成像光谱仪光谱定标

外成像光谱仪 ｆＶ Ｒ Ｓ ４ Ａ Ｉ Ｉ ￣１ 行光谱 定标 时对 上面 ） 在进 装置进行 了改进 ，采用离轴抛 物面镜作 为准直扩束 镜 ，消除了中心遮拦 。但对于高精度的光谱定标 ，由
于单色仪出缝 出光不均匀造成的单色平行光不均匀对
望远
谱定标时是在单色仪 出缝处放置一个匀光的光管和漫
上搭载的 Ａ 的光谱定标示意图，Ｍ Ｉ Ｌ Ａ Ｓ的准直扩束
出观测 目标参量ｔ ３ ］ 。本文介绍 了成像光谱仪光谱定标 的原理 和现有光谱定标方 法 ，并对未来 成像光谱 仪 光谱定标技术进行 了展望。
２ 光 谱 定标 原 理
成像光谱仪光 谱定标就是确定 成像光谱仪各 光 谱通道 的中心波长和光谱 带宽 ，成像光谱 仪 的光 谱
是 另一类 方便快速 的光谱 定标方法 。欧空局环境 卫
星搭载的遥感器 ＭＥ Ｉｉ 采用掺杂稀土元素 的漫反 ＲＳ 射板进行光谱定标 ，光谱定标时 ＭＥ Ｉ 分 别对准掺 ＲＳ 杂稀土元素的漫反射板和光谱反射率接近 １０ ０ ％的漫 反射板 ，通过二者数据 的比较对 Ｍ Ｒ Ｓ进行光谱定 ＥＩ
１０ ／ 的单色仪对成像光谱 仪进行光谱定标 ，同一光谱 １ 通道不 同景 物像元 的中心 波长也会不 同 ，这种成像
光谱仪像面上 的光谱记录误差就是 ｓ ｌ４ ｍｉＩ ｅ ，表现为沿 ｊ
穿轨方 向中心波长 的偏离 ，光谱曲线 的峰值通常 位 于图像 的中心 ，所以叫 ｓ ｉ 或 ｆ ｗ 效应 。ｓ ｉ ｍｌ ｅ ｒ ｎ ｏ ｍｌ ｅ效 应是 由于色散 元件 （ 光栅 、棱镜 ）的空 间畸变和 准
Ｃｉｅｅ ｄｍ ｉ ｃｓＣ ａｇｈｎ１０３， ｈ ａ ｈｎｓ ｃ ｅ ｙ Ｓ ｅ ｅ， ｈｎｃｕ ３０３ Ｃ ｉ ） Ａａ ｆ ｏ ｃｎ ｎ
Ａｂ ｔ ｃ：Ｉ ｇｎ ｐ ｃｒｍｅｅ ｓａ ｎ ｗ ｔｐ ｅ ｔ ｓｎ ｏ ｈｃ ａ ｏｌｃ ｂ ｔ ｈ ｍａ ｅ ａ ｄ ｔｅ ｓ ｅ ｔ ｌ ｓｒ ｔ ｍａ ｉｇ ｓ ｅ ｔ ａ ｏ ｔｒｉ ｅ ｙ ｅ ｒｍｏｅ ｅ ｓｉｗ ｉｈ ｃ ｎ ｃ ｌ ｔ ｏｈ ｔｅ ｉ ｇ ｎ ｈ ｐ ｃｒ ｅ ａ
基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ｏ ０ ３０ ０ Ｎ ． ５８２ ） ６
璺
第 ２ 卷 第 １ 期 ８ １
Ｖ０ ＿８ Ｎｏ １ ｌ ２ ．１
１ 引
言
成像 光谱仪把传统 的二维成像遥感技 术和光谱
技术 有机地结合在 一起 ，在成像 系统获得 景物空 间 信 息的 同时 ，通过 光谱仪系统把景 物 的光谱 辐射分 解威 许多相互邻接 的狭窄光谱 波段 的辐射 ，获得每
得到某一光谱通 道对一系列 单色波长 的响应 ，把得
遥感信 息定 量化通过实 验或物理模型将采 集到 的遥感 信息和观察 目标参 量联系起来 ，并反 演或推 算 出地学 、生物学 和大气 等观测 目标 参量 。它是遥
感 当前 重要的发展方 向之一 。遥感信 息定量化 要求
到的数据 点做 高斯 曲线拟合 ，相对最大值 作归一化
亚
直 、成像 光学 系统 的像差 引起 的 。光谱定标和 ｓ ｉ ｍｌ ｅ
测定过程如图 １ 所示 ，图中一个光谱通道有 １ ２ 个 ４ ０
像元 ， 一 表示数据不 同采集 时刻 ，Ａ 为相应 中心
图 ２ ＭＡＳ （）和 Ａ Ｉ（）的 光谱 定 标示 意 图 Ｉ ａ Ｌ ｂ
ＤＯＩ： １ ．７ ８ ０ＭＥＩ ０１ ２ １０ ４ ０３ ８ ／ ２ １ ８１ ．０ห้องสมุดไป่ตู้８
Ｓｐ ｃ ｒ ｌ ｌ ｒ ｔ ｎ ｏ ｍａ ｉｇ Ｓｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ｉ ｆＩ ｇｎ ｅ ｔ ａ Ｃａ ｂ ｏ ｏ ｔｒ
ＰＥＩＳ ｕ ｈ
（ ａ ｅ ａｏａ ｒ ｐ ｌ ｄＯ ｔ ｓ Ｃ ａｇｈ ｎＩｓ ｔ ｅｏ ｐｉ ， ｉ ｅｈｎｃ ｎ ｈｓ ｓ Ｓ ｔ Ｋ ｙＬｂ ｒ ｏｙｏ ｐｉ ｐｉ ， ｈｎ ｃｕ ｔｕ Ｏ ｔｓ Ｆｎ Ｍ ｃａ ｉ ａｄＰ ｙｉ ， ｔｅ ｔ ｆＡ ｅ ｃ ｎ ｉｔ ｆ ｃ ｅ ｓ ｃ
参 考 文献
［ Ｇ ｅｚ Ａ ｅａｄｒ Ｉ ａｉｇｓｅｔ ｍ ｔ ｒ ａｔ ｒｍ ｔ ｓｎｉｇ ＪＳ ｉ ｃ ， ９ ５ ２ ８ １４ ． １ ｏｔ ＦＨ， ｌ ｎ ｅ．ｍ ｇ ｐｃ ｏ ｅ ｙ ｏ ｒ ｅ ｏ ｅ ｓ ［ ． ｃ ｎｅ １８ ， ２ ： ７ 】 ｘ ｎ ｒ ｒｆ ｅ ｈ ｅ ｎＪ ｅ １
灯 的数据可 以在很 多资料 中找到 。通过对 比采集到 的数据和参考 资料 中的数据 ，就 可 以得到通 道 中心
波长和通道数之间的关系 。
品光谱 响应 度不够 高 ，探测 不到匀 光后 的弱 信号 ； 国 内图像处 理水 平也与 国外有 一定差距 ．所 以光谱
定标 时单色 仪 出缝 后通 常不 加漫反 射板 或积 分球 ．
［］ 庆 余 ． ２万 高光 谱 遥 感 应 用研 究［ ． 京 ： 学 出版 社 ， ０ ６ ３ —４ Ｍ］北 科 ２ ０ ： ０４ ．
［】 幼平 ，禹秉 熙 ，王 玉鹏 ，等． ３李 成像 光 谱 仪辐 射 定标 影 响量 的测 量 链 与不 确定 度 ［ ． 学 精 密工程 ， Ｊ 光 】
第 ２ 卷 第 １ 期 ８ １
Ｖｏ ．８ Ｎｏ １ １ ２ ．１
文章编号 ：０ ７ １８ （ １）１ ０ ４ — ４ １０ — １０２ １１－ ０ ８０ ０
成 像 光谱仪 光谱定标
裴 舒
（ 中国科 学院 长春光学精密机械 与物理研 究所 应用光 学国家重点 实验室 ， 吉林 长春 １０ ３ ） ３０ ３
这样就不 能实现 较高精度 的光 谱定标 。采用新 方法
和新技术进行 高精度光谱定 标 ，提高 自主研发 大面
阵探测器 能力和 图像处理水平 是实现高 精度光谱 定
标 的重要途 径 ，也是 国内实 现高精度 光谱定标 过程
中急需解决的问题 。
４ 光 谱定 标 方 法 比较 与 展 望
采用 物质特征谱线 的光谱定标方法在 中心波长
个景 物像元 的光谱信息ｌ ｌ ｌ 。成像 光谱仪获得地物光谱
特征 并从背景 中识 别物体的能力 ，已经应用 于从 自 然环境监测到军事 目标识别 的遥感各个领域圜 。
图 １ 光 谱 定 标 过 程 及 ｓ ｌ的 测 量 ｍｉ ｅ
波长 。通 过单 色仪在待定标波长附近 区域扫描波长 ，
摘
要 ：成像光谱仪是谱像合 一的新 型光学遥 感器 成像光谱仪 的光谱 定标是 辐射定标的基础 ，准确 的光谱
定标是获得地物 正确光谱信息 的必要条件。介绍 了成像 光谱仪光谱 定标的原理和几种光谱定标 方法 ，并对国
内成 像 光谱 仪 光谱 定标 技 术 进 行 了展 望
关键词 ：成像光谱仪 ：光谱定标 中图分类号 ：０ ３ ． ４ ３１ 文献标识码 ：Ａ
曼 ｌ—ｗｍｉ ． ＿ ｗ． ｆｏ － 而 ｅｏｍ ｗ ｏ ｎ 丽ｃ
第 ２ 卷 第 １ 期 ８ ｌ
处 理 ，两端 响应 最大值 的 １ ％作为波段 的响应 带宽 ，
两端响应 ５ ％的波长差作 为光谱带宽 ，光谱 带宽 的 ０
中间值作为谱段 的中心波长 。
对成像 光谱 仪进行精确 的光谱定标 ，利 用光谱 定标 结果通过 辐射定标获得各 光谱通道 中心波长处 的光
谱响应 函数 ，从而 由成像 光谱仪观测 图谱 数据反 演
３ 光 谱定 标 方 法
成像 光谱仪 的光谱定 标通常将宽带光 源发 出 的 辐 射耦合进单色仪 中 ，经准直镜 产生单色平行 光对 成 像光谱仪进行 光谱定标 。图 ２和 图 ３分别 为 中科 院上海技术物理研 究所研制成功 的 中分辨率航 空多 光谱扫描仪 ＭＡ Ｓ 和美 国航 空航 天局地球 观测 一号 Ｉｔ ａ
ｉｔ ｄ ｃｄ ａ ｄｔｅｏｉｎａｉｎｏ ｅｄ ｖｌｐ ｎ ｆｈ ｐ ｃｒｌ ａｉｒｔ ｎｏ ｅｉ ｇｎ ｐ ｃｒｍｅｅ ｒｐ ｓｄ ｎｒ ｕ ｅ ， ｎ ｒ ｔｔ ｆ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｅｓｅ ｔａ ｃｌ ａｉ ｆ ｈ ｏ ｈ ｅ ｏ ｔ ｏｔ ｂ ｏ ｔ ｍａ ｉｇｓ ｅ ｔ ｏ ｔｒ ｓ ｏ ｏｅ ． ｉｐ Ｋ ｙ ｒ ｓ ｉ ｇｎ ｐ ｃｒｍｅｅ； ｐ ｃｒｌ ａｉｒｔ ｎ ｅ ｗｏ ｄ ：ｍａ ｉｇｓｅ ｔ ｏ ｔｒ ｓ ｅ ｔ ｌ ａｉ ａｃ ｂ ｏ
和光谱带宽确定 上不如采用单 色仪和离轴 抛物面镜 组合的光谱定标方 法准确 ，但 比较容易 实现 。要 实
现高精度光谱定标 ，在单色仪 和离轴抛物 面镜组合
的方法 中需在单 色仪 出缝后加 人匀光装 置 。但 限于
国 内大面 阵探测 器研制水平 ，能够购买 到 的国外 产
标 。便携弱 光成像光谱 仪 Ｐ Ｌ Ｓ 利用气体发射光 ＨＩＬ ｔ 谱灯特征谱线进行光谱定标 ．Ｐ ＩＬ Ｈ Ｌ Ｓ对准 由气体发 射光谱灯照射的漫反射板 ，对采集 到的数据取平均 ， 得 到一帧有每个位 置的光谱数据 的图像 。发射 光谱
响应函数可以表示为如下形式 ：
系 统采用球 面镜 ，Ａ Ｉ Ｌ 的准直 扩束系统 采用抛 物面
镜 ，二者都存在 中心遮 拦 。不能 实现对仪器视 场 的
－ ２ ］ ｅ ‘ ｘ ｐ
（ １ ）
式 （ ）中，△ １ Ａ为光谱响应 函数 的半峰值全宽。
实验室中通常使用光谱带宽小于成像光谱仪光谱带宽
反射板进行匀光 ，而超光谱成像 仪 Ｃ Ｍ Ａ Ｓ［光谱 Ｏ ＰＳ Ｉ ｌ ｌ 定标时在单色仪后引入积分球产生均匀单色光 。 利用物质 特征谱线对成像 光谱仪进行光谱 定标
匡
面镜
（） ａ
（） ｂ
（） Ｃ
图 ３ Ａ Ｉ Ｉ （） ｙ ｅ ｏ （）和 Ｃ ＭＰ Ｓ （）光谱 定 标示 意 图 ＶＲ Ｓ ａ 、Ｈ ｐｒ ｎ ｂ ｉ Ｏ ＡＳ ｃ
ｉ ｆｒ ｔ ｎ ｆ ｔ ｅ ｓ ｅ ｅ ｈ ｓ ｅ ｔ ｌ ｃ ｌ ｒ ｔ ｎ ｏ ｈ ｍａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔｏ ｔｒ ｉ ｔ ｅ ｂ ｓ ｏ ｈ ａ ｉｍｅｒ ｎ ｏｍａｉ ｏ ｈ ｃ ｎ ．Ｔ ｅ ｐ ｃｒ ａｉ ａｉ ｆ ｔ ｅ ｉ ｇｎ ｐ ｃｒ ｍｅｅ ｓ ｈ ａ ｉ ｆ ｔ ｅ ｒ ｄ ｏ ｔ ｃ ｏ ａ ｂ ｏ ｓ ｉ ｃ ｌ ｒ ｔ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｒ ｃ ｐ ｃｒ ｌ ｎ ｏｍａ ｉｎ ｉ ｇ ｔ ｎ ａ ｏ ｇ ａ ｈ ｃ ｕ ａ ｙ ｓ ｅ ｔ ｌｃ ｌ ｒ ｔ ｎ ｉ ｐ ｒ ｒ ｄ Ｔ ｅ ａｉ ａｉ ． ｈ ｏ ｒ ｔｓ ｅ ｔ ｆｒ ｔ ｓ ｏ ｔ ｓ ｌｎ ｓｔ ｅ ａ ｃ ｒｃ ｐ ｃ ｒ ａｉ ａｉ ｓ ｅ ｏｍｅ ． ｈ ｂ ｏ ｅ ａ ｉ ｏ ｅ ａ ｂ ｏ ｆ ｐ ｉｃｐ ｅ ｏ ｈ ｐ ｃ ｒｌ ｃ ｌ ｒ ｔ ｎ ｏ ｈ ｍａ ｉｇ ｓ ｅ ｔ ｍｅｅ ｎ ｈ ｔｏ ｆ ｔ ｅ ｓ ｅ ｔ ｌ ｃ ｌ ｒ ｔ ｎ ａ ｅ ｒ ｉｌ ｆ ｔ ｅ ｓ ｅ ｔ ａｉ ａｉ ｆ ｔｅ ｉ ｇｎ ｐ ｃｒ ｔ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｈ ｐ ｃｒ ａ ｉ ａ ｉ ｒ ｎ ａ ｂ ｏ ｏ ａ ｂ ｏ
ｗｗ ｏ ｉｆ ． ｒ ．ｍｅ ｏｃ ｎ ｎ ｏ
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Ｖｏ Ｊ８ Ｎ ． ｌ ｌ ｏ１ ２
均匀照 明。
为了实现对遥感 器的均匀照 明 ，机 载可见近红
定标结果会产生 ｌ ｍ的影响。因此需要对单色仪 出射 ｎ
光进行 匀光。地球观测一号上 的 Ｈ ｐｒ ｎ 进行光 ｙｅｉ Ｌ ｏ９