长波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法与流程

本发明涉及地面定标技术，具体涉及长波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法。
背景技术：
：定标是光标或高光谱技术应用的一个重要环节，是指确定遥感器输出准确数值的过程，主要包括辐射定标和光谱定标；辐射定标的任务是利用辐射参考标准,建立光谱仪的数字化输出与其接收的地面景物辐亮度之间的换算关系；光谱定标就是测量光谱仪随入射辐射波长变化的响应，其主要目的是确定探测器不同光谱通道中心波长的位置和光谱分辨率；辐射定标和光谱定标是保证光谱/高光谱设备真实有效的获得地物目标信息的首要工作，是成像光谱仪定量化应用的关键。对于红外成像光谱仪来说，辐射定标通常采用黑体来完成，光谱定标通常采用激光器实现，这两个过程相对独立，并且定标设备复杂，尤其对于外场实验来说，一定程度上增加了成像光谱仪应用的复杂度；若能在采用黑体进行辐射定标的同时，完成光谱定标，即实现辐射、光谱的一体化定标工作，将大大降低红外成像光谱仪的应用及后续数据处理的难度。而常见的很多塑料薄膜中存在的特殊基团，其分子结构一般会对应有物质的红外特征吸收峰位置数目、相对强度和形状(峰宽)等参数，可以用来进行光谱定标；聚丙烯材料由于[ch2ch(ch3)]n化学键的存在，在973cm-1、998cm-1和1167cm-1处呈现特征吸收峰，并且这三处特征吸收峰性能稳定，不受高温、潮湿、强光等恶劣条件的影响，在采用黑体对长波红外成像光谱仪进行辐射定标的同时，将聚丙烯材料覆盖在黑体上，观测特征吸收峰的位置及数目，即可实现长波红外成像光谱仪的光谱定标。技术实现要素：本发明的目的是提供长波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法，采用黑体和聚丙烯材料对傅里叶变换式长波红外成像光谱仪进行辐射和光谱一体化定标，以满足长波红外成像光谱仪的定标需求。本发明通过以下技术方案实现：长波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法，采用黑体和聚丙烯薄膜对傅里叶变换式长波红外成像光谱仪进行辐射和光谱一体化定标。长波红外成像光谱仪辐射和光谱一体化定标方法步骤如下：步骤a)将黑体辐射面贴近到长波红外成像光谱仪入瞳口；步骤b)采集若干组温度下黑体以及将聚丙烯薄膜覆盖在黑体表面的干涉数据；步骤c)对步骤b取得的干涉数据分别进行傅里叶变换，得到若干组温度下黑体和聚丙烯薄膜的测量光谱数据；步骤d)提取步骤c得到的黑体测量光谱数据，采用两点定标法求取长波红外成像光谱仪的辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)，得到长波红外成像光谱仪的响应函数m(σ)，实现长波红外成像光谱仪的辐射定标；步骤e)对同一温度下聚丙烯薄膜以及黑体光谱数据求差值，得到聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置坐标；步骤f)通过光谱定标原理计算特征吸收峰位置坐标在长波红外波段范围内对应的光谱位置，并与聚丙烯材料的标准谱线进行比较，实现成像光谱仪的光谱定标。作为优选，所述长波红外成像光谱仪的波长范围为8到11μm，即波数范围909cm-1-1250cm-1，光谱分辨率在0.25cm-1以下；所述黑体为面源黑体，其辐射面尺寸为8cm×8cm、最高温度100℃、发射率0.96。作为优选，所述步骤d中确定长波红外成像光谱仪的辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)的过程即为辐射定标的过程，其响应函数m(σ)＝辐射增益g(σ)*入射光谱辐射亮度l(σ，t)+辐射偏置o(σ)；在正常状态下长波红外成像光谱仪输入与输出之间的线性响应关系即为长波红外成像光谱仪的响应函数，其公式为：m(σ)＝g(σ)*l(σ，t)+o(σ)。作为优选，所述步骤d中两点定标法求取长波红外成像光谱仪的辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)是通过测量两个高低温黑体的辐射来求解的辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)，低温的黑体测量值mc(σ)＝辐射增益g(σ)*低温黑体的光谱辐射亮度lbb，c(σ，tc)+辐射偏置o(σ)，高温的黑体测量值mh(σ)＝辐射增益g(σ)*高温黑体的光谱辐射亮度lbb，h(σ，th)+辐射偏置o(σ)；低温公式为mc(σ)＝g(σ)*lbb，c(σ，tc)+o(σ)，高温公式则为mh(σ)＝g(σ)*lbb，h(σ，th)+o(σ)；通过解方程可得长波红外成像光谱仪的辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)，公式即为：和o(σ)＝mc(σ)-g(σ)*lbb，c(σ，tc)。作为优选，所述步骤c中对于傅里叶变换，干涉数据中某一波长的干涉条纹在频域空间(σ)对应一条谱线；设干涉数据中的干涉图包含n个波数成分：σ1，σ2，σ3…σx，经过傅里叶变换后，在频域空间它们的谱线位置分别为：x1,x2,x3,…xn，由于干涉光程差是线性变化的，所以傅里叶变换之后的波数也是线性分布的，并且具有如下比例关系：因此，在光谱定标中，如果已知波数的起点位置，则仅需要确定其中一条已知波长或波数光线的谱线位置，就可以根据上式确定其它光线的波数位置；如果确定了两条谱线的位置，则不需要波数的起点位置也能定标波数位置，同时，可以由定标出的谱线位置，由谱线的最小间隔可直接计算出系统的光谱分辨率。作为优选，所述步骤a中黑体辐射面贴近到长波红外成像光谱仪入瞳口需使黑体辐射面充满视场，用以保证定标的准确性。本发明通过采用黑体和聚丙烯材料对傅里叶变换式长波红外成像光谱仪进行辐射和光谱一体化定标；分别测量若干组温度下黑体以及将聚丙烯薄膜覆盖在黑体前的干涉数据，对干涉数据进行傅里叶变换，得到若干组温度下黑体及聚丙烯薄膜的光谱数据，采用两点定标法求取长波红外成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置，得到长波红外成像光谱仪的响应函数，实现长波红外成像光谱仪的辐射定标；对同一温度下聚丙烯薄膜以及黑体光谱数据求差值，得到聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置坐标，通过光谱定标原理计算特征吸收峰位置坐标在长波红外波段范围内对应的光谱位置，并与聚丙烯材料的标准谱线进行比较，实现长波红外成像光谱仪的光谱定标。与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1)采用黑体进行辐射定标的同时，在黑体前覆盖聚丙烯薄膜即可实现光谱定标，实现辐射、光谱的一体化定标工作，大大降低红外成像光谱仪的应用及后续数据处理的难度；2)定标设备简单易实现，并且定标精度高、稳定性好；3)提高红外成像光谱仪的定标方法的可靠性。附图说明图1为对70℃黑体进行辐射定标结果与理论值的比较图。图2是光谱定标时60℃聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线。图3是光谱定标时70℃聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线。图4是光谱定标时80℃聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。本实施方式中，针对长波红外成像光谱仪定量化应用问题，聚丙烯材料由于[ch2ch(ch3)]n化学键的存在，在973cm-1(10.28μm)、998cm-1(10.02μm)和1167cm-1(8.57μm)处呈现特征吸收峰，并且这三处特征吸收峰性能稳定，不受高温、潮湿、强光等恶劣条件的影响，在采用黑体对长波红外成像光谱仪进行辐射定标的同时，将聚丙烯材料覆盖在黑体上，观测特征吸收峰的位置及数目用以实现长波红外成像光谱仪的光谱定标。本实施方式中，在正常状态下，长波红外成像光谱仪可近似为一个线性响应系统，输入与输出之间的关系即为仪器响应函数：m(σ)＝g(σ)*l(σ，t)+o(σ)，式中m(σ)为仪器测量值，g(σ)为仪器的辐射增益，l(σ，t)为入射光谱辐射亮度，o(σ)为仪器的辐射偏置；辐射定标的过程即确定仪器辐射增益g(σ)和辐射偏置o(σ)的过程。本实施方式中，两点辐射定标通过测量两个高低温黑体的辐射来求解g(σ)和o(σ)，其数学表达式如下：mc(σ)＝g(σ)*lbb，c(σ，tc)+o(σ)，mh(σ)＝g(σ)*lbb，h(σ，th)+o(σ)；其中mc(σ)为低温黑体测量值，lbb，c(σ，tc)为低温黑体的光谱辐射亮度，mh(σ)为高温黑体测量值，lbb，h(σ，th)为高温黑体的光谱辐射亮度，接上述数学表达式可得到和o(σ)＝mc(σ)-g(σ)*lbb，c(σ，tc)；即可解出得到长波红外成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置。本实施方式中，对于傅里叶变换的长波红外成像光谱仪，某一波长的干涉条纹在频域空间中，即波束空间σ对应一条谱线；设干涉图中包含n个波数成分：σ1，σ2，σ3…σx，经过傅里叶变换后，在频域空间它们的谱线位置分别为：x1,x2,x3,…xn，由于干涉光程差是线性变化的，所以傅里叶变换之后的波数也是线性分布的，并且具有如下比例关系：因此，在光谱定标中，如果已知波数的起点位置，则仅需要确定其中一条已知波长或波数光线的谱线位置，就可以根据上式确定其它光线的波数位置；如果确定了两条谱线的位置，则不需要波数的起点位置也能定标波数位置，同时，可以由定标出的谱线位置，由谱线的最小间隔可直接计算出系统的光谱分辨率。本实施方式中，采用黑体和聚丙烯薄膜对长波红外成像光谱仪进行辐射和光谱一体化定标，定标材料及设备为：聚丙烯薄膜；黑体为面源黑体，其辐射面尺寸为8cm×8cm、最高温度100℃、发射率0.96；还有傅里叶变换式长波红外成像光谱仪，其光谱范围为8～11μm，光谱分辨率的最高0.25cm-1。本实施方式中，如图1至图4所示，具体实施步骤为：步骤1)长波红外成像光谱仪开机，设置光谱分辨率、积分时间；步骤2)将黑体辐射面贴近成像光谱仪入瞳口，使黑体辐射面充满视场；步骤3)黑体升温至60℃，待黑体温度稳定，采集60℃时黑体干涉数据；步骤4)将聚丙烯薄膜覆盖在黑体表面，采集60℃时聚丙烯薄膜干涉数据；步骤5)黑体升温至70℃，待黑体温度稳定，采集70℃时黑体干涉数据；步骤6)将聚丙烯薄膜覆盖在黑体表面，采集70℃时聚丙烯薄膜干涉数据；步骤7)黑体升温至80℃，待黑体温度稳定，采集80℃时黑体干涉数据；步骤8)将聚丙烯薄膜覆盖在黑体表面，采集80℃时聚丙烯薄膜干涉数据；步骤9)将60℃、70℃、80℃时黑体干涉数据和聚丙烯薄膜干涉数据分别进行傅里叶变换，得到60℃、70℃、80℃时黑体和聚丙烯薄膜测量光谱数据；步骤10)将60℃和80℃时黑体测量光谱数据进行两点辐射定标，得到成像光谱仪的辐射增益g和辐射偏置0；步骤11)由步骤10)中得到的辐射增益g和辐射偏置0对70℃黑体测量光谱进行辐射定标，得到70°黑体对应的光谱辐亮度值，与70℃黑体理论值进行比较，结果如图1所示；步骤12)将60℃、70℃、80℃时聚丙烯薄膜和黑体测量光谱对应求差值，得到聚丙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线，如图2-4所示，特征吸收峰位置坐标如表1所示，三组温度下吸收峰位置求平均，得到三个吸收峰位置为378、388、453；表160℃70℃80℃973cm-1378378378998cm-13883883881167cm-1453453453步骤13)根据光谱定标原理，若第378点在长波红外波段范围内对应的光谱位置为973cm-1，则由公式计算得到第388点对应的光谱位置为(388-378)×973/378+972＝998.74cm-1，与理论光谱位置998cm-1相差0.74cm-1，第453点对应的光谱位置为(453-378)×973/378+973＝1166.06cm-1，与理论光谱位置1167cm-1相差0.94cm-1，至此实现了长波红外成像光谱仪的光谱定标。步骤14)至此，完成了长波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标工作。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。当前第1页12