一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法与流程

本发明属于星载成像光谱仪紫外波段遥感数据应用领域，具体涉及一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法。

背景技术：

星载成像光谱仪在轨运行时通过漫反射板获取太阳参考谱，太阳参考谱的辐照度值由成像光谱仪的辐照度定标系数得到，因此高精度的辐照度定标系数是获取精确太阳参考谱的前提和保证。

目前常用的辐照度定标方法为，选取标准卤钨灯作为定标光源，获取成像光谱仪不同入射角度下的辐照度定标系数，但卤钨灯在紫外波段辐射强度较弱，很难对成像光谱仪紫外通道进行高精度的辐照度定标，而高功率紫外增强型氙灯没有提供标准辐照度值，无法单独使用，因此有必要结合标准卤钨灯和氙灯，提出一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，实现紫外波段的高精度辐照度定标。

目前国外同类型的具有紫外通道探测的成像光谱仪omi(ozonemonitoringinstrument)的辐照度定标时，采用nist标定后的1000w石英卤钨灯，石英卤钨灯直接照射到星上定标板上，灯和定标板的距离为1363±2mm，入射方位角和俯仰角为标称值(参见marcelr.dobber,etal.ozonemonitoringinstrumentcalibration.ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,44(5),2003:1209-1238.)，tropomi(troposphericmonitoringinstrument)在辐照度定标时，采用nist校准的1000w石英卤钨灯，将fel灯置于三个位置重复绝对辐照度测量(参见quintuskleipool,etal.pre-launchcalibrationresultsofthetropomipayloadon-boardthesentinel-5precursorsatellite,11,2018:6439–6479)。

综上所述，目前对成像光谱仪进行辐照度定标时，由于氙灯无法提供标准的辐照度值，通常采用1000w标准卤钨灯对紫外探测通道进行标定，因卤钨灯在紫外波段辐射强度较弱，无法保证紫外探测通道在低曝光时间、低增益下的辐照度定标精度

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明采用标准卤钨灯和高功率紫外增强型氙灯相结合，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，提供星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，实现了紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。该方法采用标准卤钨灯和高功率紫外增强型氙灯相结合，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，实现了紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，首先选取高精度标准卤钨灯作为辐照度定标光源，得到星上定标板上不同位置处的辐照度值，获取到紫外通道高曝光、高增益工作参数下每个探测像元对应的辐照度定标系数，其次标定高功率紫外增强型氙灯，以星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，以实现紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标。

具体实现方法如下：一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，包括如下步骤：

第一步，辐照度定标距离、定标角度确定；

辐照定标中选取的1000w标准卤钨灯(可溯源至nist)能够提供在灯距l0处的标准辐照度值i0(λ)，λ为波长，定标选取辐照度定标距离l1，基于星载成像光谱仪轨道高度、升/降交点时间及在轨辐照度定标特性，可以确定辐照度定标方位角的变化范围，基于在轨辐照度定标时长可确定俯仰角θ的变化范围；

第二步，获取星上定标板处的辐照度值；

首先基于l0处的标准辐照度值i0(λ)，得到在距离l1处垂直照射下的辐照度i1(λ)，此辐照度基于距离平方反比关系得到，然后根据定标方位角及俯仰角θ得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角基于对i1(λ)进行余弦修正，进而得到定标距离l1及定标角度θ对应的定标板处的辐照度值

第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数；

设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集n幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据i＝1～n为采集幅序数，以保证观测数据具有较高信噪比，然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值以进一步提高信噪比，基于和辐照度值可得到辐照度定标系数

第四步，标定高功率紫外增强型氙灯；

采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为l2，采集n幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值基于和辐照度定标系数可得到氙灯在定标板处的辐照度值

第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标；

调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g，采集n幅氙灯观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值基于和辐照度值可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数具体的，通过如下步骤实现：

1、第一步，辐照度定标距离、定标角度确定，具体实现如下：

(1)调整标准卤钨灯的位置，设定其到定标板的距离为l1；

(2)基于星载成像光谱仪轨道参数及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角的变化范围，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围。

2、第二步，获取星上定标板处的辐照度值，具体实现如下：

(1)基于l0处的标准辐照度值i0(λ)得到在距离l1处垂直照射下的辐照度

(2)根据定标方位角及俯仰角θ进行坐标系转换，得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角

(3)基于对i1(λ)进行余弦修正，得到定标板处的辐照度值

3、第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数，具体实现如下：

(1)设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集n幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据

(2)对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值

(3)基于和辐照度值可得到辐照度定标系数

4、第四步，标定高功率紫外增强型氙灯，具体实现如下：

(1)采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为l2；

(2)采集n幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值

(3)基于和辐照度定标系数可得到氙灯在定标板处的辐照度值

5、第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标，具体实现如下：

(1)首先调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g；

(2)采集n幅氙灯观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值

(3)基于和辐照度值可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用nist标定的1000w卤钨灯作为标准辐照度源，能够保证紫外通道在高曝光、高增益下的定标精度。

(2)本发明采用星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，保证了传递中介和标定目标仪器的一致性，保证了标准传递的精度。

(3)本发明采用标定后的高功率紫外增强型氙灯对紫外通道进行辐照度定标，可以进一步提高低曝光、低增益下的辐照度定标精度。

附图说明

图1为星载成像光谱仪紫外波段辐照度定标的获取流程；

图2为nist标定的1000w卤钨灯在40cm和50cm处的辐照度值；

图3为星载成像光谱仪紫外波段对图2中40cm处辐照度值的响应值；

图4为星载成像光谱仪紫外波段观测的高功率紫外增强型氙灯定标数据；

图5为基于高功率紫外增强型氙灯标定的辐照度定标结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1～图5所示，本发明中，一种星载成像光谱仪紫外波段的辐照度定标方法，采用nist标定的1000w卤钨灯作为标准辐照度源，为解决紫外通道在高曝光、高增益下的定标精度的问题，采用星载成像光谱仪作为中介将辐照度标准传递到高功率紫外增强型氙灯，能够提高标准传递的精度，采用标定后的高功率紫外增强型氙灯对紫外通道进行辐照度定标，可以进一步提高低曝光、低增益下的辐照度定标精度。

第一步，辐照度定标距离、定标角度确定；

辐照定标中选取的1000w标准卤钨灯(可溯源至nist)能够提供在灯距l0处的标准辐照度值i0(λ)，λ为波长，定标选取辐照度定标距离l1，基于星载成像光谱仪轨道高度、升/降交点时间及在轨辐照度定标特性，可以确定辐照度定标方位角的变化范围，基于在轨辐照度定标时长可确定俯仰角θ的变化范围；

第二步，获取星上定标板处的辐照度值；

首先基于l0处的标准辐照度值i0(λ)，得到在距离l1处垂直照射下的辐照度i1(λ)，此辐照度基于距离平方反比关系得到，然后根据定标方位角及俯仰角θ得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角基于对i1(λ)进行余弦修正，进而得到定标距离l1及定标角度θ对应的定标板处的辐照度值

第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数；

设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集n幅高曝光时间t、高增益g工作参数下的定标板观测数据i＝1～n为采集幅序数，以保证观测数据具有较高信噪比，然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值以进一步提高信噪比，基于和辐照度值得到辐照度定标系数所述高曝光时间是指曝光时间t≥1500ms；所述高增益是指增益g≥2.5倍；

第四步，标定高功率紫外增强型氙灯；

采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为l2，采集n幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值基于和辐照度定标系数可得到氙灯在定标板处的辐照度值

第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标；

调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g，采集n幅氙灯观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值基于和辐照度值可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数

根据本发明的一个实施例上面的各步骤具体实施如下：

1、第一步，辐照度定标距离、定标角度确定，具体实现如下：

(1)调整标准卤钨灯的位置，设定其到定标板的距离为l1＝40cm；

(2)基于星载成像光谱仪轨道参数及在轨辐照度定标特性，确定辐照度定标方位角的变化范围为13°～30°，基于在轨辐照度定标时长确定俯仰角θ的变化范围为5°～10°。

2、第二步，获取星上定标板处的辐照度值，具体实现如下：

(1)如图2所示，基于l0＝50cm处的标准辐照度值i0(λ)得到在距离l1＝40cm处垂直照射下的辐照度

(2)根据定标方位角及俯仰角θ进行坐标系转换，得到卤钨灯照射方向与定标板法线夹角

(3)基于对i1(λ)进行余弦修正，得到定标板处的辐照度值

3、第三步，获取高曝光时间、高增益下的辐照度定标系数，具体实现如下：

(1)设置成像光谱仪紫外通道为定标模式以实现对定标板的观测，采集n＝100幅高曝光时间t＝2000ms、高增益g＝63工作参数下的定标板观测数据

(2)对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值平均值如图3所示；

(3)基于和辐照度值可得到辐照度定标系数

4、第四步，标定高功率紫外增强型氙灯，具体实现如下：

(1)采用高功率紫外增强型氙灯照射定标板，设定氙灯照射定标板的距离为l2＝40cm；

(2)采集n＝100幅高曝光、高增益工作参数下的定标板观测数据然后对n幅观测数据进行平均得到观测数据平均值平均值如图4所示。

(3)基于和辐照度定标系数可得到氙灯在定标板处的辐照度值

5、第五步，利用氙灯完成紫外通道全工作参数下的辐照度定标，具体实现如下：

(1)首先调节成像光谱仪紫外通道的工作参数曝光时间t、增益g；

(2)采集n＝100幅氙灯观测数据然后对n＝100幅观测数据进行平均得到观测数据平均值

(3)基于和辐照度值可得到紫外通道全工作参数下的高信噪比高精度辐照度定标系数图5为低曝光时间t＝400ms、低增益g＝0下的辐照度定标系数。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。