空间高光谱遥感仪器辐射定标技术研究

CIOMP OpenIR

	空间高光谱遥感仪器辐射定标技术研究
	孙立微
学位类型	博士
导师	方伟
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	空间绝对辐射定标激光定标光源卤钨灯光源光谱反演误差分析
摘要	二十一世纪以来,地球自然灾害频发,全球变暖、地震、海啸等。空间遥感技术可以对地球环境、资源分布等进行精确的测量。遥感数据的精度直接决定了人们对地球环境的认知程度。精确的辐射定标可以保证遥感数据对地球环境预测的准确性。当前主要在轨应用的辐射定标方法分为以下两种:第一种:以星载标准灯作为初级标准对空间遥感仪器实现绝对辐射定标。第二种是以自然界稳定的太阳光,结合均匀漫反射体,例如漫反射板、月球等作为定标光源。以上方法存在的主要问题是定标装置在发射过程和在轨运行期间会受到不可预期的影响,导致定标传递链断裂,不同仪器无法溯源到统一的标准。目前空间遥感仪器的绝对辐射定标精度只有10~(-2)量级,不能满足对遥感数据的精度达到10~(-3)量级需求的气候监测等领域的要求。与此同时,在科学研究领域也逐步要求光谱数据更加丰富,空间划分更加细致的遥感数据,在这种需求的促进下,在轨遥感仪器在光谱分辨率和空间分辨率上得到了长足的发展,即具有越来越多的光谱通道。因此使用传统的灯+滤光片式定标,会因为光谱通道的不匹配而引入巨大的误差,而且滤光片空间衰减难以定标,会导致高光谱遥感辐射定标出现巨大的偏差。目前国际上公认在轨定标性能最好的是MODIS,可以达到2%。它是使用太阳+漫反射板作为定标光源,而且是中分辨率仪器,但是据历年数据显示,它的不确定度有70%左右是漫反射板二向反射率定标不准确引起的,而其中太阳入射角难以测定是一个很大的原因,这导致对于高光谱遥感仪器的定标精度往往低于5%。因此本文设计了由激光二极管配合卤钨灯分别作为通道式定标和全谱段定标光源的高光谱遥感辐射定标方法,以传递辐射计作为辐射定标的二级标准溯源于SI标准的空间低温绝对辐射计。该空间辐射定标传递链路主要分为两个步骤进行。第一步是以激光作为辐射定标光源,通过积分球朗伯性的特点和离轴抛物面的准直性能,将激光发出的高斯光束转换为垂直入射漫反射板的照度均匀的具有极小发散角的准直光束,通过漫反射板转化为辐亮度均匀的面光源,通过传递辐射计和待定标遥感仪器同时以45°角观察漫反射板上同一块小面源,实现对遥感仪器的若干通道的光谱定标。利用激光所具有的单色性,提高了遥感仪器辐射定标的精度。第二步是通过遥感仪器去测量卤钨灯的光谱辐亮度值,根据传递辐射计定标过的光谱响应率得到卤钨灯若干光谱辐亮度值,最后通过光谱反演算法,再结合卤钨灯光谱曲线的平滑性,保证每个波长处的反演精度,通过反演光谱数据对高光谱遥感仪器的全谱段实现高精度辐射定标。以上两部分在同一定标光路下进行,保证漫反射板出射光的均匀性。同时使用激光作为光谱定标光源,减小了光谱不匹配所产生的影响,传递辐射计在相应波段不需要光谱筛选装置,减小了误差来源。本文的主要创新性内容如下:第一,研究国际上现有空间遥感辐射定标装置,总结其优势和主要存在的问题,在此基础上设计出高光谱遥感仪器辐射定标传递链路,以激光作为定标光源,空间低温辐射计作为初级标准,传递辐射计作为二级标准,实现对高光谱遥感仪器若干光谱通道的定标,最后使用遥感仪器本身测量卤钨灯的若干波长处的光谱辐亮度值,在此基础上反演出卤钨灯的整个光谱曲线数据,实现对遥感仪器全谱段定标。第二,空间光谱辐射定标的核心就是要求具有单色性和稳定性良好的光源,因此本文创新性的提出以激光作为辐射定标光源,设计了积分球,离轴抛物面和平面反射镜组成定标光源装置,积分球将激光发出的光转化为辐亮度均匀的面光源,离轴抛物面将积分球出射的光转化为辐照度均匀的准直光束,平面镜改变光的传播方向,增加系统的紧凑型。结果显示该光源系统最大发散角为7.5mrad,均匀度为99.31%。第三,定标链路的关键部分是实现多光谱数据对高光谱数据的反演,因此本文使用遗传算法对激光波长进行优化选择,实现使用12个光谱通道的定标可以重建500-2500nm谱段的卤钨灯光谱曲线,完成高光谱遥感仪器的高精度定标。利用光谱仪和标准探测器对卤钨灯的衰减曲线进行测定,编写智能优化算法选择激光波长,运用三次样条插值法对其他波长的光谱辐射值进行反演,与真值进行比较评价反演精度。实验结果表明所有波长的反演精度低于1%,实现高光谱成像仪的高精度定标。第四,根据定标仪器的整体参数,提出传递辐射计的机械数据参数,因为使用激光作为定标光源,减小定标不确定度的来源。传递辐射计系统结合光学斩光调制器配合数字锁相放大技术,实现弱信号的准确测量。对新型高光谱遥感仪器辐射定标方法的物理实现过程的深入分析,得到对仪器辐射定标精度具有显著影响的误差源并进行深入分析和测量。综上可知,本文研究的高光谱遥感仪器空间辐射定标传递链路,选择激光作为通道式定标光源,卤钨灯作为全谱段辐射定标光源,配合可溯源SI的高精度空间低温绝对辐射计,为空间高光谱遥感仪器在反射太阳光谱区的高精度在轨辐射定标提供了准确的高光谱数据。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61659
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	孙立微. 空间高光谱遥感仪器辐射定标技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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