长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术,对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。采用自行研制长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置(简称CHIPED-I)进行验证,用黑体对实验装置进行了两点线性定标,将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱,采用亮温法算出标定后的亮温光谱。结果表明,这种辐射定标方法用于长波红外高光谱成像光谱仪方法可行,这对进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义。     

HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道交叉定标

以TERRA卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器热红外通道的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法获取HJ-lB卫星红外多光谱相机(IRS)传感器热红外通道定标系数.首先,获取两个传感器的对应通道,利用MODTRAN模拟光谱响应、观测角、大气条件和温度变化对匹配因子的影响.然后确定此研究只考虑对应通道的波谱响应和地表温度差异,并计算出不同地表温度下匹配因子的变化趋势.选择7次不同时间双星同步观测青海湖区域的图像作为交叉定标数据,根据MODIS的辐射亮度和匹配因子计算出IRS传感器热红外通道的辐射亮度,最后,将得到的辐射亮度和DN值进行线性回归,获得IRS热红外通道的定标系数.将此次定标结果与HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道星上4次黑体定标结果进行比较,定标结果一致性较好.     

变积分时间的空间红外相机单点绝对辐射定标法

针对星上多点辐射定标获取方法问题,研究了变积分时间的单点绝对辐射定标方法。首先,根据红外相机响应特性建立了变积分时间的红外成像系统响应模型;其次,分析了变积分时间和变辐射亮度相机响应模型的理论差异,提出了利用星上单点标准变积分时间的红外相机绝对辐射定标方法;最后,结合探测器的光谱响应曲线,分析了变积分时间单点定标法引入的系统误差。实例计算表明:在积分时间为10 ms、温度范围为250～500 K的黑体辐射能量下,对应适当温度的单点标准变积分时间绝对定标方法,引入的最大原理误差可达1.5%。变积分时间的单点绝对定标方法避免了黑体多点定标设计和控制的复杂性,可用于空间红外相机的在轨辐射定标。     

宽动态范围红外辐射测量系统快速定标算法

红外辐射测量系统的宽动态范围定标通常是在多个温度点下,设置多个积分时间并适当加入衰减片的方式实现的。其不仅效率低、耗时长、成本高且影响整个红外辐射测量系统实时性和机动性。对此,在考虑积分时间的定标模型基础上,提出宽动态范围快速定标方法。只需调节一次积分时间和一次温度即得到宽动态范围任意积分时间的定标方程。利用400 mm红外辐射测量系统对快速定标方法的定标精度、测量精度进行验证。实验结果表明:快速定标方法与直接定标结果之间最大误差为2.75%,该方法外场测量时最大辐射测量误差为11.69%,相比传统辐射测量最大误差不超过1.52%。说明快速定标方法能有效地保证系统辐射定标精度,提高辐射测量系统的定标效率,缩短定标时间,实现对系统宽动态范围任意积分时间的定标。整个辐射测量过程实时性好,操作简单、易实现且可靠性高,适应针对外场条件下红外辐射特性测量系统的要求,外场测量结果也说明快速定标可以直接应用于靶场目标的红外辐射测量任务中。     

基于机载FTIR的辐射定标研究

用机载傅里叶变换红外光谱法(FTIR)可在各种地物背景条件下被动遥测大气中痕量气体的浓度.对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节.实验中用120℃和140℃黑体对MB154光谱仪进行了两点线性定标,给出了标定后130℃时的黑体辐射谱.结果表明,通过该方法标定的辐射光谱与由普朗克公式计算得到的理论值吻合得很好.对地表背景变化复杂、采集波段为2000cm-1～5000cm-1的机载FTIR原始光谱进行了分段定标校正,并将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱.这对于进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义.     

FY-3B MERSI短波红外波段温度响应与在轨定标分析

风云三号B星(FY-3B)中分辨率光谱成像仪(Medium resolution spectral imager, MERSI)的两个短波红外波段(1.64和2.13 $\mu$m) 采用光伏碲铬汞探测器,由于辐冷问题导致短波红外波段探测器的实际工作温度远高于设计值,影响了其在轨辐射特性。 对处于高温工作状态的FY-3B MERSI短波红外波段的长时间序列在轨辐射特性进行了较为系统的研究分析。采用冷空观测和 遥测温度时间序列数据开展了工作温度对遥感器响应的影响分析,发现短波红外波段的冷空值与探测器温度之间存在正 相关关系。采用线性模型描述仪器响应的温度依赖性,获得了温度校正因子;温度每变化1度, 1.64和2.13 $\mu$m波段冷空观 测值分别变化约0.7\%和5\%。进行温度校正后,冷空观测时间序列的波动显著降低。采用全球多目标定标方法获得了 短波红外波段的在轨辐射响应变化,在参考温度下,2011年11月至2016年12月,1.64和2.13 $\mu$m波段的总衰减分别 约为6\%和11\%。通过与Aqua中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)的 多年交叉比对分析,发现不管是否在定标过程中进行温度校正,采用基于长时间序列趋势建模的日定标更新后MERSI 与MODIS的辐射偏差较为稳定,可以满足7\%的定标指标要求。     

HJ-1B卫星热红外通道在轨场地定标与验证

在对热红外辐射计CE312定标的基础上,基于青海湖水面辐射校正场,采用CE312开展同步测量实验,对HJ-1B卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标。由于HJ-1B卫星在轨星上定标系统不稳定,高温点难以准确获取,因此分别使用单点法和两点法,对2010年8月1日和5日两组传感器入瞳等效辐亮度值和卫星通道计数值回归得到该卫星通道绝对定标系数,并使用内蒙达里湖水面辐射校正场2010年6月29日实测数据进行定标系数的验证工作。验证结果表明,青海湖场地两次定标系数有较好的一致性,定标结果稳定可信。两点法所得定标系数的精度高于单点法。     

3～5μm红外探测器的辐射定标

在对目标进行红外跟踪测量时,为了得到目标空间位置的同时,获得其红外辐射特性数据,设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统。以高精度的面源黑体为标准辐射源,对成像范围为3～5μm的中波红外探测器进行了响应度的标定。首先建立定标数学模型,确定定标流程;然后使用线性回归统计模型对响应度曲线进行拟合并评估,针对一般线性最小二乘法对局外点(outlier)敏感的缺点,提出Robust优化算法;最后,在外场对温度和特性已知的目标进行测量,通过实验室得到的响应度曲线和大气透过率参数进行红外辐射特性数据的反演,得到实际测量值与理论值的相对误差小于2%。结果表明,Robust优化算法能有效改善红外焦平面阵列响应度非线性引起的反演不确定度。     

红外光谱仪多点定标方法及环境温度校正

在红外光谱仪的定标中,为了减小误差,可以选取多温度点的测量来进行定标;此外对于测量较弱红外辐射的光谱仪,环境温度对定标结果也有不可忽视的影响．本文主要讨论利用测量多温度点的标准黑体进行定标的方法、试验结果分析以及环境温度对定标结果的影响．     

中波红外探测器辐射定标的简化方法

为了提高红外辐射定标效率,提出了简化的辐射定标方法。首先,提出带有积分时间变量的辐射定标数学模型,通过探测器像元响应灰度值随积分时间的变化曲线以及随黑体辐射亮度的变化曲线确定了辐射定标模型的具体形式,并介绍了模型中各参数的物理意义。接着,在不同环境温度下进行辐射定标实验,绘出辐射定标模型中各未知参数随环境温度的变化曲线,实验结果验证了辐射定标模型的正确性。然后,在这个模型的基础上提出了简化的辐射定标模型,即使用一元线性回归分析方法选择两个定标点,在两个典型的积分时间下采集这两个定标温度点的共四幅图像,经处理即可获取辐射定标模型的各未知参数。最后对通过辐射定标模型计算得到的辐射定标数据与实际定标获取的辐射定标数据进行比较分析。实验结果表明:计算值与定标值之间的误差优于1%。辐射定标模型准确,可以极大地提高辐射定标的效率。     

一种傅里叶红外光谱校准数据库软件系统研究

傅里叶红外光谱分析方法具有分辨率高、光通量大、频带宽等优点,在痕量成分分析领域应用广泛。在污染大气成分在线监测过程中,准确的标准光谱数据库是进行大气成分探测的首要条件和计算基础。开发了一套可用于红外光谱在线分析的校准光谱数据库平台,研究在使用傅里叶红外光谱仪进行实际测量的过程中,影响表观光谱的仪器因素,具体包括仪器分辨率、切趾函数和入射辐射的立体角等。在此基础上,对傅里叶红外光谱仪仪器线型函数进行建模,实现高分辨率校准光谱的环境参数和仪器线型函数匹配,建立了一套基于HITRAN的红外光谱定量校准数据库,并给出了基于该数据库的仿真校准光谱实例。该数据库可用于大气痕量和微量成分的红外光谱分析研究。     

基于斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法

斯托克斯椭偏仪可快速测量光束的偏振态,仪器矩阵的精确测量是斯托克斯椭偏仪一项非常重要的技术。为提高仪器矩阵的测量精度,基于四点定标法,提出了斯托克斯椭偏测量系统的多点定标法,并从理论上证明了该方法。在多点定标法的基础上采用六点定标法进行实验验证,结果表明采用多点定标法对系统定标是完全可行的,为斯托克斯椭偏仪的定标提供了新思路。同时六点定标法比四点定标法以及E-P定标法所获得的仪器矩阵更准确,在测量精度方面,该方法获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为3.15%。     

自适应积分时间改变的红外焦平面非均匀校正方法

基于黑体标定的红外焦平面校正方法,当探测器工作积分时间与校正参数获取时的积分时间不一致时校正效果会变差,究其原因主要是因为像元的响应输出随积分时间呈现一定的非线性,传统黑体定标类的校正方法属于积分时间维度上的单点校正。针对该问题提出了一种自适应积分时间改变的非均匀校正方法,该方法在辐射通量和积分时间两个维度上都进行多点校正,从而有效解决了变积分时间时校正效果变差的问题。另外,该方法直接存储原始黑体标定数据用于校正,不需要存储增益及偏置校正系数。使用局部非均匀性均值作为校正效果的评价方法,该评价方法更能反映校正后残差的局部特性。实验表明,相对于传统方法,该方法能够有效降低积分时间改变时校正后的图像非均匀性,提高了黑体定标类校正方法的工程适用性。     

基于高温黑体的傅里叶光谱测量系统响应度分段线性标定

傅里叶红外光谱仪（FTIR）光谱响应度的标定工作是FTIR红外光谱精准测量的基础。基于中国计量科学研究院（NIM）的ThermoGage HT9500型高温基准黑体辐射源,对NIM搭建的FTIR高温黑体红外辐射特性测量系统的光谱响应度,通过分段线性标定法进行了标定实验。建立并描述了FTIR测量高温黑体红外辐射特性系统响应度函数标定模型,并通过测量的黑体辐射源在1 273~1 973 K温区、1~14 m宽频谱内的红外光谱,对FTIR测量系统的光谱响应度进行了标定实验研究。结果表明:分段线性标定FTIR红外光谱测量系统方法具有良好可靠性。1 373~1 873 K温区的测量光谱与基于黑体标定的计算光谱在1~14 m频谱内平均偏差优于1%,黑体光谱辐射亮度峰值波长上反演得到的黑体计算温度与实际温度偏差优于0.45%。     

高温气体浓度光谱分析中的温度修正方法

随着国内经济的高速发展,环境空气质量日益恶化,气体排放源监测成为环境科学领域中的一项重要研究工作。文中提出并实现了高温参考谱模型法和标气测定法,对合成校准光谱进行了温度修正,从而提高基于数值计算的非线性最小二乘算法在高温气体浓度反演时的精度。从实验测得的透过率光谱中反演了不同温度下标准气体CO的浓度。结果表明:相对于未采取温度修正措施的校准谱获得的浓度反演结果,精度有较大提高。文中的研究结果对于研究高温气体光谱特征、不断完善定量分析算法、准确监测非常温下气体排放浓度、红外制导等具有重要意义。     

一种用于2~14 μm红外光谱辐射计的波长标定方法

针对所研制的基于渐变滤光片的高 分辨率宽波段红外光谱辐射计,提出了一种波 长标定方法。首先,由理论推导给出初始 波长,并对所用渐变滤光片的非线性进行校正。然后采用基 于波长基准源的特征峰匹配法进行波长校正,进而完成波 长标定。最后使用激光器对标定精度进行校验。结果表 明,本文方法的标定精度优于1%。     

血糖近红外定量分析方法研究

为解决传统有创检测血糖的问题,文中对近红外光谱无创血糖检测技术进行了研究。使用ABB公司的TALYS ASP531近红外光谱仪测得葡萄糖溶液的光谱,建模波段选取5 500~6 500 cm ^-1,使用偏最小二乘法建立光谱数据与对应浓度之间的校正模型。实验结果表明,校正模型的决定系数达到了0.983 99,校正均方根偏差为1.023 26 mmol·L ^-1,误差分布为-1.3~1.7 mmol·L ^-1,证明了近红外无创检测人体血糖浓度的可行性,为近红外血糖检测的研究提供了可靠的依据。     

3~5μm红外天空亮度测量的多元定标模型

传统一元定标法测量红外天空亮度,面临诸多困难,如测量易受环境温度变化影响、仪器动态范围不足等。提出增加积分时间为自变量的二元定标模型,解决了仪器动态范围不足的问题;然后通过改变环境温度的系列实验,掌握了二元定标模型中仪器辐射随环境温度变化的规律;基于此,提出再增加环境温度为自变量的三元定标模型。实验数据表明,三元模型与实测数据拟合程度很高,相关系数为1.000,模型参数a、b、d,95%置信度的相对不确定度均小于0.82%,当环境保持某一温度不变时,三元模型退化为二元模型,各模型参数稳定,其相对偏差小于0.6%。最后,通过红外天空亮度实测,验证并比较了三元和二元定标模型;结果表明,三元模型定标测量法使用条件宽泛,既扩大了仪器动态范围,又不受环境温度变化影响;更重要的是,不再需要现场定标,提高了测量精度和测试效率。     

原子发射双谱线测温常数静态标定实验研究

为了实现恶劣环境下瞬态高温的精确测量,设计了基于原子发射双谱线测温原理的光电测温器。采用高温黑体炉对光电测温器进行特定常数静态标定实验,选用CuⅠ 510.5nm和CuⅠ 521.8nm两条波长间隔小的谱线作为测温时的温标谱线,得到了测温常数A的值为0.1083,B的值为628.387。对标定后的光电测温器进行Cu燃烧温度场温度测试实验,并与计量部门标定过的M5型红外测温仪测量的标准温度进行比较。结果表明,两种方法测得温度的平均相对误差为1.3%。该研究为原子发射双谱线测温法准确测量瞬态高温提供了理论依据。