推帚式高光谱成像仪光谱定标及精度控制研究

高光谱成像仪的光谱定标是为了确定仪器各波段中心波长和光谱分辨率,是获取地物光谱信息的必要条件。高光谱成像技术取得较快发展的同时,它的光谱分辨率也越来越高,这必然要求光谱定标的精度更高。文中从单色仪对定标精度影响出发,研究得到光源辐射强度包络对精度的影响可以达到0.12 nm以上,这对于定标精度要求很高的高光谱成像仪来说不可忽略。根据不同波长处包络的影响我们对中心波长精度进行了改善。通过实验得出波段210~228之间的中心波长精度提高了0.2 nm左右,约占总波段数的11%,波段165~209之间的中心波长精度提高了0.12 nm左右,约占总波段的24%。     

红外高光谱成像仪的系统测试标定与飞行验证

红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段,由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因,红外谱段的高光谱成像系统并不常见,目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪,它在8.0~12.5μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息,光谱分辨率优于44 nm,光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°,空间分辨率优于1 mrad,噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定,并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验,获取了指定区域的红外高光谱图像,处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率,反演的发射率曲线可以用于地物识别.     

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。     

宽谱段高光谱成像仪星上波长定标方法

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求，优选出高精度的太阳参考光谱，用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线，并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差，以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS，确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下，可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。     

机载热红外多光谱数据定标与温度反演

设计了热红外航空遥感实验,对获取的热红外图像进行了定标,用发射率归一化方法反演了地物的温度和发射率光谱,探讨了利用地物热红外光谱识别地物的可行性.结果表明,基于热红外多光谱数据的发射率归一化方法可以有效地反演地物温度和发射率光谱,所反演的发射率光谱可以比较有效地应用于地物的识别,尤其是对于土壤不同性状的探测识别可以取得良好的结果.     

卫星高光谱红外大气探测的正演模拟研究

利用精确的红外大气辐射传输计算模型KCARTA,模拟计算了光谱分辨率、通道光谱响应函数、光谱定标精度、大气倾斜路径和表面发射率对高光谱观测亮温的影响.正演计算的结果表明：1）提高光谱分辨率明显增加了可探测的大气亮温;2）各种内、外部因素的变化对高光谱仪器将产生远较低光谱仪器更大的观测亮温差.本研究可为我国高光谱大气探测仪器的设计以及高光谱大气探测反演算法研究的开展提供科学的参考依据.     

红外甚高光谱分辨率探测仪高精度在轨光谱定标

红外甚高光谱分辨率探测仪(AIUS)是高分五号(GF-5)卫星的主要载荷之一,它通过太阳掩星观测实现多种大气痕量气体垂直分布信息的获取,准确的光谱定标是其数据定量反演的关键和基础。针对AIUS超高的光谱分辨率、无配套星上光谱定标设备的问题,提出基于大气吸收特征谱线的多谱线线性拟合算法,通过多普勒频移修正、多谱线筛选、准确谱峰位置确定等关键技术提高其在轨光谱定标精度,并在GF-5卫星成功发射后,围绕AIUS开展了一系列的光谱定标和精度分析工作。结果表明:该方法可实现AIUS的高精度光谱定标,MCT和In Sb通道的平均谱峰绝对偏差分别为0.004 37cm~(-1)和0.003 89cm~(-1),均小于痕量气体反演应用要求的0.008 cm~(-1)。     

机载大气红外高分辨率光谱的信息量分析

机载红外高分辨率干涉光谱仪（HIS）是遥感大气信息的大气红外背景辐射测量装置。基于HIS红外高光谱大气数据,对大气温度和主要大气吸收气体进行了敏感性分析;并通过引入信息容量的概念,利用一维变分方法,对HIS测量装置遥感探测大气参数的能力进行评估,定量描述了HIS测量的红外光谱反演大气温度和水汽的信息容量、自由度和垂直分辨率等信息,其中温度、水汽的信息容量分别为49.5、25.2;自由度分别为10.5、5.6,温度的平均垂直分辨率为2.2 km,水汽的垂直分辨率为2 km;讨论了HIS的反演精度与仪器测量误差之间的关系,获取了大气温湿廓线的最小可探测精度。     

土壤中红外发射率提取算法研究

基于四步观测法,提出了一种土壤中红外发射率提取方法.该方法利用热红外的ISSTES算法获得土壤热红外的发射率光谱和高精度的土壤温度估值,并将得到的温度估值用于中红外的发射率提取,减少中红外待反演参数.形成多余观测,使用最小二乘方法求解土壤中红外的发射率.重点分析了仪器定标误差和辐射传输方程简化对中红外发射率提取的影响.最后,基于模拟数据给出了中红外部分波段发射率反演误差较大的原因.     

基于大气吸收线特征的高光谱热红外数据地表温度/比辐射率反演算法

地表温度和比辐射率的准确提取和反演是热红外遥感的核心问题之一.由于地表温度/比辐射率反演问题的病态性,以及地表—大气强耦合特征等诸多问题,导致目前反演精度仍有待进一步提高.通过深入挖掘大气吸收峰/谷通道处下行辐射偏移量特性,提出了一种基于大气吸收线特征的高光谱热红外温度/比辐射率反演方法,并通过最优通道选择提高了算法的效率和精度.算法一定程度上可抑制大气校正不准确引入的误差,能够有效提高低比辐射率地物的反演精度.模拟数据结果表明:针对高比辐射率地物,算法与ISSTES方法的反演精度基本一致;针对低比辐射率地物,算法最大可提高温度0.48 K和比辐射率2.1%的精度.地面实测数据结果表明:约77%的样本温度反演误差优于1K,比辐射率误差均值优于0.01.     

基于天宫一号高光谱成像仪的替代光谱定标方法精度对比分析

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结果表明:基于三景图像的非同步替代光谱定标结果相近,差异小于0.2 nm,标准差小于0.11;同步和非同步两种替代光谱定标结果差异小于0.3 nm;以星上定标结果为基准,两种替代光谱定标方法的误差分别为0.384 nm和0.489 nm,二者差异较小.可见,可采用非同步替代光谱定标方法对高光谱成像仪进行高频次的光谱定标.     

热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响,红外焦平面阵列不可避免地存在盲元,严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像,空间维只剩一维,与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标,有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发,以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据,在数据规则化处理的基础上,自动提取有效像元目标的伪光谱曲线,采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验,结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息,检测精度较高,盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。     

机载热红外高光谱成像仪的光谱性能测试与初步应用

介绍了机载热红外高光谱成像仪样机的低温光谱仪设计特点,为了检测系统的光谱识别能力,在实验室开展了详细的光谱性能测试。为满足气体探测对超高光谱精度的需求,提出了采用CO₂激光器结合高精度单色仪的方法应用于色散型高光谱成像系统。在实验室对氨气气体进行了准确的红外吸收光谱测试,表明系统可用于气体探测及识别。在此基础上,开展了飞行试验,应用结果表明热红外高光谱可以有效开展城市典型建筑物分类、工业化学气体排放种类和形态监测等应用,特别是后者是目前其它光学遥感手段尚不具备的。以上研究和试验结果表明机载热红外高光谱成像仪已经具备了业务应用能力,后续将在仪器辐射定量化精度的提升方面进一步开展研究工作。     

基于中阶梯光栅的光谱定标装置设计方法

针对紫外-可见光波段高光谱成像仪光谱定标装置的设计进行研究,论述了中阶梯光栅的光学原理,根据光谱定标原理,利用中阶梯光栅工作角度大、衍射级次高、光谱分辨率高的优点,建立了基于中阶梯光栅的光谱定标装置,提出了基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计方法。以大气探测卫星Aura 上所搭载的臭氧观测仪为例论述了光谱定标装置的设计过程,仿真分析了光谱定标装置带宽对光谱定标精度的影响,给出了衍射级次、光谱分辨率、平行光管焦距等光谱定标装置主要性能参数的设计计算方法,为基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计提供了依据。     

航天遥感器热红外波段辐射精度分析

根据遥感器的辐射定标方法和计算模型,对遥感器的辐射精度进行了分析。当假设遥感器观测地面目标、冷空间和星上黑体定标源都通过扫描镜成像时,扫描镜的热辐射以及仪器有背景辐射能量不会对辐射精度产生影响,影响遥感器辐射精度的主要因素是遥感器的信噪比、星上定标黑体的比辐射率误差、星上定标黑体的温度测量误差以及中心波长的漂移等因素。     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

用于气体传感的一维光子晶体窄带红外发射光源

基于有限一维光子晶体表面电磁波理论,以探测CO_2为例,设计了一个中心波长为4.23μm,发射率大于99%,发射谱线半高宽FWHM=49.9nm的窄带准相干红外发射光源.采用传输矩阵方法对这种光源进行了理论分析,并用时域有限差分(FDTD)方法对器件垂直入射时的反射谱和稳态电场分布进行了数值仿真,仿真光谱特征和理论计算得到的结果吻合,证明了这种窄带红外发射光源的可行性.     

中波红外大气透过率特性分析

大气透过率是影响太阳辐射以及地表热辐射的一个重要参量。利用MODTRAN辐射传输模型,对中波红外波段(3~5 μm)处的大气透过率以及其影响因子的贡献进行了详细的分析。在此基础上,结合MODIS在该谱区设置的6个通道,分别讨论了各吸收气体对通道透过率的影响。结论表明,水汽和混合气体是造成中波红外波段大气透过率衰减最重要的影响因子。MODIS通道透过率与通道光谱响应函数的宽度和气体分子的吸收带位置有关。