CN114739507A - 一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法及测量装置，所述的杂散光校正方法基于宽光谱激光器‑单色仪系统，通过测量高光谱辐亮度仪探测器各像元的杂散光分布函数，构建杂散光分布矩阵，通过矩阵运算得到杂散光校正矩阵，从而对待校正的探测信号进行校正。本发明可利用宽光谱激光器‑单色仪测量装置，在实验室测量任一波长的杂散光分布函数，通过调节单色仪输出波长，可以测量高光谱辐亮度仪的工作波长的杂散光分矩阵，通过计算杂散光校正矩阵，最终应用于高光谱辐亮度仪的测量信号校正，提高光谱辐射测量精度。

Description

一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法及测量装置

技术领域

本发明属于光辐射测量技术领域，具体涉及一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法及测量装置。

背景技术

杂散光是由于仪器内部反射、衍射光栅或滤光片固有缺陷以及光学元件上划痕或灰尘等问题导致的光谱失真的非检测光。对仪器的测量精度影响很大。对于光谱分析仪系统而言，杂散光的影响更加不可忽略。在光谱仪中，杂散光是高光谱辐射计测量不确定度的重要来源，特别是在仪器灵敏度或信噪比低的光谱区域，如紫外波段和近-红外波段，会直接影响仪器的测量精度。因此，当需要精确的辐射测量时，杂散光的测量和校正是必不可少的。

国外主要采用截至滤光片法、光谱法、卷积法等方法进行杂散光测量；对于杂散光修正，NIST分析了商用CCD阵列光谱仪，并使用宽带和窄带光源评估和测试了相应的杂散光校正矩阵。结果表明可以将杂散光的影响降低1-2个数量级，并且只有在仪器经过光学元件更换或检测组件维修时才需要重新确定校正矩阵。在海洋应用的研究中，特别是针对用于海洋定标和检验的仪器，使用了相同的方法，并使用蒙特卡罗方法模拟评估其性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法及测量装置，以解决现有光谱测量技术杂散光影响大，辐射测量精度较低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，包括如下步骤：

步骤S1：关闭设备电子快门，测量高光谱辐亮度仪探测器暗电流信号DN_dark，其中DN_dark为n维列向量，n对应于高光谱辐亮度仪探测器像元数；

步骤S2：将高光谱辐亮度仪对准单色仪测量装置出射狭缝，打开设备电子快门，调节单色仪输出波长λ，测量目标辐射，得到高光谱辐亮度仪在第i个像元处的响应信号DN_{measured_i}，表示为：

DN_{measured_i}＝DN_{actual_i}+DN_{stray_i}+DN_dark (1)

其中，DN_{actual_i}为目标辐射源真实信号值，DN_{stray_i}为杂散光信号值；

步骤S3：从响应信号DN_{measured_i}中移除暗电流信号DN_dark，并根据出射光光谱带宽Δλ，计算第i个像元处的杂散光分布函数DN_{sdf_i}；

步骤S4：重复步骤S2，测量剩余像元的杂散光分布函数，并最终构建n阶杂散光分布矩阵D_n×n；

步骤S5：计算杂散光校正矩阵C＝(A+D_n×n)^-1，其中，A为单位矩阵；

步骤S6：校正信号DN_corrected和待校正信号DN_original关系可表示为：

DN_corrected＝C·DN_original (2)

进一步地，所述的调节单色仪输出波长λ，根据对高光谱辐亮度仪进行光谱定标的定标数据，通过多项式拟合得到探测器像元与波长的对应关系。在进行第i个像元的信号测量时，将单色仪输出波长调节至对应波长λ即可。

进一步地，所述的第i个像元处的杂散光分布函数DN_{sdf_i}，表式如下：

其中，j为像元号，起止像元a和截至像元b是根据光谱带宽Δλ，确定的带内区域；带内区域各值求和用于归一化处理，并且将带内各值置0，共同组成第i个像元处的杂散光分布函数。

进一步地，所述的杂散光分布矩阵D_n×n，矩阵中的每一列4即为各像元处的杂散光分布函数；由于高光谱辐亮度仪探测器像元素较多，具体操作时，不易对每个像元都进行测量，可以测量部分像元，其余杂散光分布函数可由线性插值获得。

进一步地，所述的杂散光校正矩阵C，具体推导过程如下：

DN_original＝DN_corrected+D_n×n·DN_corrected＝[A+D_n×n]·DN_corrected (4)

由上述公式可知，只需测量出杂散光分布矩阵D_n×n，进行求和求逆运算即可获得高光谱辐亮度仪的杂散光校正矩阵，且该结果在高光谱辐亮度仪各部件位置不变的情况下，无需重复测量。

本发明还包括一种应用所述高光谱辐亮度仪杂散光校正方法的测量装置，包括光源宽波段激光器、前置入射光扩散会聚系统、单色仪分光系统、出射光准直匀光系统和数据存储计算机；所述光源宽波段激光器提供连续宽波段光束，经前置入射光扩散会聚系统会聚到入射狭缝，经单色仪分光系统的光栅分光会聚，再通过出射狭缝后的出射光准直匀光系统将光束均匀导入高光谱辐亮度仪。

进一步地，所述的扩束会聚系统，由三个离轴抛物面镀铝膜反射镜组成；所述宽光谱激光器发出的近准直光束，经前两个离轴抛物面镀铝膜反射镜扩束放大后，用以保证光路的数值孔径与单色仪分光系统的数值孔径相匹配，再经离轴抛物面镀铝膜反射镜将光束会聚到单色仪分光系统的入射狭缝上。

进一步地，所述的单色仪分光，包括入射狭缝，准直反射镜，光栅，会聚反射镜和出射狭缝；单色仪分光系统作为光谱分光系统，可将宽波段光源的光分解成单色光；单色仪分光系统采用Czerny-Turner对称式结构，入射狭缝进入的会聚光，通过准直反射镜变成平行光到达光栅面，光栅衍射后再通过会聚反射镜将光束会聚到出射狭缝上以达到分光的作用；在调节单色仪分光系统的波长过程中，根据光栅方程以反射镜参数，通过电机精确旋转衍射光栅，达到调整出射狭缝出射波长的效果。

进一步地，所述的出射光准直匀光系统，包括准直镜、聚焦透镜和聚四氟乙烯扩散片；出射狭缝处的点光源光束，经准直镜准直后通过聚焦透镜将光束聚焦到聚四氟乙烯扩散片上，使到达高光谱辐亮度仪入光口的单色光束均匀照射。

有益效果：

本发明可利用宽光谱激光器-单色仪测量装置，在实验室测量任一波长的杂散光分布函数，通过调节单色仪输出波长，可以测量高光谱辐亮度仪的工作波长的杂散光分布矩阵，通过计算杂散光校正矩阵，最终应用于高光谱辐亮度仪的测量信号校正。本发明适用于高光谱连续波段的测量仪器的杂散光分布测量及校正，可将高光谱辐亮度仪的杂散光水平控制在10^-3数量级以下，从而大幅改善仪器的信噪比，提高光谱辐射测量精度，特别是对于微光和水面等微弱信号的目标测量，有显著提升效果。

附图说明

图1为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法流程图。

图2为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置流程图。

图3为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置扩散会聚系统图。

图4为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置单色仪系统图。

图5为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置准直匀光系统图。

图6为本发明的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置总体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，包括以下步骤：

步骤S1：关闭设备电子快门，测量高光谱辐亮度仪探测器暗电流信号DN_dark，其中DN_dark为n维列向量，n对应于高光谱辐亮度仪探测器像元数；

步骤S2：将高光谱辐亮度仪对准单色仪测量装置出射狭缝，打开设备电子快门，调节单色仪输出波长λ，测量目标辐射，得到高光谱辐亮度仪在第i个像元处的响应信号DN_{measured_i}，表示为：

DN_{measured_i}＝DN_{actual_i}+DN_{stray_i}+DN_dark (1)

其中，DN_{actual_i}为目标辐射源真实信号值，DN_{stray_i}为杂散光信号值；

步骤S3：从响应信号DN_{measured_i}中移除暗电流信号DN_dark，并根据出射光光谱带宽Δλ，计算第i个像元处的杂散光分布函数DN_{sdf_i}，表式如下：

其中，j为像元号，起止像元a和截至像元b是根据光谱带宽Δλ，确定的带内区域；带内区域各值求和用于归一化处理，并且将带内各值置0，共同组成第i个像元处的杂散光分布函数；

步骤S4：重复步骤S2，测量剩余像元的杂散光分布函数，并最终构建n阶杂散光分布矩阵D_n×n，矩阵中的每一列即为各像元处的杂散光分布函数；由于高光谱辐亮度仪探测器像元较多，具体操作时，不易对每个像元都进行测量，可以测量部分像元，其余杂散光分布函数可由线性插值获得；

步骤S5：计算杂散光校正矩阵C＝(A+D_n×n)^-1，其中，A为单位矩阵；只需测量出杂散光分布矩阵D_n×n，进行求和求逆运算即可获得高光谱辐亮度仪的杂散光校正矩阵，且该结果在高光谱辐亮度仪各部件位置不变的情况下，无需重复测量；

步骤S6：将杂散光校正矩阵应用于待校正信号DN_original，可表示为：

DN_corrected＝C·DN_original (3)

如图2所示，一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置流程图，包括待测的高光谱辐亮度仪1、光源宽波段激光器2、前置入射光扩散会聚系统3、单色仪分光系统4、出射光准直匀光系统5以及数据存储计算机6。光源宽波段激光器2提供连续宽波段光束，经前置入射光扩散会聚系统3扩束会聚到单色仪分光系统4的入射狭缝，经单色仪分光系统4分光会聚，最终通过出射光准直匀光系统5将光束均匀导入高光谱辐亮度仪1中，实现单色光的测量，数据存储计算机6记录各测量数据，并应用于高光谱辐亮度仪1的杂散光校正方法。

如图3所示，所述前置入射光扩散会聚系统3，包括第一离轴抛物面镀铝膜反射镜31、第二离轴抛物面镀铝膜反射镜32和第三离轴抛物面镀铝膜反射镜33。第一离轴抛物面镀铝膜反射镜31和第二离轴抛物面镀铝膜反射镜32将光源宽波段激光器2发出的近准直光束扩束放大，用以保证光路的数值孔径与单色仪分光系统4的数值孔径相匹配，再由第三离轴抛物面镀铝膜反射镜33将光束会聚到单色仪分光系统4的入光口，保证点光源入射。

如图4所示，单色仪分光系统4，包括入射狭缝41、准直反射镜42、衍射光栅43、会聚反射镜44和出射狭缝45。单色仪分光系统4采用Czerny-Turner对称式结构，入射狭缝41由前置入射光扩散会聚系统3会聚进入的光，通过准直反射镜42使光束平行照射到衍射光栅43上，衍射光栅43通过其刻线衍射到会聚反射镜44上，会聚反射镜44最终将光束会聚到出射狭缝45上，以达到分光的作用。

如图5所示，出射光准直匀光系统5，包括准直镜51、聚焦透镜52和聚四氟乙烯扩散片53。出射狭缝45处的点光源光束，经准直镜51准直后通过聚焦透镜52将光束聚焦到聚四氟乙烯扩散片53上，使光束均匀照射到达高光谱辐亮度仪1入光口，保证测量的准确性和稳定性。

如图6所示，为本发明的种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置总体示意图。光源宽波段激光器2提供宽波段光束，先经前置入射光扩散会聚系统3的第一离轴抛物面镀铝膜反射镜31和第二离轴抛物面镀铝膜反射镜32扩束放大，再由第三离轴抛物面镀铝膜反射镜33将光束会聚到单色仪分光系统4的入口狭缝41。入射狭缝41通过的光经准直反射镜42使光束平行照射到衍射光栅43上，光栅的衍射作用将光束衍射到会聚反射镜44上，再通过会聚反射镜44将光束会聚到出射狭缝45上，以实现分光的效果。出射狭缝45处的点光源光束，经准直镜51准直后通过聚焦透镜52将光束聚焦到聚四氟乙烯扩散片53上，使光束均匀照射到达高光谱辐亮度仪1入光口，实现单色光波长的测量，数据存储计算机6记录各阶段测量数据，并最终应用于高光谱辐亮度仪1的杂散光校正方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：关闭设备电子快门，测量高光谱辐亮度仪探测器暗电流信号DN_dark，其中DN_dark为n维列向量，n对应于高光谱辐亮度仪探测器像元数；

步骤S2：将高光谱辐亮度仪对准单色仪测量装置的出射狭缝，打开设备电子快门，调节单色仪输出波长λ，测量目标辐射，得到高光谱辐亮度仪在第i个像元处的响应信号DN_{measured_i}，表示为：

DN_{measured_i}＝DN_{actual_i}+DN_{stray_i}+DN_dark (1)

其中，DN_{actual_i}为目标辐射源真实信号值，DN_{stray_i}为杂散光信号值；

步骤S3：从响应信号DN_{measured_i}中移除暗电流信号DN_dark，并根据出射光光谱带宽Δλ，计算第i个像元处的杂散光分布函数DN_{sdf_i}；

步骤S4：重复步骤S2，测量剩余像元的杂散光分布函数，并最终构建n阶杂散光分布矩阵D_n×n；

步骤S5：计算杂散光校正矩阵C＝(A+D_n×n)^-1，其中，A为单位矩阵；

步骤S6：校正信号DN_corrected和待校正信号DN_original关系可表示为：

DN_corrected＝C·DN_original (2)。

2.根据权利要求1所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的调节单色仪输出波长λ，根据对高光谱辐亮度仪进行光谱定标的定标数据，通过多项式拟合得到探测器像元与波长的对应关系；在进行第i个像元的信号测量时，将单色仪输出波长调节至对应波长λ即可。

3.根据权利要求1所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的第i个像元处的杂散光分布函数DN_{sdf_i}，表式如下：

其中，j为像元号，起止像元a和截至像元b是根据光谱带宽Δλ，确定的带内区域；带内区域各值求和用于归一化处理，并且将带内各值置0，共同组成第i个像元处的杂散光分布函数。

4.根据权利要求1所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的杂散光分布矩阵D_n×n，矩阵中的每一列即为各像元处的杂散光分布函数；由于高光谱辐亮度仪探测器像元素较多，具体操作时，不易对每个像元都进行测量，可以测量部分像元，其余杂散光分布函数可由线性插值获得。

5.根据权利要求1所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的杂散光校正矩阵C，具体推导过程如下：

DN_original＝DN_corrected+D_n×n·DN_corrected＝[A+D_n×n]·DN_corrected (4)

由上述公式可知，只需测量出杂散光分布矩阵D_n×n，进行求和求逆运算即可获得高光谱辐亮度仪的杂散光校正矩阵，且该结果在高光谱辐亮度仪各部件位置不变的情况下，无需重复测量。

6.一种应用权利要求1-5之一所述的高光谱辐亮度仪杂散光校正方法的测量装置，其特征在于：包括光源宽波段激光器、前置入射光扩散会聚系统、单色仪分光系统、出射光准直匀光系统和数据存储计算机；所述光源宽波段激光器提供连续宽波段光束，经前置入射光扩散会聚系统会聚到入射狭缝，经单色仪分光系统的光栅分光会聚，再通过出射狭缝后的出射准直匀光系统将光束均匀导入高光谱辐亮度仪。

7.根据权利要求6所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置，其特征在于：所述的前置入射扩散会聚系统由三个离轴抛物面镀铝膜反射镜组成；所述宽光谱激光器发出的近准直光束，经前两个离轴抛物面镀铝膜反射镜扩束放大后，用以保证光路的数值孔径与单色仪分光系统的数值孔径相匹配，再经离轴抛物面镀铝膜反射镜将光束会聚到单色仪分光系统的入射狭缝上。

8.根据权利要求6所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置，其特征在于：所述的单色仪分光系统包括入射狭缝，准直反射镜，衍射光栅，会聚反射镜和出射狭缝；单色仪分光系统作为光谱分光系统，将宽波段光源的光分解成单色光；单色仪分光系统采用Czerny-Turner对称式结构，入射狭缝进入的会聚光，通过准直反射镜变成平行光到达光栅面，光栅衍射后再通过会聚反射镜将光束会聚到出射狭缝上以达到分光的作用；在调节单色仪分光系统的波长过程中，根据光栅方程以反射镜参数，通过电机精确旋转衍射光栅，达到调整出射狭缝出射波长的效果。

9.根据权利要求6所述的一种高光谱辐亮度仪杂散光校正测量装置，其特征在于：所述的出射光准直匀光系统，包括准直镜、聚焦透镜和聚四氟乙烯扩散片；出射狭缝处的点光源光束，经准直镜准直后通过聚焦透镜将光束聚焦到聚四氟乙烯扩散片上，使到达高光谱辐亮度仪入光口的单色光束均匀照射。

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