1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟，研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先，开展仪器线型函数（ILS）影响分析，确定不同影响因素（有限光程差、有限视场、离轴效应等）的分析方法；其次，以面阵型圆形探测器为例，结合仪器自身光学特性，构建仪器线型函数模型；然后，利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性；最后，基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据，进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明：有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽，并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正，中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10-6减小到0.54×10-6，边缘最差像元由-513.38×10-6减小到-0.15×10-6，且3个波段内所有像元均满足小于7×10-6的指标要求。
光谱学 光谱定标 仪器线型函数 离轴效应 红外高光谱大气探测仪 光学学报
2024, 44(12): 1230001
1 中国人民解放军91550部队, 辽宁 大连 116023
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
针对单透镜成像光谱仪的光谱标定展开研究, 利用单色仪扫频方式标记波长与像平面的相对关系, 利用汞灯特征谱线进行验证。针对选用的单透镜型号, 设计定标方案及步骤, 根据方案搭建实验平台, 完成实验分析验证, 最终结果表明该定标方法适用于单透镜成像光谱设备。
单透镜成像 成像光谱仪 光谱定标 single-lens imaging single-lens imaging spectrometer spectral calibration
为体系化地开展地面目标的光谱辐射特性测试, 提高光谱辐射计在地面目标红外特性测试中的精度, 本文系统地介绍了基于光谱辐射计的地面目标红外辐射特性测试原理、光谱数据定标原理、目标测试及大气透过率测试方法。以基于光谱辐射计的航空发动机红外辐射特性测试为例, 详述试验方案设计、试验实施过程、测试结果及分析。试验数据表明了本文所述方法的可行性和正确性, 针对航空发动机的红外辐射特性测试方法也可推广应用于其他各类型地面目标的红外特性测试与评估当中, 支撑地面目标红外光谱特性及隐身特性的研究。
光谱辐射计 红外辐射 光谱定标 大气透过率 spectral radiometer infrared radiation spectral calibration atmospheric transmittance
中国科学院空天信息创新研究院, 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程, 为了获取光谱辐亮度, 通常需要对光谱仪器进行辐射定标, 将光谱仪器输出的数值, 映射为物理量——辐亮度。 不同的光谱仪器的光谱响应不同, 因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。 光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的, 需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。 自第一台成像光谱仪诞生以来, 其定标方法逐渐固定, 通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标, 其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽, 可以将准单色光抽象为脉冲函数。 根据脉冲函数的特性, 改变准单色光的波长, 扫描光谱成像仪的响应波长范围, 是对光谱响应函数进行间隔采样的过程, 通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。 随着技术的发展, 探测器的灵敏度越来越高, 光谱成像仪的分辨率也越来越高, 为了完成光谱定标, 对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。 然而准单色光的带宽越窄, 其能量越低, 获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间, 使定标的效率降低。 从光谱定标的目的出发, 结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点, 通过理论分析, 提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法, 可以有效减少光谱定标的步骤, 提高定标的效率, 适用于光谱成像仪的快速定标。 该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标, 待标定光谱成像仪采用棱镜分光, 具有色散非线性的特点, 光谱分辨率在2~18 nm之间变化, 同时存在较大的谱线弯曲, 导致每个像元的中心波长都不同, 需要对每个像元进行光谱定标。 为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象, 将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝, 狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃, 其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线, 提高能量利用率; 毛玻璃用于匀化光照, 毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量, 结合提出的方法, 增加定标光的带宽, 提高能量, 最终完成了该光谱成像仪的快速定标, 利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。
高光谱成像 谱线弯曲 光谱定标 Hyperspectral imaging Spectral line bending Spectral calibration 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2013
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
紫外可见偏振成像光谱仪中沃拉斯顿棱镜的色散效应会导致探测器同一空间通道的中心坐标发生偏移,影响目标信号探测精度。根据偏振解调算法,利用沃拉斯顿棱镜出射的两正交分量调制光谱(S光和P光)实现偏振信息解调时,还需要完成光谱匹配。针对这一问题,提出了一种光谱定标与匹配方法。首先利用平行光源标定了仪器视场角与空间维像元的对应关系,提取出各空间通道对应的像元坐标集合并确定了视场定标方程;在同一空间通道内,通过低压汞灯标准光源对波长与像元的对应关系进行标定,得出光谱定标方程;利用视场定标和光谱定标结果完成正交分量光谱的匹配;最后利用太阳光谱中Fraunhofer线的特征波长对定标结果进行了检验。结果表明:紫外可见偏振成像光谱仪正交分量的光谱吸收峰位具有较好的一致性,定标值和标准值的偏差在0.1 nm以内,这验证了定标结果的准确性。
光谱学 光谱定标 偏振光谱仪 视场定标 Fraunhofer线
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230036
于 2018 年 5 月 9 日搭载高分五号卫星发射的大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 为紫外可见波段高分辨率成像光谱仪。为考察其在轨光谱性能, 首先采用波长寻峰法即以太阳 Fraunhofer 线作为特征峰以快速获取载荷的光谱范围, 然后采用谱线匹配法获取载荷空间维度的光谱弯曲值, 最后采用光谱拟合法获取光谱分辨率的变化。寻峰法通过与标准 Fraunhofer 线进行比对找寻特征峰, 得到其标准波长及对应像元, 经二阶多项式拟合可得到像元-波长对应关系。谱线匹配法通过 Pearson 相关系数法作为判据, 即利用两谱线之间相关系数作为匹配结果的判断条件, 得到测量谱线与标准谱线间的偏移值, 定标结果满足定标精度高于 0.05 nm 的要求。光谱拟合法通过求解将测量谱与高分辨率太阳参考谱拟合, 可以分析光谱分辨率变化。对 2019 年 1 月 7 日全天 15 轨数据的分析结果表明, 光谱分辨率在一天内的变化一致, 其单行标准差不超过 0.01, 因此在之后仪器长时间运作或受到干扰情况下, 利用此方法对其性能衰变进行分析具有重要意义。
大气痕量气体差分吸收光谱仪 光谱定标 光谱匹配 狭缝函数 environmental trace gases monitoring instrument spectral calibration spectral matching slit function 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 177
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 教育部光电成像技术与系统重点实验室, 北京 100081
3 中国气象局国家卫星气象中心, 北京 100081
4 中国遥感卫星辐射测量和定标重点实验室, 北京 100081
太阳参考光谱是星上辐射定标和波长定标的基准。 太阳活动周期内, 太阳辐照度光谱幅值存在周期性波动, 紫外波段光谱幅值变化达10%以上, 相对于3%的星上绝对定标需求, 太阳的时变特性不可忽略。 针对不同分辨率和采样率的太阳参考光谱, 首先研究了插值间隔和卷积间隔对计算MgII参数的数值影响, 通过分析比较后选择合适的插值、 卷积间隔, 并基于Climate和SORCE的MgII参数时间序列完成太阳周期性变化建模。 然后选择2003年8月21日至2012年4月15日期间80组数据, 每组包含2个不同日期的不同波长的辐照度光谱幅值和MgII值, 针对该80组数据使用一阶拟合取代比值方法计算得到转换因子, 将不同日期的太阳参考光谱幅值修正到同一日期并与实际观测真值比较; 结果表明了一阶拟合与比值方法相比有着更高的反演精度及预测精度。 最后, 基于一阶拟合转换因子和MgII参数时间序列对现有光谱进行时间和格式归一化, 通过分波段筛除偏离较大光谱数据的方法构建了2008年6月25日, 分辨率为1 nm、 采样率为0.1 nm的太阳参考光谱。 原有的12条光谱经过筛除后, 留下全波段均位于中位的光谱6条, 所构建的光谱同筛选出的6条光谱平均值相比, 绝对误差在0.982%以内。 所构建的光谱可以通过MgII参数时间序列和转换因子计算得到任意日期下的光谱。 针对该参考光谱利用KNMI高光谱进行分辨率和采样率提升, 最终基于我国计划发射的风云三号紫外高光谱臭氧探测仪（OMS）在轨观测和星上定标需求, 构建得到了波长范围250～500 nm, 分辨率0.1 nm, 采样率0.01 nm的太阳参考光谱。
太阳参考光谱 紫外波段 太阳周期变化 MgII参数 星上定标 光谱定标 Solar reference spectrum Ultraviolet band Solar cycle variation MgII index On-board calibration Spectral calibration 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2332
1 国家卫星气象中心 中国遥感卫星辐射测量与定标重点开放实验室, 北京 100081
2 中国气象科学研究院, 北京 100081
3 中国科学院 上海技术物理研究所, 上海 210083
风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射, 是我国第二代极轨气象卫星, 其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS), 实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测, 由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度, 红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果, 再基于仪器参数计算仪器线型函数, 进行光谱精校正, 开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术, 并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差, 基于地面单色激光测量数据验证, 长波4个探元20×10-6左右的偏差可订正到0.5×10-6(1和2探元)和7×10-6(3和4探元)以内; 中波1四个探元50×10-6左右的偏差可分别订正到6×10-6(1和3探元)、8×10-6(2探元)和13×10-6(4探元)以内; 基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10-6以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10-6的要求, 有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。
光谱定标 红外高光谱大气探测仪 离轴效应 spectral calibration High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Soun off-axis effects LBLRTM LBLRTM
