CN219320090U - 测量目标反射率的光谱设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及光谱设备技术领域，具体涉及一种测量目标反射率的光谱设备，所述光谱设备，包括至少三个独立的分光单元模块、一个入光口和探测器，其中，相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400‑2500nm，目标地物反射光经所述入光口传递至所述至少三个独立的分光单元模块并色散分光，之后为所述探测器探测，解决了现有单个光谱设备的波长范围窄，目标反射率测量复杂的问题，扩展了单个光谱设备的波长覆盖范围，由于是同一光谱设备测量的，便于宽光谱范围内目标反射率的连续测量，同时减少了测量误差，简化了测量流程。

Description

测量目标反射率的光谱设备

技术领域

本公开涉及光谱设备技术领域，具体涉及一种测量目标反射率的光谱设备。

背景技术

光栅光谱仪通过在光栅表面刻蚀出大量平行刻线，利用光的衍射分光获得不同波段的光信息。通过交替测量标准白板和目标，获得二者的垂直反射光信号，二者的比值与标准白板反射率的乘积即为目标反射率。

太阳作为最常用的自然光源，其能量的70％集中在400-2500nm，这一波段范围覆盖了可见～短波红外的波长，覆盖范围较宽。限于光谱仪的光谱响应范围，此波段范围内测量目标地物的反射率，很难通过一套光谱设备完成。现有技术中，通常采用多台光谱设备组合测量，而不同光谱设备间在测量精度、信噪比、非线性和稳定性等方面具有微小差异，导致测量误差较大，操作复杂，且无法实现连续宽光谱范围内目标地物反射率的测量。

实用新型内容

为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种测量目标反射率的光谱设备。

本公开实施例中提供了一种测量目标反射率的光谱设备，包括至少三个独立的分光单元模块、一个入光口和探测器；其中，相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm；目标地物反射光经所述入光口传递至所述至少三个独立的分光单元模块并色散分光，之后为所述探测器探测。

根据本公开的实施例，所述分光单元模块包括可见光-近红外单元模块、近红外短波单元模块和近红外长波单元模块。

根据本公开的实施例，所述三个独立的分光单元模块包括：

第一分光单元模块，覆盖400-950nm的波段范围；

第二分光单元模块，覆盖850-1700nm的波段范围；

第三分光单元模块，覆盖1650-2500nm的波段范围。

根据本公开的实施例，所述分光单元模块包括可见光单元模块和近红外单元模块。

根据本公开的实施例，所述分光单元模块包括入射狭缝、滤光片、平场凹面光栅。

根据本公开的实施例，测量目标反射率的光谱设备还包括：一根一分N光纤束，用于将目标地物反射光传导至所述至少三个独立的分光单元模块；其中，N的数值与所述分光单元模块的数量相同。

根据本公开的实施例，测量目标反射率的光谱设备还包括：前置镜头，用于将目标地物反射光传导至所述至少三个独立的分光单元模块。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过测量目标反射率的光谱设备，包括至少三个独立的分光单元模块、一个入光口和探测器，其中，相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm，目标地物反射光经所述入光口传递至所述至少三个独立的分光单元模块并色散分光，之后为所述探测器探测，解决了现有单个光谱设备的波长范围窄，目标反射率测量复杂的问题，扩展了单个光谱设备的波长覆盖范围，由于是同一光谱设备测量的，便于宽光谱范围内目标反射率的连续测量，同时减少了测量误差，简化了测量流程。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出根据本公开实施例的测量目标反射率的光谱设备的结构示意图。

图2示出根据本公开实施例的测量目标反射率的方法的流程图。

图3示出根据本公开实施例的测量目标地物反射率的原理示意图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。

在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

现有技术中，通常采用多台光谱设备组合测量，而不同光谱设备间在测量精度、信噪比、非线性和稳定性等方面具有微小差异，导致测量误差较大，操作复杂，且无法实现连续宽光谱范围内目标地物反射率的测量。

为解决上述技术问题，本公开实施例提供的测量目标反射率的光谱设备，包括至少三个独立的分光单元模块、一个入光口和探测器，其中，相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm，目标地物反射光经所述入光口传递至所述至少三个独立的分光单元模块并色散分光，之后为所述探测器探测，解决了现有单个光谱设备的波长范围窄，目标反射率测量复杂的问题，扩展了单个光谱设备的波长覆盖范围，由于是同一光谱设备测量的，便于宽光谱范围内目标反射率的连续测量，同时减少了测量误差，简化了测量流程。

图1示出根据本公开实施例的测量目标反射率的光谱设备的结构示意图。

如图1所示，所述测量目标反射率的光谱设备1包括：一个入光口10、一根一分三光纤束20、三个独立的分光单元模块30和探测器40。其中，相邻两个分光单元模块30之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm。目标地物反射光经入光口10传递至三个独立的分光单元模块30并色散分光，之后为探测器40探测。

根据本公开的实施例，分光单元模块包括可见光-近红外单元模块、近红外短波单元模块和近红外长波单元模块。

具体地，三个独立的分光单元模块30包括：第一分光单元模块、第二分光单元模块、第三分光单元模块。其中，第一分光单元模块可以是可见～近红外单元模块，用于覆盖400-950nm的波段范围；第二分光单元模块可以是近红外短波单元模块，用于覆盖850-1700nm的波段范围；第三分光单元模块可以是近红外长波单元模块，用于覆盖1650-2500nm的波段范围。通过第一分光单元模块、第二分光单元模块、第三分光单元模块的组合来覆盖400-2500nm的波长范围。其中，第一分光单元模块与第二分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围850-950nm，第二分光单元模块与第三分光单元模块具有重叠的波长覆盖范围1650-1700nm。本公开以三个独立的分光单元模块为例进行示意性说明，可以理解的是，独立的分光单元模块的数量至少但不限于三个，例如为N个，只需相应地将一分三光纤束替换为一根一份N光纤束即可，其中，N的数值与独立的分光单元模块的数量相同，从而覆盖400-2500nm的波长范围。N个独立的分光单元模块中相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，从而保证探测范围内波长的连续性。

可以理解的是，分光单元模块还可以选择可见光单元模块和近红外单元模块，只要相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm即可，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，测量目标反射率的光谱设备1还包括：前置镜头，用于将入射光传导至所述至少三个独立的分光单元模块。通过一根一份N光纤束或前置镜头将目标地物反射光信号汇聚至分光单元模块并色散分光，色散后的光信号最终被探测器所探测。

根据本公开的实施例，三个独立的分光单元模块30独立工作，均采用平场凹面光栅分光的方式。分光单元模块30的基本结构包括入射狭缝、滤光片、平场凹面光栅。一分三光纤束将目标地物反射光传导至分光单元模块30，光信号通过入射狭缝、滤光片滤光后入射至平场凹面光栅表面，通过平场凹面光栅的色散分光后被探测器40探测。

根据本公开的实施例，在同一稳定光源下使用本公开提供的光谱设备分别获得目标地物和标准漫反射白板的垂直反射辐亮度。将地物目标反射辐亮度除以白板反射辐亮度，并乘以白板垂直方向反射率，即可得到目标地物的反射率，其中白板垂直方向反射率可由制造商处获得。

在本公开方式中，利用光谱设备测量目标地物的反射率(即目标反射率之前)，由于光谱设备直接采集的数据通过模/数转换后以及归一化，并保存成特定的格式并输出，此时获得的数据为无量纲的DN值，需要进行光谱定标、辐射定标建立光谱设备输出值与辐亮度之间的对应关系。为了保证探测范围，光谱范围临近的两分光单元模块波长具有一定的重叠区域，而为保证整个波段的连续性，需要去除光谱重叠区域，得到平滑的目标曲线。由此建立400-2500nm波段范围内，光谱设备的输出DN值与辐亮度的对应关系，之后再在同一稳定光源下根据目标曲线分别获得待测目标地物和标准漫反射白板的垂直反射辐亮度，并结合标准漫反射白板垂直方向反射率，计算得到待测目标地物的反射率。

图2示出根据本公开实施例的测量目标反射率的方法的流程图。

如图2所示，所述测量目标反射率的方法，由图1所述的光谱设备执行，包括：

步骤S101：利用光谱设备垂直观测目标地物，探测器将采集到的数据经过放大、A/D转换后输出，进行归一化处理，并保存成特定格式，所获得数据为无量纲的DN值数据，该数据与探测器像元一一对应。

DN值是遥感影像像元亮度值，记录目标地物的灰度值，是一个无量纲的整数值，其值大小与传感器辐射分辨率，地物目标发射率、大气透过率和散射率等有关。

步骤S102：对光谱设备进行光谱定标得到各分光单元模块覆盖的波段范围内，波长与探测器像元的对应关系。

本公开方式中，光谱定标可以采用标准光源法或者以可调谐激光器进行光谱定标或者采用单色仪结合平行光管进行光谱定标。

以标准光源法为例进行说明：采用标准光源作为入射光源，并通过光谱设备采集光源信号。对比光源标准谱线获得各分光单元模块在不同像元的波长值。通过多项式拟合，获得像元与波长的对应关系，计算公式如式(1)所示。通过高斯拟合获得各分光模块在特定波长下的半峰全宽(full width at half maxima，FWHM)，可以此评估模块的光谱分辨率。

λ＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+....+a_nxⁿ (1)

式中，λ为波长，x为像元数。

步骤S103：对光谱设备进行辐射定标建立光谱设备输出值与辐亮度之间的对应关系。

在本公开方式中，辐射定标的目的是获得设备的辐射定标系数，将直接获得的DN值转换成辐亮度值。可以采用标准灯结合漫反射板或者基于辐射计，例如低温辐射计或者传递辐射计的方法。

以标准灯结合漫反射板的方法进行说明，通过光谱仪测量辐射已知且稳定的光源来获得设备的辐射定标系数：经过国家计量院标定后的标准灯在距离灯丝500mm位置处的辐照度已知且长期稳定。假设光谱设备与标准灯灯丝的距离为d，标准灯辐照度E₀，光谱设备定标系数为R，各参数计算公式如式(2)～(4)所示。

式中，d₀为标准灯的标准距离，d₀＝500mm；E₀为d₀＝500mm时灯的辐照度，为已知量，ρ₀为标准漫反射白板45°方向反射率；L_d为标准漫反射白板距离灯丝为d时的辐亮度值，可通过公式(2)计算。DN_nor-L为标准漫反射白板在距离灯丝为d时，光谱设备测得归一化的DN值，光谱设备定标系数为R可通过公式(3)计算。

步骤S104：利用光谱设备测量目标地物获得辐亮度曲线，再通过软件绘制所述辐亮度曲线并删除相邻两分光单元模块的光谱重叠波长，得到平滑的目标曲线。

为了保证探测范围的连续性和准确性，相邻两分光单元模块在波长范围上有部分重叠。在实际使用时，需要找出光谱重叠波长位置，使去除重叠区域后的两模块光谱曲线能够平滑的连接在一起。

重叠波长的获取方法为：在同一稳定光源下，采用光谱设备分别获得同一目标的辐亮度曲线。以波长为横坐标，通过软件将3个分光单元模块的辐亮度曲线绘制在同一图中，通过目视或软件选点的方式得到重叠波长并删除两分光单元模块重叠波长前后的数据。

步骤S105：在同一稳定光源下根据所述目标曲线分别获得待测目标地物和标准漫反射白板的垂直反射辐亮度，并结合标准漫反射白板垂直方向反射率，计算得到待测目标地物的反射率。

请参照图3，步骤S103获得光谱设备定标系数R后，可通过公式(4)如下计算得到稳定光源下的待测目标地物、标准漫反射白板的垂直反射辐亮度L，

L＝DN_nor-T/R (4)

还可以对公式(4)计算得到的垂直反射辐亮度值L进行线性插值处理，以获得获得特定波长下的辐亮度值L_line。线性插值的目的是保证不同光谱设备具有相同的波段范围，以便于数据的对比。

具体地，已知(λ₀，L₀)与(λ₁，L₁)，可以获得[λ₀，λ₁]内任意波长λ下的辐亮度值L_line，计算公式如式(5)所示：

然后通过公式(6)计算出待测目标地物的反射率。

式中，ρ_target为待测目标地物的反射率，ρ_white为白板垂直方向反射率，可由制造商处获得；L_target为待测目标地物的垂直反射辐亮度，L_white为标准漫反射白板的垂直反射辐亮度。

本公开实施例提供的测量目标反射率的方法，解决了现有单个光谱设备的波长范围窄，目标反射率测量复杂的问题，扩展了单个光谱设备的波长覆盖范围，由于是同一光谱设备测量的，便于宽光谱范围内目标反射率的连续测量，同时减少了测量误差，简化了测量流程。

作为另一方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中电子设备或计算机系统中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本公开的方法。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种测量目标反射率的光谱设备，其特征在于，包括至少三个独立的分光单元模块、一个入光口和探测器；其中，相邻两个分光单元模块之间具有重叠的波长覆盖范围，且组合波长范围覆盖400-2500nm；目标地物反射光经所述入光口传递至所述至少三个独立的分光单元模块并色散分光，之后为所述探测器探测。

2.根据权利要求1所述的光谱设备，其特征在于，所述分光单元模块包括可见光-近红外单元模块、近红外短波单元模块和近红外长波单元模块。

3.根据权利要求2所述的光谱设备，其特征在于，所述三个独立的分光单元模块包括：

第一分光单元模块，覆盖400-950nm的波段范围；

第二分光单元模块，覆盖850-1700nm的波段范围；

第三分光单元模块，覆盖1650-2500nm的波段范围。

4.根据权利要求1所述的光谱设备，其特征在于，所述分光单元模块包括可见光单元模块和近红外单元模块。

5.根据权利要求1所述的光谱设备，其特征在于，所述分光单元模块包括入射狭缝、滤光片、平场凹面光栅。

6.根据权利要求1所述的光谱设备，其特征在于，还包括：一根一分N光纤束，用于将目标地物反射光传导至所述至少三个独立的分光单元模块；其中，N的数值与所述分光单元模块的数量相同。

7.根据权利要求1所述的光谱设备，其特征在于，还包括：前置镜头，用于将目标地物反射光传导至所述至少三个独立的分光单元模块。

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