CN116183036A - 一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法 - Google Patents

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袁银麟
郑小兵
翟文超
李健军
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戚涛
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Abstract

本发明公开了一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，所述方法包括：首先根据遥感器的绝对光谱响应度、目标光谱辐亮度和背景辐射，建立遥感器响应函数；将测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取背景辐射响应；利用积分球和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应度，获得等效黑体温度；利用已知参考温度下的背景辐射响应信号与背景辐射等效光谱响应度的比值，获取对应的带内权重辐亮度；利用评估的权重光谱辐亮度和仪器内部辐射等效光谱响应度，计算背景辐射总响应；采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。本发明可用于消除背景辐射，增加探测系统的动态范围，提高系统的信噪比和测量精度。

Description

一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法
技术领域
本发明涉及遥感器定标数据处理技术领域，尤其涉及一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法。
背景技术
近年来，随着国际上对地观测、大气探测、行星探测等领域的需求推动，偏振遥感探测技术已进入宽光谱覆盖、大动态范围观测、高精度探测阶段。为实现对远距离、弱目标的有效探测，常采用高灵敏度制冷型红外探测器，对热源特别敏感，背景辐射对于系统的影响更加突出，由其引起的偏振响应特性难以忽略，极大程度上影响了偏振定标的效率和精度，已经成为限制偏振遥感器短波红外波段定标精度提升的瓶颈。
背景辐射通常是指仪器探测系统接收的非观测目标的辐射能量。背景辐射会直接导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移，从而影响偏振遥感器响应测量值。背景辐射对红外探测的影响随着目标信号的减弱和探测器性能的提高而越显明显。尽管红外通道探测器在常温范围的辐射响应几乎接近线性，但根据研究在真空定标状态下红外通道在低温端和高温端有明显的非线性特征，而准确的低温端目标定标对于云微物理参数反演非常重要。在对地观测和空间弱目标探测中，目标辐射微弱，探测器的响应又较低，此时背景辐射成为制约系统短波红外波段信噪比和偏振测量精度提高的主导因素。
相对于可见光系统，短波红外系统采用被动接受目标热辐射的工作方式，因而系统的背景辐射特性更加复杂，不仅包括外部背景辐射，还要考虑系统自身结构产生的杂散辐射即内部背景辐射。内部背景辐射来源比较复杂，依据辐射源类别，内部背景辐射的来源可大体分为三类：光学元件、结构元件、探测器未制冷部分背景辐射。光学元件与机械结构的表面、以及探测器未制冷部分都会产生热辐射，其经多次反射、折射或衍射后会被探测器接收。光学元件辐射主要与材料类别、温度等因素有关，机械结构辐射主要与材料发射率、温度、传输路径等因素有关，探测器未制冷部分辐射主要与材料类别、温度等因素等有关。
根据对国内外背景辐射研究的分析，目前探测系统背景辐射的研究方法主要有软件建模分析方法和BAT(built-and-test)法。软件建模分析方法是指根据红外物理学原理对背景辐射信号的产生过程进行建模，量化影响目标辐射特性的各种因素，模拟得到不同环境下的背景辐射信号，目前主要有蒙特卡洛法、光线踪迹法、区域法等。由于该方法成本低、不受设备和试验场地条件限制，能同时实现系统级和部件级的准确细致分析，得到了广泛应用。其缺点在于无法验证其准确性和有效性，实际上现场环境比模拟环境要复杂得多，也不可能通过模拟得到准确的目标辐射特性。
针对背景辐射响应的测量，主要采用BAT法，即建立目标红外辐射特性测量模型，并通过现场辐射测量试验对模型进行试验及修正，这是获得目标真实辐射特性最直接的手段。国外已经形成较为完善的测量体系，例如位于美国加利福尼亚州的田纳西阿诺尔德中心在低温条件和真空环境下对红外系统背景辐射进行准确测量。但是这种实验测试方法实现很困难，误差也很大。
现阶段，国内关于背景辐射的研究主要还是以仿真分析为主，还未建立完善的背景辐射测量体系。国内为数不多的以实验方法研究报道有，中科院长春光机所常松涛等人基于辐射定标原理提出一种制冷型红外系统内部背景辐射测量方法，通过标定红外探测器结合红外系统辐射定标结果解算系统内部背景辐射，但该方法并未对背景辐射进行定量化分析。
发明内容
为了克服已有技术的缺陷，解决背景辐射导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移问题，本发明提供一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，实现偏振遥感器短波红外波段背景辐射精确测量和校正，降低背景辐射对短波红外波段测量结果的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，包括以下步骤：
步骤(1)，根据偏振遥感器短波红外波段的响应与其绝对光谱响应度R(λk)、目标光谱辐亮度L(λk)、以及背景辐射响应Fbkg(λk)的关系，建立偏振遥感器的响应函数S(λk)；
步骤(2)，将偏振遥感器各通道的测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取各通道的背景辐射响应；
步骤(3)，通过光谱可调的积分球作为参考光源和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应，利用光谱可调的积分球的参考光源辐射模拟仪器内辐射，获得等效黑体温度；
步骤(4)，利用真空高低温环境模拟试验系统的多个温度点，在已知参考温度的条件下，获取该已知参考温度下的背景辐射响应信号与背景辐射等效光谱响应度的比值对应的带内权重辐亮度Lm(λj)；
步骤(5)，利用评估的权重光谱辐亮度和仪器内部辐射等效光谱响应度，计算背景辐射总响应Fbkg(λ)；
步骤(6)，采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。
进一步地，所述步骤(1)中，所述偏振遥感器的响应函数S(λk)为：
Figure BDA0004084891890000031
其中，λk为偏振遥感器波长λ的第k通道，k为偏振遥感器的通道编号，λmin和λmax为偏振遥感器具有响应的最短和最长波长，L(λk)为波长λ第k通道的光谱辐亮度，R(λk)为波长λ第k通道的绝对光谱响应度，Fbkg(λk)为偏振遥感器波长λ第k通道的背景辐射响应。
进一步地，所述步骤(2)中，偏振遥感器各偏振通道的背景辐射响应划分为多个温度等级，温度为ti时的背景辐射响应用Fbkg(λk,ti)表示：
Figure BDA0004084891890000032
其中，LInt(λk,ti)为仪器内部辐射的光谱辐亮度，R(λk,t0)为起始温度点t0的绝对光谱响应度，Bi为拟合系数，ti为温度点，i为温度点编号。
进一步地，所述步骤(3)包括：首先，根据冷空观测原始光谱SDS，即计数值和仪器光谱响应函数R(λk)近似计算仪器内部辐射等效光谱响应度
Figure BDA0004084891890000033
即辐射值；然后，将/>
Figure BDA0004084891890000034
按对应波段积分，获得该波段积分能量；最后，利用插值方法估算同等能量的黑体温度，如式(3)所示：
Figure BDA0004084891890000035
其中，SDS和SICT分别表示冷空和参考光源入射时仪器输出信号，LICT表示内黑体光谱辐亮度，R(λk)是仪器光谱响应函数，<·>表示取均值。
进一步地，所述步骤(4)包括：将偏振遥感器第k通道的工作环境温度按照实际工作环境温度变化分为多个温度等级，假设温度点编号为j的温度tj为已知参考温度，偏振遥感器背景辐射响应信号F(λk,tj)与温度tj下背景辐射等效光谱响应度δbkg(λk,tj)的比值与对应第m通道的带内权重辐亮度Lm(λj)近似相等，如公式(4)所示：
Figure BDA0004084891890000041
进一步地，所述步骤(5)中，所述背景辐射总响应Fbkg(λk)由所有已知温度点对应的权重辐亮度Lm(λj)和背景辐射响应度δbkg(λk,tj)表示，如公式(5)所示：
Figure BDA0004084891890000042
进一步地，所述步骤(6)中，根据背景辐射的测量方法和数学模型B＝f(x1,x2…xn)，确定输入量xi对被测量产生的不确定度u(xi)及其传播率，通过合成不确定度评定方法来分析背景辐射偏振响应校正精度。其中被测量为背景辐射偏振响应；输入量为背景辐射响应度和温度等参数。合成不确定度u(B)评定通过式(6)表示：
Figure BDA0004084891890000043
式中，r(xi,xj)为输入量xi和xj的相关系数，
Figure BDA0004084891890000044
为输入量xi的灵敏系数。
本发明的优点是：
采用了基于环境模拟试验的背景辐射测量方法，借助于环境模拟试验系统的精细调节功能，进行遥感器真实工作环境的模拟，测量并校准背景辐射响应，有效的解决了背景辐射导致偏振遥感器短波红外波段本底噪声增大和动态范围的漂移的问题，降低了背景辐射对偏振遥感器短波红外波段测量结果的影响。
附图说明
图1是本发明的背景辐射测试示意图；
图2是本发明的背景辐射校正方法流程图；
图3是本发明的真空高低温环境模拟试验系统温度控制设计流程图；
图4是本发明的偏振遥感器短波红外波段背景辐射校正效果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提出一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，基于偏振遥感器短波红外波段的响应与其绝对光谱响应度、目标光谱辐亮度、以及背景辐射响应的关系，建立偏振遥感器的响应函数；将测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取各通道的背景辐射响应；通过光谱可调积分球参考光源和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应，利用光谱可调积分球参考光源辐射模拟仪器内部辐射，获得等效黑体温度；利用已知参考温度下的背景辐射响应信号与背景辐射等效光谱响应度的比值，获取对应的带内权重辐亮度；利用评估的权重光谱辐亮度和仪器内部辐射等效光谱响应度，计算背景辐射总响应；采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。
如图1所示，本发明的一种基于背景辐射校正的偏振遥感器短波红外波段偏振定标方法的定标装置包括积分球1、真空高低温环境模拟试验系统2、光谱辐亮度计3、待测短波红外偏振遥感器4。所述的积分球1为光源，采用溴钨灯、卤钨灯、白光激光器等宽波段光源，光谱范围能够覆盖短波红外波段，通过利用积分球光谱分布特征，选择定标结果验证波段区间，进行遥感器不同动态范围下定标结果的验证。所述的真空高低温环境模拟试验系统2的热沉温度能够进行调控，兼顾不同应用中热真空环境高低温试验温度和真空度需求。所述的光谱辐亮度计3为积分球辐亮度监视单元，光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于监测光源的辐亮度值。所述的待测短波红外偏振遥感器4，其光谱范围能够覆盖短波红外波段，用于开展背景辐射测量实验。
如图2所示，本发明的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法具体包括如下步骤：
步骤(1)，根据偏振遥感器短波红外波段的响应与其绝对光谱响应度R(λk)、目标光谱辐亮度L(λk)、以及背景辐射响应Fbkg(λk)的关系，建立偏振遥感器的响应函数S(λk)为：
Figure BDA0004084891890000051
其中，λk为偏振遥感器波长λ的第k通道，k为偏振遥感器的通道编号，λmin和λmax为偏振遥感器具有响应的最短和最长波长，L(λk)为波长λ第k通道的光谱辐亮度，R(λk)为波长λ第k通道的绝对光谱响应度，Fbkg(λk)为偏振遥感器波长λ第k通道的背景辐射响应。
步骤(2)，将偏振遥感器各通道的测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取各通道的背景辐射响应，温度为ti时的背景辐射响应用Fbkg(λk,ti)表示：
Figure BDA0004084891890000061
其中，LInt(λk,ti)为仪器内部辐射的光谱辐亮度，R(λk,t0)为起始温度点t0的绝对光谱响应度，Bi为拟合系数，ti为温度点，i为温度点编号。
步骤(3)，通过光谱可调的积分球作为参考光源和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应，利用光谱可调的积分球的参考光源辐射模拟仪器内辐射，获得等效黑体温度。首先，根据冷空观测原始光谱SDS，即计数值和仪器光谱响应函数R(λk)近似计算仪器内部辐射等效光谱响应度
Figure BDA0004084891890000062
即辐射值；然后，将/>
Figure BDA0004084891890000063
按对应波段积分，获得该波段积分能量；最后，利用插值方法估算同等能量的黑体温度，如式(3)所示：
Figure BDA0004084891890000064
其中，SDS和SICT分别表示冷空和参考光源入射时仪器输出信号，LICT表示内黑体光谱辐亮度，R(λk)是仪器光谱响应函数，<·>表示取均值。
步骤(4)，利用真空高低温环境模拟试验系统的温度点，将偏振遥感器第k通道的工作环境温度按照实际工作环境温度变化分为多个温度等级，假设温度点编号为j的温度tj为已知参考温度，偏振遥感器背景辐射响应信号F(λk,tj)与温度tj下背景辐射等效光谱响应度δbkg(λk,tj)的比值与对应第m通道的带内权重辐亮度Lm(λj)近似相等，如公式(4)所示：
Figure BDA0004084891890000065
步骤(5)，利用所有已知温度点对应的权重辐亮度Lm(λj)和背景辐射响应度δbkg(λk,tj)，计算背景辐射总响应Fbkg(λ)，如公式(5)所示：
Figure BDA0004084891890000066
步骤(6)，采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。根据背景辐射的测量方法和数学模型B＝f(x1,x2…xn)，确定输入量xi对被测量产生的不确定度u(xi)及其传播率，通过合成不确定度评定方法来分析背景辐射偏振响应校正精度。其中被测量为背景辐射偏振响应；输入量为背景辐射响应度和温度等参数。合成不确定度u(B)评定通过式(6)表示：
Figure BDA0004084891890000071
式中，r(xi,xj)为输入量xi和xj的相关系数，
Figure BDA0004084891890000072
为输入量xi的灵敏系数。
如图3所示，为了实现精确控制测试环境温度的稳定性和均匀性，采取反馈自动控制方式来进行温度控制，采用模糊自适应的Fuzzy和P.I.D复合控制模式。当空腔形状及内壁材料的辐射特性确定后，辐射能量只与温度有关，由斯蒂芬波尔兹曼定律可知，实际物体的半球全波长辐射能E为：
E＝εσT4 (7)
式中，ε为比辐射率，σ为比例常数，T为温度。
两边微分后可得：
Figure BDA0004084891890000073
由式(8)可知，温度的变化会导致辐射能量的变化，因此在Fuzzy和P.I.D复合反馈控制算法中，根据Fuzzy和PID控制特性，在动态过程中，用Fuzzy控制，而当系统接近或处于稳态时，自动切换到P.I.D控制。
如图4所示为本发明的偏振遥感器短波红外波段背景辐射校正效果图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，根据偏振遥感器短波红外波段的响应与其绝对光谱响应度R(λk)、目标光谱辐亮度L(λk)、以及背景辐射响应Fbkg(λk)的关系，建立偏振遥感器的响应函数S(λk)；
步骤(2)，将偏振遥感器各通道的测试温度划分为多个温度等级，采用多项式拟合获取各通道的背景辐射响应；
步骤(3)，通过光谱可调的积分球作为参考光源和真空高低温环境模拟试验系统测量背景辐射响应，利用光谱可调的积分球的参考光源辐射模拟仪器内辐射，获得等效黑体温度；
步骤(4)，利用真空高低温环境模拟试验系统的多个温度点，在已知参考温度的条件下，获取该已知参考温度下的背景辐射响应信号与背景辐射等效光谱响应度的比值对应的带内权重辐亮度Lm(λj)；
步骤(5)，利用评估的权重光谱辐亮度和仪器内部辐射等效光谱响应度，计算背景辐射总响应Fbkg(λ)；
步骤(6)，采用合成不确定度评定方法分析背景辐射偏振响应校正精度。
2.根据权利要求1所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述偏振遥感器的响应函数S(λk)为：
Figure FDA0004084891870000011
其中，λk为偏振遥感器波长λ的第k通道，k为偏振遥感器的通道编号，λmin和λmax为偏振遥感器具有响应的最短和最长波长，L(λk)为波长λ第k通道的光谱辐亮度，R(λk)为波长λ第k通道的绝对光谱响应度，Fbkg(λk)为偏振遥感器波长λ第k通道的背景辐射响应。
3.根据权利要求2所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，偏振遥感器各偏振通道的背景辐射响应划分为多个温度等级，温度为ti时的背景辐射响应用Fbkg(λk,ti)表示：
Figure FDA0004084891870000012
其中，LInt(λk,ti)为仪器内部辐射的光谱辐亮度，R(λk,t0)为起始温度点t0的绝对光谱响应度，Bi为拟合系数，ti为温度点，i为温度点编号。
4.根据权利要求3所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：首先，根据冷空观测原始光谱SDS，即计数值和仪器光谱响应函数R(λk)近似计算仪器内部辐射等效光谱响应度
Figure FDA0004084891870000021
即辐射值；然后，将/>
Figure FDA0004084891870000022
按对应波段积分，获得该波段积分能量；最后，利用插值方法估算同等能量的黑体温度，如式(3)所示：
Figure FDA0004084891870000023
其中，SDS和SICT分别表示冷空和参考光源入射时仪器输出信号，LICT表示内黑体光谱辐亮度，R(λk)是仪器光谱响应函数，<·>表示取均值。
5.根据权利要求4所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：将偏振遥感器第k通道的工作环境温度按照实际工作环境温度变化分为多个温度等级，假设温度点编号为j的温度tj为已知参考温度，偏振遥感器背景辐射响应信号F(λk,tj)与温度tj下背景辐射等效光谱响应度δbkg(λk,tj)的比值与对应第m通道的带内权重辐亮度Lm(λj)近似相等，如公式(4)所示：
Figure FDA0004084891870000024
6.根据权利要求5所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述背景辐射总响应Fbkg(λk)由所有已知温度点对应的权重辐亮度Lm(λj)和背景辐射响应度δbkg(λk,tj)表示，如公式(5)所示：
Figure FDA0004084891870000025
7.根据权利要求6所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据背景辐射的测量方法和数学模型B＝f(x1,x2…xn)，确定输入量xi对被测量产生的不确定度u(xi)及其传播率，通过合成不确定度评定方法来分析背景辐射偏振响应校正精度；其中被测量为背景辐射偏振响应；输入量为背景辐射响应度和温度等参数；合成不确定度u(B)评定通过式(6)表示：
Figure FDA0004084891870000031
式中，r(xi,xj)为输入量xi和xj的相关系数，
Figure FDA0004084891870000032
为输入量xi的灵敏系数。
8.根据权利要求3所述的一种偏振遥感器短波红外波段背景辐射响应校正方法，其特征在于，采取反馈自动控制方式来进行温度控制，采用模糊自适应的Fuzzy和P.I.D复合控制模式；在Fuzzy和P.I.D复合反馈控制算法中，根据Fuzzy和PID控制特性，在动态过程中，用Fuzzy控制；当系统接近或处于稳态时，自动切换到P.I.D控制。
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