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%。     

天宫一号高光谱成像仪成功用于地球环境监测

据www．clnse．gov．cn网站报道,2011年9月29日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射了天宫一号目标飞行器。利用目标飞行器的实验支持能力,载人航天工程空间应用系统开展了三项空间科学实验与应用研究。截至目前,相关科学实验与应用研究已取得了一系列重要成果。     

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。     

高光谱成像仪交叉定标技术研究及应用

针对高光谱成像仪的在轨定标,提出三种交叉定标技术方案,分析了时相匹配、视场匹配、光谱匹配和几何匹配等交叉定标过程中的关键单元技术,结合HJ-1A/HSI、EO-1/Hyperion等开展了交叉定标算法模型验证。通过这三种技术方案的应用,与场地定标相结合,将有利于提高在轨定标的频次、快速校验场地定标系数,有效提升高光谱数据的定量化应用水平。     

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。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪红外通道辐射定标的场地评估

对比分析了基于场地观测数据模拟的和FY-3A 中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道星上定标观测卫星入瞳亮温值。主要的场地观测数据来自于2008、2009年青海湖以及2010年敦煌外场同步观测和2008、2009年青海湖浮标观测。利用光学仪器的同步观测数据共有7组有效结果,两年的青海湖有效浮标数据一共18组。通过对比分析发现,MERSI观测结果基本都在夜间低于浮标同步观测结果,而白天偏高。综合与场地同步和浮标的对比结果发现,MERSI星上定标观测亮温值系统性偏高于基于场地观测数据模拟的亮温值,平均偏高1.721.18 K。MERSI星上定标观测亮温值的系统性偏高可能主要由星上黑体发射率未经过修正引起。     

一种高光谱相机绝对辐射定标方法

随着高光谱相机在特定区域特定波段背景辐射精确测量方面的应用,对高光谱相机辐射定标的精度、分辨率的要求也不断提高。本文通过测量滤波片透过率及积分球出射DN值得到各波段透过的能量占总透过能量的百分比,并结合实际测得的各波段辐亮度,建立其与相机探测器输出的各波段DN值的关系,达到辐射定标的目的。将提高高光谱相机定标分辨率转换为提高测量滤波片透过率的波长分辨率,简化了研究过程。通过定标结果可知,波长在较小范围内变化时,高光谱相机对其增益系数也会发生变化。     

风云三号B星中分辨率光谱成像仪响应衰变分析

搭载于风云三号B星(FY-3B)的中分辨率光谱成像仪(MERSI)安装了由积分球和监视探测器组成的太阳反射通道星上定标器。本文分析了2010年11月 13日至2013年4月11日期间的星上定标数据,评估了FY-3B星上定标器和MERSI的响应衰变情况。结果表明,星上定标器的输出和MERSI的响应均存在衰变,且衰变程度与波长有关。星上定标器除通道1(470nm)年衰变率超过7.0%外,其余通道年衰变率小于5.0%。MERSI 470-565nm等短波通道衰变较大,年衰变率超过10.0%;长波通道衰变较小,年衰变率小于4.0%。     

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽（Full Width at Half Maximum,FWHM）随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度,尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 m处的吸收通道作为参考波段,提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm,中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时,大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时,对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型,用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时,光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后,将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示,热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm,FWHM变化为-18.5 nm。     

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。     

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.     

运动补偿下双通道星载高光谱成像仪图像配准

最新一代可见近红外（VNIR）和短波红外（SWIR）双通道星载高光谱成像仪,多采用视场分离器将VNIR和SWIR通道分离为多个子视场,同一时刻各子视场对地成像区域不同,在采用运动补偿技术提高图像信噪比时,各子视场对同一地物的观测角不同,导致图像间失配关系复杂,无法获取同一地物的VNIR-SWIR连续光谱。通过建立运动补偿下的严格成像几何模型,定量分析了双通道图像的畸变和失配规律,进而提出了各子视场分别几何定位再相位相关法配准的方案,并利用东天山区域运动补偿下星载双通道高光谱仿真数据进行验证。结果表明,传统的基于图像的配准方案精度为3.9像元,仍无法得到同一地物像元的VNIR-SWIR光谱曲线,文中方案配准精度提高到0.3像元,VNIR和SWIR重叠波段的反射率光谱重合度误差由41.5%降低到1.2%。     

基于元素灯的多通道光谱仪定标研究

多通道光谱仪光谱范围为190~603 nm,由于常规的汞灯定标方式在部分波段谱线较少,不满足定标后谱线准确度要求。为了使定标精度更高,本文研究了利用元素灯对多通道光谱仪进行光谱定标。通过分析190~603 nm波段内Ag、Zn、Mg、Hg、Bi、Mn、Cu、Na、Si、Ca、Cr、Se、As等13组空心阴极元素灯的光谱,选取可利用谱线,将该谱线与实际的数据库进行对比,得到可利用谱线的实际波长；然后利用待定标多通道光谱仪分析13组空心阴极元素灯的光谱,得到可利用谱线的像素点；最后通过最小二乘多项式算法实现各通道的光谱定标。定标后,分析设备的波长准确度,验证经元素灯定标后的设备满足波长准确度要求。     

高精度视轴指向可变角度高光谱成像系统研究

研制了一套高精度视轴指向的可变角度高光谱成像系统,基于对指向镜的复合控制实现了高精度视轴指向和探测角度可变功能,实验室试验获取了高精度视轴指向的多角度高光谱图像,证明了系统方案的可行性。光机结构简单、体积小、重量轻,适合轻小型无人机应用,对多角度高光谱成像技术在林业上的应用具有一定的推广价值。     

高光谱图像组合光谱特征研究

在此分析了典型植被、岩矿、土壤和水体地物的光谱特性曲线及其一阶和二阶导数的特点与异同。研究表明通过光谱导数技术,可以快速分析出高光谱特性曲线的反射峰和吸收谷谱带的相关特征,且不同类别地物目标在原始光谱曲线和各阶光谱导数曲线上存在不同敏感波段。因此提出将高光谱原始数据和其各阶导数曲线的敏感波段综合起来构成组合光谱特征,以此达到优化高光谱特征性和降低分类难度,从而进一步提高分类性能的方法。实验结果表明组合光谱特征可以实现高光谱图像有效分类。     

基于LCTF的水下光谱成像系统研制

水下光谱成像技术在水下目标物识别、海洋生态监测等领域有着重要作用。基于实际工程使用环境设计了基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的水下光谱成像系统。该系统通过采用LCTF作为滤光结构以获得水下目标物的光谱信息。水下光谱成像系统在宽光谱LED光源的照明下,进行水池实验获得了目标物在波长400~700 nm之间的31个通道光谱图像。对水下具有相似颜色的不同物体的光谱信息进行了讨论和分析,结果表明:该系统有助于水下目标物识别和分类。在海试中对珊瑚进行了原位观测,成功获取了珊瑚礁的水下光谱图像。该系统有望应用于海洋遥感、海洋生态环境监测等领域。     

基于红外热像仪的弹药热毁伤测量误差消除方法研究

红外热像仪已广泛应用于弹药毁伤性能评估领域。针对国内基于红外热像仪热毁伤评估精度矫正文章较少的情况,梳理了部分评估误差来源,并提出了对应的误差补偿思路。通过对热毁伤测量试验的误差来源进行理论分析,对由测距和大气透射引发的测温误差做出公式修正。并通过爆心定位、设立标识杆,排除了测量过程可能会引入的误差。最后,对火球红外图像进行了盲元校正及图像增强处理,提升了图像辨识度,改善了火球毁伤范围定位的精确度。     

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求,采用风云三号气象卫星红外分光计(IRAS)与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法,建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统.通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析,结果显示,IRAS与IASI的相关系数均在0.98以上,通道1和18的定标偏差最大,分别为-3.7 K和2.1 K,通道9和16也有超过1K的偏差,其他通道的平均偏差均在1 K以内.地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大,在1.5~3 K左右,其他通道观测误差稳定性较好,均在1.5 K以内.通道2、3、4,10~13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显,通道14~20定标偏差随目标亮温变化趋势最强,最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5 K.定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定,变化幅度不超过0.3 K;通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1 K,通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2~4 K.总之,在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具,为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据.