中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
技术领域：
，尤其涉及中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：
：以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。定标是成像光谱仪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,建立成像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。光谱定标就是测量成像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成像光谱仪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。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种中波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法，能够在进行辐射定标的同时实现光谱定标，定标精度高、稳定性好，并且定标设备简单易实现。本发明中波红外成像光谱仪的辐射和光谱一体化定标方法，其特征在于包括：s1、分别在第一定标温度和第二定标温度下采集黑体的干涉数据，基于该干涉数据确定光谱仪在第一定标温度下的第一响应值和在第二定标温度下的第二响应值；s2、在黑体表面覆盖聚乙烯薄膜，采集第二定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第二响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标；s3、基于第一响应值、第二响应值以及黑体在第一定标温度和第二定标温度下的理论辐射亮度值，拟合成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置，得到成像光谱仪的响应函数；s4、基于聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标和其中一个特征吸收峰的理论光谱位置，确定聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置，根据确定出的光谱位置以及所述另一个特征吸收峰的理论光谱位置确定光谱仪的光谱定标精度；其中，第一定标温度与第二定标温度不相等。优选地，步骤s2包括：在黑体表面覆盖聚乙烯薄膜；采集第一定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第一响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的第一位置坐标；采集第二定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第二响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的第二位置坐标；针对聚乙烯薄膜的每一个特征吸收峰，以该特征吸收峰的第一位置坐标和第二位置坐标的平均值作为该特征吸收峰的位置坐标。优选地，成像光谱仪的响应函数为：m(σ)＝g(σ)·l(σ,t)+o(σ)式中，m(σ)为成像光谱仪在位置坐标σ处的响应值；g(σ)为成像光谱仪的辐射增益，o(σ)为成像光谱仪的辐射偏置；l(σ,t)为在温度t时位置坐标σ处的辐射亮度。优选地，对于任意一个波长的光源，其在频域空间内的光谱位置以及每个光谱位置的位置坐标之间满足如下关系：式中，σ1为第1个光谱位置，x1为光谱位置σ1处的位置坐标；σ2为第2个光谱位置，x2为光谱位置σ2处的位置坐标；σ3为第3个光谱位置，x3为光谱位置σ3处的位置坐标；σn-1为第n-1个光谱位置，xn-1为光谱位置σn-1处的位置坐标；σn为第n个光谱位置，xn为光谱位置σn处的位置坐标；n为光源对应的光谱位置个数。优选地，按照如下公式确定所述聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置：式中，为聚乙烯薄膜其中一个特征吸收峰的理论光谱位置，x10为聚乙烯薄膜在光谱位置σ10处的位置坐标；σ20为聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置，x20为聚乙烯薄膜在光谱位置σ20处的位置坐标。优选地，所述黑体为面源黑体。优选地，所述黑体的最高辐射温度为100℃。本发明在采用黑体对中波红外成像光谱仪进行辐射定标的同时，将聚乙烯薄膜覆盖在黑体上，利用聚乙烯(pe)材料在光谱位置2920cm-1和光谱位置2850cm-1处具有稳定吸收峰、并且不易受高温、强光等恶劣条件影响的特点，实现对中波红外成像光谱仪的光谱定标，定标精度高、稳定性好，并且定标设备简单易实现，为中波红外成像光谱仪的定量化应用奠定基础。附图说明通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：图1是示出本发明对80℃黑体进行辐射定标结果与理论值的比较图的示意图；图2是示出70℃时聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线示意图；图3是示出80℃时聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线示意图；图4是示出90℃时聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲线示意图。具体实施方式下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。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。聚乙烯(polyethylene，pe)材料在红外波段3.42μm和3.5μm为亚甲基-ch2的非对称和对称伸缩振动吸收，有两个较强的吸收峰，分别对应光谱位置2920cm-1和光谱位置2850cm-1，可以作为中波红外成像光谱仪的光谱定标材料。本发明在采用黑体对中波红外成像光谱仪进行辐射定标的同时，将聚乙烯薄膜覆盖在黑体上，实现对中波红外成像光谱仪的光谱定标。具体地，辐射和光谱一体化定标方法包括：s1、分别在第一定标温度和第二定标温度下采集黑体的干涉数据，基于该干涉数据确定光谱仪在第一定标温度下的第一响应值和在第二定标温度下的第二响应值；s2、在黑体表面覆盖聚乙烯薄膜，采集第二定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第二响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标；s3、基于第一响应值、第二响应值以及黑体在第一定标温度和第二定标温度下的理论辐射亮度值，拟合成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置，得到成像光谱仪的响应函数；s4、基于聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标和其中一个特征吸收峰的理论光谱位置，确定聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置，根据确定出的光谱位置以及所述另一个特征吸收峰的理论光谱位置确定光谱仪的光谱定标精度；其中，第一定标温度与第二定标温度不相等。聚乙烯材料不仅在光谱位置2920cm-1和光谱位置2850cm-1处具有稳定吸收峰，而且不易受高温、强光等恶劣条件的影响，因此本发明的一体化定标方法不易受温度、强光等因素波动的影响，定标精度高，适用范围广。此外，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。本发明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，定标设备简单，能够大大红外成像光谱仪的应用及后续数据处理的难度。在采集黑体表面的聚乙烯薄膜的干涉数据时，可以仅采集一个定标温度下的干涉数据，基于一个定标温度下的干涉数据确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标；也可以采集两个或者多个定标温度下的干涉数据，基于该两个或者多个定标温度下的干涉数据确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标。以每个定标温度下采集的干涉数据作为一组，干涉数据的组数越多，由此确定的聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的位置坐标越准确。本发明分别在第一定标温度和第二定标温度下采集黑体的干涉数据，为了尽量简化一体化定标的方法步骤，可以在第一定标温度或第二定标温度的条件下采集聚乙烯薄膜的干涉数据，例如，在第一定标温度或第二定标温度下采集黑体的干涉数据之后，在黑体表面覆盖聚乙烯薄膜，采集相同温度下覆盖在黑体表面的聚乙烯薄膜的干涉数据。在一些实施例中，在黑体表面覆盖聚乙烯薄膜；采集第一定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第一响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的第一位置坐标；采集第二定标温度下的干涉数据，基于该干涉数据与第二响应值确定聚乙烯薄膜两个特征吸收峰的第二位置坐标；针对聚乙烯薄膜的每一个特征吸收峰，以该特征吸收峰的第一位置坐标和第二位置坐标的平均值作为该特征吸收峰的位置坐标。将光谱仪在第一定标温度下的第一响应值和在第二定标温度下的第二响应值带入成像光谱仪的响应函数中即可拟合出成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置。在一些实施例中，成像光谱仪的响应函数成像光谱仪的响应函数为：m(σ)＝g(σ)·l(σ,t)+o(σ)式中，m(σ)为成像光谱仪在光谱位置σ处的响应值；g(σ)为成像光谱仪的辐射增益，o(σ)为成像光谱仪的辐射偏置；l(σ,t)为在温度t时光谱位置σ处的辐射亮度。光谱仪在第一定标温度下的第一响应值满足如下关系：m1(σ)＝g(σ)·l(σ,t1)+o(σ)光谱仪在第二定标温度下的第二响应值满足如下关系：m2(σ)＝g(σ)·l(σ,t2)+o(σ)根据上述两个关系式可以求解得到成像光谱仪的辐射增益和辐射偏置分别为：o(σ)＝m1(σ)-g(σ)·l1(σ,t1)对于傅里叶变换式光谱仪，某一波长的干涉条纹在频域空间(即波数空间σ)对应一条谱线。设干涉图中包含n个光谱位置：σ1、σ2、σ3…σn，经过傅里叶变换后，在频域空间它们的位置坐标分别为：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光谱位置也是线性分布的。在一些实施例中，对于任意一个波长的光源，其在频域空间内的光谱位置以及每个光谱位置处的位置坐标之间满足如下关系：式中，σ1为第1个光谱位置，x1为光谱位置σ1处的位置坐标；σ2为第2个光谱位置，x2为光谱位置σ2处的位置坐标；σ3为第3个光谱位置，x3为光谱位置σ3处的位置坐标；σn-1为第n-1个光谱位置，xn-1为光谱位置σn-1处的位置坐标；σn为第n个光谱位置，xn为光谱位置σn处的位置坐标；n为光源对应的光谱位置个数。因此，在光谱定标中，如果已知光谱位置的起点位置坐标，则仅需要确定其中一条已知光谱位置的位置坐标，就可以根据上式确定其它光谱位置的位置坐标。如果确定了两条谱线的位置坐标，则不需要光谱位置的起点位置也能定标谱线的位置坐标。同时，根据定标出的谱线位置坐标，由谱线的最小间隔可直接计算出系统的光谱分辨率。在一些实施例中，按照如下公式确定所述聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置：式中，为聚乙烯薄膜其中一个特征吸收峰的理论光谱位置，x10为聚乙烯薄膜在光谱位置σ10处的位置坐标；σ20为聚乙烯薄膜另一个特征吸收峰的光谱位置，x20为聚乙烯薄膜在光谱位置σ20处的位置坐标。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的黑体结构，优选地，可以选择面源黑体，结构简单、便于控制。优选地，黑体的最高辐射温度为100℃。以下以一个实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例采用黑体和聚乙烯(pe)薄膜对中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：聚乙烯(pe)薄膜、面源黑体(辐射面尺寸8cm×8cm、最高温度100℃、发射率0.96)、傅里叶变换式中波红外成像光谱仪(光谱范围：3～5μm，光谱分辨率：最高0.25cm-1)。具体步骤如下：1)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；2)黑体升温至70℃，待黑体温度稳定，采集70℃时黑体干涉数据；3)将聚乙烯(pe)薄膜覆盖在黑体表面，采集70℃时聚乙烯(pe)薄膜干涉数据；4)黑体升温至80℃，待黑体温度稳定，采集80℃时黑体干涉数据；5)将聚乙烯(pe)薄膜覆盖在黑体表面，采集80℃时聚乙烯(pe)薄膜干涉数据；6)黑体升温至90℃，待黑体温度稳定，采集90℃时黑体干涉数据；7)将聚乙烯(pe)薄膜覆盖在黑体表面，采集90℃时聚乙烯(pe)薄膜干涉数据；8)将70℃、80℃、90℃时黑体干涉数据和聚乙烯(pe)薄膜干涉数据分别进行傅里叶变换，得到70℃、80℃、90℃时黑体和聚乙烯(pe)薄膜测量光谱数据；9)将70℃和90℃时黑体测量光谱数据进行两点辐射定标，得到成像光谱仪的增益g(σ)和偏置o(σ)；10)由步骤9)中得到的增益g(σ)和偏置o(σ)对80℃黑体测量光谱进行辐射定标，得到80°黑体对应的光谱辐亮度值，与80℃黑体理论值进行比较，结果如图1所示；11)将70℃、80℃、90℃时聚乙烯(pe)薄膜和黑体测量光谱对应求差值，得到聚乙烯(pe)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，三组温度下吸收峰的光谱位置求平均，得到两个吸收峰位置为738、756；表1pe薄膜在70℃、80℃和90℃时差值曲线极值点坐标(无量纲)70℃80℃90℃2850cm-17387387382920cm-175775575612)根据光谱定标原理，若第738点在中波红外波段范围内对应的理论光谱位置为2850cm-1，则另一个特征吸收峰对应的光谱位置为：与理论光谱位置2920cm-1之间相差0.5cm-1。虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。当前第1页12