一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法及设备与流程

本发明涉及遥感信息处理和光谱分析技术领域，特别涉及一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法及设备。

背景技术：

仪器扫描函数又叫仪器线型函数(instrumentlineshape，ils)可以看作是输入光谱为无限窄单色谱线情况下光谱仪的输出光谱，它是由光谱仪的特征和光谱变换方法共同决定的。光谱仪测得的光谱为理论原始光谱和仪器线型函数的卷积，仪器的影响在一定程度上改变了原始光谱的特征。ils是光谱仪的重要性能表征参量，最终影响光谱仪测量光谱的精度，其作用主要包括：(1)通过ils的形状和半高全宽，分析仪器的光谱分辨率。(2)用来仿真仪器观测谱，即使用模拟仪器入瞳处光谱卷积ils。

传统的地面实验光谱仪的ils是通过线宽较窄的标准单色光源，如元素谱线灯、激光器、单色仪等，获取单色光经仪器后在光谱通道内的能量分布曲线；或者选取仪器光谱通道内的具有吸收特性的标准气体，利用气体吸收池内分子吸收谱线来测量光谱仪的ils，再将ils以参数表的方式固化到测量系统中作为光谱仪的表征参量。

在轨运行的高分辨光谱仪，由于卫星发射时的振动、轨道上的热变化、在轨外太空和地面实验室条件之间区别、外太空重力和辐射、仪器老化以及观察模式的切换都可能会对光谱仪的ils产生微妙的影响。由于星载光谱仪在轨运行时，不具备单色光或者气体吸收池的ils测量环境，无法采用与仪器发射之前地面实验室相同的直接测量方法。因此，对光谱仪在整个在轨运行中ils的变化进行描述和监督更新是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法及设备，对在轨运行中光谱仪的ils变化进行描述更新。

为实现以上目的，一方面，本发明采用的技术方案，包括如下步骤：

s1、获取待更新波段内的实际测量太阳光谱定标数据，以及读取地面实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据；

s2、在所述太阳光谱定标数据对应的波段范围内，读取对应的kurucz太阳模拟光谱数据，其中，太阳模拟光谱数据通过kurucz太阳光谱模型得到；

s3、根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化，若是执行步骤s4；

s4、改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数。

优选地，步骤s3，具体包：

s31、将所述太阳模拟光谱数据与所述原始仪器线型函数做卷积，得到理论光谱数据；

s32、在所述实际测量太阳光谱定标数据的n个光谱通道和所述理论光谱数据的n个光谱通道内分别选取m独立特征峰；

s33、计算每个光谱通道实际测量太阳光谱定标数据的独立特征峰的半宽数值与理论光谱数据的独立特征峰的半宽数值的差值；

s34、对各个光谱通道的吸收峰半宽数值差值求平均，得到仪器线型函数变化量；

s35、判断所述原始仪器线型函数变化量是否超过阈值，若是则执行步骤s4。

优选地，步骤s4具体包括：

s41、改变光谱仪的狭缝模型，将所述原始仪器线型函数与不同狭缝模型做卷积，得到不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数；

s42、将所述kurucz太阳光谱与同一波长范围内不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数做卷积，得出不同狭缝参数的理论光谱；

s43、使用迭代比较的方法，不断将不同狭缝参数的理论光谱与同一波段范围内的所述实际测量太阳光谱定标数据进行对比；

s44、当某一狭缝参数下的理论光谱与所述实际测量太阳光谱形状吻合度最好时，将该理论光谱对应的仪器线型函数作为空间光谱仪更新后的仪器线型函数。

另一方面，采用一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新设备，包括：处理器和存储设备；

处理器，用于实现各指令；

存储设备，用于存储所述各指令，所述各指令由处理器加载并执行：

获取待更新波段内的实际测量太阳光谱定标数据，以及读取地面实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据；

在所述太阳光谱定标数据对应的波段范围内，读取对应的kurucz太阳模拟光谱数据；

根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化；

若发生变化，则改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数。

优选地，根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化，具体包括：

将所述太阳模拟光谱数据与所述原始仪器线型函数做卷积，得到理论光谱数据；

在所述实际测量太阳光谱定标数据的n个光谱通道和所述理论光谱数据的n个光谱通道内分别选取m个独立特征峰；

计算每个光谱通道实际测量太阳光谱定标数据的独立特征峰的半宽数值与理论光谱数据的独立特征峰的半宽数值的差值；

对各个光谱通道的吸收峰半宽数值差值求平均，得到仪器线型函数变化量；

判断所述原始仪器线型函数变化量是否超过阈值，若是则更新仪器线型函数。

优选地，改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数，具体包括：

改变光谱仪的狭缝模型，将所述原始仪器线型函数与不同狭缝模型做卷积，得到不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数；

将所述kurucz太阳光谱与同一波长范围内不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数做卷积，得出不同狭缝参数的理论光谱；

使用迭代比较的方法，不断将不同狭缝参数的理论光谱与同一波段范围内的所述实际测量太阳光谱定标数据进行对比；

当某一狭缝参数下的理论光谱与所述实际测量太阳光谱形状吻合度最好时，将该理论光谱对应的仪器线型函数作为空间光谱仪更新后的仪器线型函数。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：由于太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征，以稳定的kurucz太阳光谱模型作为理论参考光谱，与在轨光谱仪实际测量的太阳定标光谱进行差值比较，演算出仪器ils的参数变化，实现对在轨高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督和更新。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法的流程示意图；

图2是一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法的详细流程示意图；

图3是原始的仪器线型函数和更新后的仪器线型函数图像；

图4是图3中原始仪器线型函数更新后的仪器线型函数图像。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图2所示，本实施例公开了一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新方法，包括如下步骤s1至s4：

s1、获取待更新波段内的实际测量太阳光谱定标数据，以及读取地面实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据；

需要说明的是，待更新波段包括co2波段等。然后通过指定路径位置读取地面实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据，这里的指定路径为文件路径：用于告诉cpu电脑，实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据放在存储系统中的具体位置。

s2、在所述太阳光谱定标数据对应的波段范围内，读取对应的kurucz太阳模拟光谱数据，其中，太阳模拟光谱数据通过kurucz太阳光谱模型得到；

需要说明的是，kurucz太阳模拟光谱数据可从标准和公开的太阳模拟数据库获取到。

s3、根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化，若是执行步骤s4；

需要说明的是，若否，则说明光谱仪仪器线型函数未发生变化，不需要进行更新。

s4、改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数。

进一步地，步骤s3，具体包：

s31、将所述太阳模拟光谱数据与所述原始仪器线型函数做卷积，得到理论光谱数据；

其中，将kurucz太阳光谱记为输入光谱r(λ)，理论参考太阳光谱r'(λ)等于输入光谱r(λ)与光谱仪仪器线型函数的f(λ)卷积，其中λ为光谱对应的波长：r'(λ)＝r(λ)*f(λ)，“*”为卷积符号。

s32、在所述实际测量太阳光谱定标数据的n个光谱通道和所述理论光谱数据的n个光谱通道内分别选取m个独立特征峰，这里，m、n均为常数

需要说明的是，每个光谱通道就是一个光谱波长范围。比如，光谱通道1：波长范围是0.58-0.68ms(可见光)；光谱通道2：波长范围是0.75-1.0ms(近红外)；光谱通道3：波长范围是3.55-3.93ms(中红外)等。

s33、计算每个光谱通道实际测量太阳光谱定标数据的独立特征峰的半宽数值与理论光谱数据的独立特征峰的半宽数值的差值其中i为吸收峰序号，j为光谱通道；

s34、对各个光谱通道的吸收峰半宽数值差值求平均得到仪器线型函数变化量；

s35、判断所述原始仪器线型函数变化量是否超过阈值，若是则执行步骤s4。

需要说明的是，本实施例中的阈值是经过大量实验得到的一个用于与原始仪器线型函数变化量进行比较的经验值。

需要说明的是，在实际测量太阳光谱定标数据中至少选取多条光谱通道，在理论光谱数据中至少选取多条光谱通道，每个光谱通道内提取取至少6个独立特征峰，因为特征峰越多，数据拟合均差(平均值)越准确。独立特征峰的选取原则为：

(1)独立谱线，谱线的尾翼不受临近谱线的影响；

(2)谱线特征明显，即谱线深度与基底具有较强对比度；

(3)较宽的光谱分布范围，通道光谱范围两端和中间均有对应特征线。

进一步地，步骤s4具体包括：

s41、改变光谱仪的狭缝模型，将所述原始仪器线型函数与不同狭缝模型做卷积，得到不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数；

s42、将所述kurucz太阳光谱与同一波长范围内不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数做卷积，得出不同狭缝参数的理论光谱；

其中，狭缝模型为：

式中：函数t(u)的作用是使得只计算区间-l到l范围内的干涉图，而截去这一区域以外的干涉图，l为光谱仪的最大光程差，u表示不同大小的光程差。

s43、使用迭代比较的方法，不断将不同狭缝参数的理论光谱与同一波段范围内的所述实际测量太阳光谱定标数据进行对比；

s44、当某一狭缝参数下的理论光谱与所述实际测量太阳光谱形状吻合度最好时，将该理论光谱对应的仪器线型函数作为空间光谱仪更新后的仪器线型函数。

另一方面，本实施例提供一种空间光谱仪仪器扫描函数的更新设备，包括：处理器和存储设备；

处理器，用于实现各指令；

存储设备，用于存储所述各指令，所述各指令由处理器加载并执行：

获取待更新波段内的实际测量太阳光谱定标数据，以及读取地面实验室测量的光谱仪原始仪器线型函数数据；

在所述太阳光谱定标数据对应的波段范围内，读取对应的kurucz太阳模拟光谱数据；

根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化；

若发生变化，则改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数。

进一步地，根据太阳光谱定标数据、光谱仪原始仪器线型函数数据和太阳模拟光谱数据，判断光谱仪仪器线型函数是否发生变化，具体包括：

将所述太阳模拟光谱数据与所述原始仪器线型函数做卷积，得到理论光谱数据；

在所述实际测量太阳光谱定标数据的n个光谱通道和所述理论光谱数据的n个光谱通道内分别选取m个独立特征峰；

计算每个光谱通道实际测量太阳光谱定标数据的独立特征峰的半宽数值与理论光谱数据的独立特征峰的半宽数值的差值；

对各个光谱通道的吸收峰半宽数值差值求平均，得到仪器线型函数变化量；

判断所述原始仪器线型函数变化量是否超过阈值，若是则更新仪器线型函数。

进一步地，改变光谱仪的狭缝模型得到不同的理论光谱，并使用迭代比较的方法，理论光谱与实测光谱数据进行对比，得到更新后的仪器线型函数，具体包括：

改变光谱仪的狭缝模型，将所述原始仪器线型函数与不同狭缝模型做卷积，得到不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数；

将所述kurucz太阳光谱与同一波长范围内不同狭缝模型切趾处理后的仪器线型函数做卷积，得出不同狭缝参数的理论光谱；

使用迭代比较的方法，不断将不同狭缝参数的理论光谱与同一波段范围内的所述实际测量太阳光谱定标数据进行对比；

当某一狭缝参数下的理论光谱与所述实际测量太阳光谱形状吻合度最好时，将该理论光谱对应的仪器线型函数作为空间光谱仪更新后的仪器线型函数。

需要说明的是，本实施例提供的更新设备与上述实施例提供的更新方法具有相同或相应的技术要点，该处不再赘述。

进一步地，采用本实施例提供的更新方法对在轨空间光谱仪的仪器线型函数的更新结果如图4所示，光谱仪原始仪器线型函数如图3所示。从图上可以看到3和图4图像形状相似，但更新后的仪器线型函数谱线更为平滑，抑制了波数σ1主峰附近的旁瓣，即消除了主峰附近的弱光谱信号，避免光谱仪在变换光谱在波数范围内的“维扰”而造成光谱仪光谱精度下降。光谱仪的仪器线型函数之所以会产生旁瓣就是因为空间光谱仪在轨运行时的环境和重力老化造成的。因此，本实施例可实现对在轨空间光谱仪仪器线型函数的监督和更新，消除了因空间环境等因素而造成的光谱仪仪器线性函数变化，且更新结果精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。