CN113686797B - 一种基于双漫透射板的成像光谱仪在轨定标方法 - Google Patents

一种基于双漫透射板的成像光谱仪在轨定标方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,包括步骤一、计算太阳光照射工作板的角度;步骤二、获取临边扫描镜扫描工作板的参数;步骤三、监测工作板的衰变;步骤四、计算工作板透射面辐亮度值;步骤五、利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数。本发明以双透射板进行在轨定标,保证了定标光路和临边扫描光路的一致性,能够获取透射板在轨衰变监测参数,实现了高光谱临边扫描成像光谱仪在轨不同临边扫描方向上的高精度定标。

Description

一种基于双漫透射板的成像光谱仪在轨定标方法
技术领域
本发明涉及星载高光谱临边扫描成像光谱仪遥感探测领域,具体涉及一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法。
背景技术
高光谱临边扫描成像光谱仪采用一种水平凝视、垂直扫描的临边观测方式,水平覆盖200km,垂直扫描空间范围5km-75km,垂直扫描空间分辨率2km,基于大气在不同高度的辐射强度不同,在不同扫描高度设置不同的工作参数以保证高信噪比的遥感探测,为保证光谱仪在轨探测性能,需要基于其观测特性选取相应的在轨定标方法。
国外探测紫外可见波段的高光谱临边观测载荷主要为SCIAMACHY和OMPS,其中SCIAMACHY在轨定标采用双漫反射铝板,一个安装在方位角扫描镜上,一个安装在俯仰角扫描镜上,定标时太阳光入射到铝板产生漫反射光,以完成在轨定标(C.E.Sioris,T.P.Kurosu,et al.Stratospheric and tropospheric NO2 observed by SCIAMACHY:first results[J].Advances in Space Research.2004,34:780-785.)。OMPS有三个独立的垂直视场对地球临边凝视观测,其无法进行水平覆盖探测,垂直方向未安装扫描镜,在轨定标采用定标转轮,转轮上的开孔安装有漫透射板,太阳入射到漫透射板上,利用漫透射光完成在轨定标,定标时OMPS不对透射板进行扫描观测(Didier F.Rault,Rober Spurr.TheOMPS Limb Profiler instrument Two-Dimensional retrieval algorithm.ProceedignsofSPIE Vol.7827(2010):78270P.)。
综上所述,目前还未实现基于水平凝视、垂直扫描方式的高光谱临边扫描成像光谱仪的在轨定标,以实现高光谱临边扫描成像光谱仪在轨不同临边扫描方向上的高精度定标。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,在轨太阳入射到漫透射板上,基于照射条件和透射板光学参数计算透射散射光强度,然后扫描镜对漫透射板进行扫描,以完成不同扫描角度下的在轨高精度定标。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,双漫透射板中使用频次较高的用于常规在轨定标的透射板记为工作板,使用频次较低的用于监测工作板衰变的透射板记为参考板,首先计算太阳光照射工作板的角度,并获取临边扫描镜扫描工作板的参数,然后监测工作板的衰变,基于此计算工作板透射面辐亮度值,最后利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数。
具体实现方法如下:一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,包括如下步骤:
第一步,计算太阳光照射工作板的角度;
高光谱临边扫描成像光谱仪每周观测一次工作板,基于该成像光谱仪的在轨定标时刻,定标时刻的日地距离d,以及工作板与太阳的相对位置,计算得到太阳光照射工作板的俯仰角θi和方位角φi
第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数;
首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,工作参数包括扫描俯仰角θv和方位角φv,扫描俯仰角间隔Δθv和方位角间隔Δφv,单次扫描的驻留时间t(θvv);然后设置临边扫描镜扫描工作板的工作参数;
第三步,监测工作板的衰变;
成像光谱仪每两个月观测一次参考板,参考板和工作板为相邻轨道,以保证太阳照射两个透射板角度的一致性,然后设置临边扫描参考板与临边扫描工作板的工作参数保持一致,并查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ),其中λ为波长;获取成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),并进行暗背景、增益校正后得到S′Riivv,λ)和S′Wiivv,λ);然后可得出工作板的衰变量δ(θiivv,λ),并对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的工作板的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ);
第四步,计算工作板透射面辐亮度值;
选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到太阳光谱I′(d0,λ),并进行日地距离校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳光谱I″(d0,λ),然后基于太阳照射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,基于工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),计算得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ);
第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数;
获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到响应值S′(θiivv,λ),基于该响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出成像光谱仪响应系数,即绝对辐射定标系数α(λ),完成在轨定标;
其中,所述第一步,计算太阳光照射工作板的角度,具体步骤包括:
(11)获取成像光谱仪在轨定标时刻、定标时的日地距离为d;
(12)基于工作板的安装矩阵、工作板与太阳的相对位置、所述在轨定标时刻和定标时的日地距离为d,得到太阳光照射工作板的俯仰角θi和方位角φi
其中,所述第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数,具体步骤包括:
(21)首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,工作参数包括扫描俯仰角θv和方位角φv,扫描俯仰角间隔Δθv和方位角间隔Δφv,单次扫描的驻留时间t(θvv);
(22)然后设置临边扫描镜扫描工作板的工作参数和扫描大气层工作参数一致;
其中,所述第三步,监测工作板的衰变,具体步骤包括:
(31)设置临边扫描参考板与工作板的工作参数保持一致,设置工作板和参考板为相邻轨道;
(32)得到成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),分别进行暗背景、增益校正后,得到观测参考板的响应信号为S′Riivv,λ),观测工作板的响应信号为S′Wiivv,λ);
(33)基于S′Riivv,λ)和的S′Wiivv,λ)相对差异,可得出工作板的衰变量
Figure GDA0004233611970000031
(34)查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ),基于衰变量δ(θiivv,λ)对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ)=δ(θiivv,λ)·BRiivv,λ)。
其中,所述第四步,计算工作板透射面辐亮度值,具体步骤包括:
(41)选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到太阳光谱I′(d0,λ);
(42)对太阳参考光谱I′(d0,λ)进行日地距离d校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳参考谱
Figure GDA0004233611970000032
(43)基于太阳照射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,得到工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),然后基于太阳参考谱I″(d,λ)得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)=I″(d,λ)·B′(θiivv,λ)。
其中,所述第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数,具体步骤包括:
(51)获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到S′(θiivv,λ);
(52)基于成像光谱仪的响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出成像光谱仪响应系数,即成像光谱仪响应系数绝对辐射定标系数
Figure GDA0004233611970000041
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)实现了基于水平凝视、垂直扫描方式的高光谱临边扫描成像光谱仪的在轨定标。
(2)扫描镜对漫透射板进行扫描,可以对不同扫描角度进行在轨定标,提高了临边扫描成像光谱仪不同扫描方向上的定标精度。
附图说明
图1为在轨定标方法流程图;
图2为临边扫描在轨定标示意图;
图3为透射板双向透射分布函数。
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3所示,本发明中,一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,在轨太阳入射到漫透射板上,基于照射条件和透射板光学参数计算透射散射光强度,然后扫描镜对漫透射板进行扫描,以完成不同扫描角度下的在轨高精度定标。
第一步,计算太阳光照射工作板的角度;
高光谱临边扫描成像光谱仪每周观测一次工作板,基于成像光谱仪在轨定标时刻,定标时刻的日地距离d,工作板与太阳的相对位置,计算得到太阳光照射工作板的俯仰角θi和方位角φi
第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数;
首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,然后设置临边扫描镜扫描工作板的参数,两个模式下的工作参数保持一致,工作参数包括扫描俯仰角θv和方位角φv,扫描俯仰角间隔Δθv和方位角间隔Δφv,单次扫描的驻留时间t(θvv);
第三步,监测工作板的衰变;
成像光谱仪每两个月观测一次参考板,观测参考板和工作板为相邻轨道,以保证太阳照射两个透射板角度的一致性,然后设置临边扫描参考板与工作板参数保持一致,并查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ)。获取成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),并进行暗背景、增益校正后得到S′Riivv,λ)和S′Wiivv,λ),然后可得出工作板的衰变量δ(θiivv,λ),并对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的工作板的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ)。
第四步,计算工作板透射面辐亮度值;
选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到太阳光谱I′(d0,λ),并进行日地距离校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳光谱I″(d0,λ),然后基于太阳入射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,基于工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),计算得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ);
第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数;
获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到S′(θiivv,λ),基于成像光谱仪的响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出其绝对辐射定标系数α(λ),完成在轨定标。
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,计算太阳光照射工作板的角度,具体实现如下:
(11)获取成像光谱仪在轨定标时刻、定标时的日地距离为d;
(12)如图1所示,基于漫透射板的安装矩阵、透射板与太阳的相对位置、在轨定标时刻,太阳光照射工作板的俯仰角θi=15°和方位角φi=20°;
2、第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数,具体实现如下:
(21)首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,工作参数包括扫描俯仰角θv=25°和方位角φv=33°,扫描俯仰角间隔Δθv=20′和方位角间隔Δφv=12′,单次扫描的驻留时间t(θvv)=200ms;
(22)然后设置临边扫描镜扫描工作板的工作参数和扫描大气层工作参数一致,如图2所示;
3、第三步,监测工作板的衰变,具体实现如下:
(31)设置临边扫描参考板与工作板参数保持一致,设置观测工作板和参考板为相邻轨道;
(32)得到成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),分别进行暗背景、增益校正后,得到观测参考板的响应信号为S′Riivv,λ),观测工作板的响应信号为S′Wiivv,λ);
(33)基于S′Riivv,λ)和的S′Wiivv,λ)相对差异,可得出工作板的衰变量
Figure GDA0004233611970000061
(34)查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ),如图3所示,基于衰变量δ(θiivv,λ)对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ)=δ(θiivv,λ)·BRiivv,λ);
4、第四步,计算工作板透射面辐亮度值,具体实现如下:
(41)选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,光谱分辨率优于0.1nm,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到光谱分辨率为0.5nm的太阳参考光谱
Figure GDA0004233611970000062
(42)对太阳参考光谱I′(d0,λ)进行日地距离d校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳参考谱
Figure GDA0004233611970000063
(43)基于太阳入射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,得到工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),然后基于太阳参考谱I″(d,λ)得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)=I″(d,λ)·B′(θiivv,λ);
5、第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数,具体实现如下:
(51)获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到S′(θiivv,λ);
(52)基于成像光谱仪的响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出其绝对辐射定标系数
Figure GDA0004233611970000071
获取到定标系数后,此系数更新到在轨遥感数据处理流程中,完成临边大气散射光的绝对辐亮度定标。
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 (6)

1.一种基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,双漫透射板中使用频次较高的用于常规在轨定标的透射板记为工作板,使用频次较低的用于监测工作板衰变的透射板记为参考板,其特征在于,该方法包括以下步骤:
第一步,计算太阳光照射工作板的角度;
高光谱临边扫描成像光谱仪每周观测一次工作板,基于该成像光谱仪的在轨定标时刻,定标时刻的日地距离d,以及工作板与太阳的相对位置,计算得到太阳光照射工作板的俯仰角θi和方位角φi
第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数;
首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,工作参数包括扫描俯仰角θv和方位角φv,扫描俯仰角间隔△θv和方位角间隔△φv,单次扫描的驻留时间t(θvv);然后设置临边扫描镜扫描工作板的工作参数;
第三步,监测工作板的衰变;
成像光谱仪每两个月观测一次参考板,参考板和工作板为相邻轨道,以保证太阳照射两个透射板角度的一致性,然后设置临边扫描参考板与临边扫描工作板的工作参数保持一致,并查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ),其中λ为波长;获取成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),并进行暗背景、增益校正后得到S′Riivv,λ)和S′Wiivv,λ);然后可得出工作板的衰变量δ(θiivv,λ),并对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的工作板的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ);
第四步,计算工作板透射面辐亮度值;
选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到太阳光谱I′(d0,λ),并进行日地距离校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳光谱I″(d0,λ),然后基于太阳照射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,基于工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),计算得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ);
第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数;
获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到响应值S′(θiivv,λ),基于该响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出成像光谱仪响应系数,即绝对辐射定标系数α(λ),完成在轨定标。
2.根据权利要求1所述的基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,其特征在于:
所述第一步,计算太阳光照射工作板的角度,具体步骤包括:
(11)获取成像光谱仪在轨定标时刻、定标时的日地距离为d;
(12)基于工作板的安装矩阵、工作板与太阳的相对位置、所述在轨定标时刻和定标时的日地距离为d,得到太阳光照射工作板的俯仰角θi和方位角φi
3.根据权利要求1所述的基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,其特征在于:
所述第二步,获取临边扫描镜扫描工作板的参数,具体步骤包括:
(21)首先确定临边扫描镜扫描大气层的工作参数,工作参数包括扫描俯仰角θv和方位角φv,扫描俯仰角间隔△θv和方位角间隔△φv,单次扫描的驻留时间t(θvv);
(22)然后设置临边扫描镜扫描工作板的工作参数和扫描大气层工作参数一致。
4.根据权利要求1所述的基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,其特征在于:
所述第三步,监测工作板的衰变,具体步骤包括:
(31)设置临边扫描参考板与工作板的工作参数保持一致,设置工作板和参考板为相邻轨道;
(32)得到成像光谱仪观测参考板与工作板的信号值分别为SRiivv,λ)和SWiivv,λ),分别进行暗背景、增益校正后,得到观测参考板的响应信号为S′Riivv,λ),观测工作板的响应信号为S′Wiivv,λ);
(33)基于S′Riivv,λ)和的S′Wiivv,λ)相对差异,可得出工作板的衰变量
Figure FDA0003220033050000021
(34)查询获取参考板的双向透射分布函数BRiivv,λ),基于衰变量δ(θiivv,λ)对工作板的衰变量进行校正,得到校正后的双向透射分布函数为B′(θiivv,λ)=δ(θiivv,λ)·BRiivv,λ)。
5.根据权利要求1所述的基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,其特征在于:所述第四步,计算工作板透射面辐亮度值,具体步骤包括:
(41)选取大气层外标准太阳谱I(d0,λ),其中d0为平均日地距离,λ为波长,将I(d0,λ)与成像光谱仪的光谱响应函数R(λ)进行卷积,得到太阳光谱I′(d0,λ);
(42)对太阳参考光谱I′(d0,λ)进行日地距离d校正,得到成像光谱仪在轨定标时刻的太阳参考谱
Figure FDA0003220033050000031
(43)基于太阳照射俯仰角θi、方位角φi和扫描俯仰角θv、方位角φv,得到工作板衰变校正后的双向透射分布函数B′(θiivv,λ),然后基于太阳参考谱I″(d,λ)得到工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)=I″(d,λ)·B′(θiivv,λ)。
6.根据权利要求1所述的基于双漫透射板的高光谱临边扫描成像光谱仪在轨定标方法,其特征在于:
所述第五步,利用工作板透射面辐亮度标定成像光谱仪响应系数,具体步骤包括:
(51)获取在辐亮度L(θiivv,λ)下的成像光谱仪的信号值S(θiivv,λ),将信号值进行暗背景、增益校正后得到S′(θiivv,λ);
(52)基于成像光谱仪的响应值S′(θiivv,λ)和工作板透射面的辐亮度L(θiivv,λ)标定出成像光谱仪响应系数,即成像光谱仪响应系数绝对辐射定标系数
Figure FDA0003220033050000032
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