辐照度值I0(λ)，λ为波长，定标选取辐照度定标距离L1，基于星载成像光谱仪轨道高度、升/降交点时间及在轨辐照度定标特性，可以确定辐照度定标方位角
Figure GDA0003994690540000051
的变化范围，基于在轨辐照度定标时长可确定俯仰角θ的变化范围；
第二步，获取星上定标板处的辐照度值；
首先基于L0处的标准辐照度值I0(λ)，得到在距离L1处垂直照射下的辐照度I1(λ)，此辐照度基于距离平方反比关系得到，然后根据定标方位角
Figure GDA0003994690540000052
及俯仰角θ得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure GDA0003994690540000053
基于
Figure GDA0003994690540000054
对I1(λ)进行余弦修正，进而得到定标距离L1及定标角度
Figure GDA0003994690540000055
θ对应的定标板处的辐照度值
Figure GDA0003994690540000056
第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数；
设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA0003994690540000057
i＝1～N为采集幅序数，以保证观测数据
Figure GDA0003994690540000058
具有较高信噪比，然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000059
以进一步提高信噪比，基于
Figure GDA00039946905400000510
和辐照度值
Figure GDA00039946905400000511
得到辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000512
所述高曝光时间是指曝光时间t≥1500ms；所述高增益是指增益g≥2.5倍；
第四步，标定高功率紫外增强型氙灯；
采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2，采集N幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA00039946905400000513
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA00039946905400000514
基于
Figure GDA00039946905400000515
和辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000516
可得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure GDA00039946905400000517
第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标；
调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g，采集N幅氙灯观测数据
Figure GDA0003994690540000061
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000062
基于
Figure GDA0003994690540000063
和辐照度值
Figure GDA0003994690540000064
可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure GDA0003994690540000065
根据本发明的一个实施例上面的各步骤具体实施如下：
1、第一步，辐照度定标距离、定标角度确定，具体实现如下：
(1)调整标准卤钨灯的位置，设定其到定标板的距离为L1＝40cm；
(2)基于星载成像光谱仪轨道参数及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角
Figure GDA0003994690540000066
的变化范围为13°～30°，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围为5°～10°。
2、第二步，获取星上定标板处的辐照度值，具体实现如下：
(1)如图2所示，基于L0＝50cm处的标准辐照度值I0(λ)得到在距离L1＝40cm处垂直照射下的辐照度
Figure GDA0003994690540000067
(2)根据定标方位角
Figure GDA0003994690540000068
及俯仰角θ进行坐标系转换，得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure GDA0003994690540000069
(3)基于
Figure GDA00039946905400000610
对I1(λ)进行余弦修正，得到定标板处的辐照度值
Figure GDA00039946905400000611
3、第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数，具体实现如下：
(1)设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N＝100幅高曝光时间t＝2000ms、高增益g＝63工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA00039946905400000612
(2)对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA00039946905400000613
平均值如图3所示；
(3)基于
Figure GDA00039946905400000614
和辐照度值
Figure GDA00039946905400000615
可得到辐照度定标系数
Figure GDA00039946905400000616
4、第四步，标定高功率紫外增强型氙灯，具体实现如下：
(1)采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2＝40cm；
(2)采集N＝100幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure GDA00039946905400000617
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000071
平均值如图4所示。
(3)基于
Figure GDA0003994690540000072
和辐照度定标系数
Figure GDA0003994690540000073
可得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure GDA0003994690540000074
5、第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标，具体实现如下：
(1)首先调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g；
(2)采集N＝100幅氙灯观测数据
Figure GDA0003994690540000075
然后对N＝100幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure GDA0003994690540000076
(3)基于
Figure GDA0003994690540000077
和辐照度值
Figure GDA0003994690540000078
可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure GDA0003994690540000079
图5为低曝光时间t＝400ms、低增益g＝0下的辐照度定标系数。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，辐照度定标距离、定标角度确定；
辐照定标中选取的1000W标准卤钨灯能够提供在灯距L0处的标准辐照度值I0(λ)，λ为波长，定标选取辐照度定标距离L1，基于星载成像光谱仪轨道高度、升/降交点时间及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角
Figure FDA0003994690530000011
的变化范围，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围；
第二步，获取星上定标板处的辐照度值；
首先基于L0处的标准辐照度值I0(λ)，得到在距离L1处垂直照射下的辐照度I1(λ)，此辐照度基于距离平方反比关系得到，然后根据定标方位角
Figure FDA0003994690530000012
及俯仰角θ得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure FDA0003994690530000013
基于
Figure FDA0003994690530000014
对I1(λ)进行余弦修正，进而得到定标距离L1及定标角度
Figure FDA0003994690530000015
θ对应的定标板处的辐照度值
Figure FDA0003994690530000016
第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数；
设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据
Figure FDA0003994690530000017
i＝1～N为采集幅序数，以保证观测数据
Figure FDA0003994690530000018
具有较高信噪比，然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA0003994690530000019
以进一步提高信噪比，基于
Figure FDA00039946905300000110
和辐照度值
Figure FDA00039946905300000111
得到辐照度定标系数
Figure FDA00039946905300000112
所述高曝光时间是指曝光时间t≥1500ms；所述高增益是指增益g≥2.5倍；
第四步，标定高功率紫外增强型氙灯；
采用紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2，采集N幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure FDA00039946905300000113
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA00039946905300000114
基于
Figure FDA00039946905300000115
和辐照度定标系数
Figure FDA00039946905300000116
得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure FDA00039946905300000117
第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标；
调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g，采集N幅氙灯观测数据
Figure FDA00039946905300000118
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA00039946905300000119
基于
Figure FDA00039946905300000120
和辐照度值
Figure FDA00039946905300000121
得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure FDA0003994690530000021
2.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述第一步，辐照度定标距离、定标角度确定，获取具体实现如下：
(11)调整标准卤钨灯的位置，设定其到定标板的距离为L1；
(12)基于星载成像光谱仪轨道参数及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角
Figure FDA0003994690530000022
的变化范围，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围。
3.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述第二步，获取星上定标板处的辐照度值，具体实现如下：
(21)基于L0处的标准辐照度值I0(λ)得到在距离L1处垂直照射下的辐照度
Figure FDA0003994690530000023
(22)根据定标方位角
Figure FDA0003994690530000024
及俯仰角θ进行坐标系转换，得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角
Figure FDA0003994690530000025
(23)基于
Figure FDA0003994690530000026
对I1(λ)进行余弦修正，得到定标板处的辐照度值
Figure FDA0003994690530000027
4.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数，具体实现如下：
(31)设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集N幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据
Figure FDA0003994690530000028
(32)对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA0003994690530000029
(33)基于
Figure FDA00039946905300000210
和辐照度值
Figure FDA00039946905300000211
得到辐照度定标系数
Figure FDA00039946905300000212
5.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述第四步，标定高功率紫外增强型氙灯，具体实现如下：
(41)采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为L2；
(42)采集N幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据
Figure FDA00039946905300000213
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA00039946905300000214
(43)基于
Figure FDA0003994690530000031
和辐照度定标系数
Figure FDA0003994690530000032
得到氙灯在定标板处的辐照度值
Figure FDA0003994690530000033
6.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标，具体实现如下：
(51)首先调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g；
(52)采集N幅氙灯观测数据
Figure FDA0003994690530000034
然后对N幅观测数据进行平均得到观测数据平均值
Figure FDA0003994690530000035
(53)基于
Figure FDA0003994690530000036
和辐照度值
Figure FDA0003994690530000037
得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数
Figure FDA0003994690530000038
7.根据权利要求1所述的星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，其特征在于：所述紫外增强型氙灯为1000W高功率紫外增强型氙灯。
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