空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

多普勒非对称空间外差仪探测高层大气风速的三种方法比较研究

采用多普勒非对称空间外差仪(Doppler asymmetric spatial heterodyne,DASH)被动遥感探测高层大气风速,目前有傅里叶级数法和流行的傅里叶变换两种测风方法.本文提出“四强度法”测风.比较研究了傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”测风的原理、正演、噪声和反演等内容,3种测风方法均从DASH斐索干涉条纹的相位差变换而来.假设风速为0—100 m/s,利用傅里叶级数法、傅里叶变换法和“四强度法”得到正演的斐索干涉图后,再对应得到正演风速的误差分别为2.93%,4.67%和3.00%.人为添加均值为0、标准差为0.1的高斯噪声后,假设风速是0—100 m/s,用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”分别对平场后的数据正演,得到相对误差对应分别为2.30%,11.66%,2.27%.人为添加高斯噪声后,假设风速为31—39 m/s和30.1—30.9 m/s,用傅里叶级数法和“四强度法”得到正演风速值,两种情况的傅里叶级数法的测风误差是3.55%和4.15%,均高于“四强度法”的测风误差2.20%和2.69%.利用GBAII-DASH野外拍摄西安上空98 km的O(1S)557.7 nm气辉,得到天顶角为0°和45°的成像干涉图,再用傅里叶级数、傅里叶变换和“四强度法”得到反演风速分别为32.21 m/s,43.55 m/s和32.17 m/s.从DASH的正演、反演结果看,本文提出的“四强度法”探测高层大气风速的结果较好,计算简便,测风精度相对较高.

空间外差光谱仪光谱降噪方法研究

空间外差光谱仪是一种新式的超高分辨率光谱仪,可用于大气监测、卫星遥感等领域。为了减少空间外差光谱信号中的噪声,提出基于提升小波变换结合中值滤波方法来实现信号的降噪。改进的提升小波变换融合了一种双因子的阈值函数、分层阈值选取。与小波变换的软、硬阈值对比发现,它能提取空间外差光谱,减小峰宽和保留重要的细节特征,降噪效果优于小波变换的软、硬阈值法。最后用信噪比和均方误差两项定量指标来衡量算法的效果。实验结果表明:该算法比软阈值法在处理氙灯和积分球时信噪比提高了24.6%和31%,均方误差减少了43.2%和51.5%;与硬阈值法相比信噪比提高了21.5%和30.6%,均方误差减少了40.2%和51.2%。因此,算法在空间外差光谱降噪方面具有可行性。

空间外差光谱仪系统设计

围绕空间外差光谱仪系统参数设计进行了理论分析和实验研究。介绍了空间外差光谱仪系统的基本结构和原理，并针对其光学系统设计，详述了系统的主要指标：光谱分辨率极限、分辨能力、光谱范围与关键光学器件：光栅、探测器、成像系统等参数的匹配关系。给出了一个完整的系统参数设计实例，并根据光学系统参数对干涉图进行了理论仿真。以搭台的方式建立空间外差光谱仪原理试验装置，并进行了典型光谱实验验证，系统检测结果表明光谱分辨能力在591nm达到了17700，光谱范围为574-59lnm。实验结果与仿真结果比较还表明，系统的光谱范围、光谱分辨率等指标达到了设计要求，验证了设计方法的可行性。

空间外差光谱仪干涉图数据处理

空间外差光谱技术是一种新型的超分辨光谱技术。介绍了空间外差光谱仪的基本原理,并针对其特点提出了干涉图数据处理的方法。首先通过一阶差分对干涉图进行去基线处理,然后使用三角函数作为切趾函数对干涉图进行切趾,并对傅里叶变换光谱进行相位校正,最后采用已知双线光源对空间外差光谱仪原理试验装置进行波长定标。文章以Na双线与Hg谱线进行波长定标,得到了波长定标曲线。通过以上的方法对空间外差光谱仪干涉图数据进行处理,能有效地提高干涉图反演光谱的精度。

空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。

空间外差光谱技术实验研究

空间外差光谱技术是一种可实现超光谱分辨率的新型光谱分析技术,该技术综合光栅与FTS技术于一体。介绍了空间外差光谱仪基本原理以及系统光学结构,并对其性能进行了分析讨论。以实验室搭台的方式建立了空间外差光谱仪原理试验装置;经检测,装置在591nm波段的光谱分辨能力达17700,光谱范围为17nm。在原理试验装置上进行了激光、连续光谱、Hg双线和Na双线光源的空间外差光谱实验。实验结果显示了空间外差光谱技术在超高光谱分辨率探测的能力。

宽谱段空间外差干涉光谱仪

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法.阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点,分析了仪器性能指标（光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等）与初始光学和电子学参数（光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等）之间的理论关系.然后,设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台,该系统的理论光谱分辨率为0.173 cm-1@16 950 cm-1,光谱区为500～700 nm.最后,给出了激光（543.5 nm、632.8 nm）、Na灯（589 nm、589.6 nm）、Hg灯（576.96 nm、579.07 nm）光源的宽谱段实验结果,其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17 cm-1;光谱复原过程中采用三角切趾函数,平均光谱分辨率为0.39 cm-1.实验结果与理论设计符合良好,且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合.

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量<0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围≥0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。

采用小波变换的空间外差光谱仪基线校正

空间外差光谱技术是应用于天文测量以及大气遥感等方面的一种超光谱分析技术。为消除应用过程中的基线漂移,提出了改进的小波变换进行基线校正的方法。通过对不同小波函数以及分解层数对基线校正结果影响的分析,对原始光谱信号进行小波分解得到细节系数和逼近系数,将逼近系数置零以实现光谱信号的重构,从而实现干涉图的基线校正。最后将小波校正结果与阈值拟合校正结果进行对比。结果显示:两种方法校正光谱的相关系数为0.999 9,结果一致,但小波变换的程序运算耗时缩短10余倍。说明利用小波变换进行空间外差干涉图基线校正是一种行之有效、省时、简便的方法。

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空问外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。

用于风场探测的非对称空间外差干涉数据处理方法研究

利用非对称空间外差光谱技术和多普勒效应,通过测量中高层大气气辉谱线的干涉图,采用傅里叶变换的方法求解相位,获得大气的风速信息。分析了干涉数据的处理方法,并针对干涉相位的求解进行推导。相比于传统观空间外差数据处理,不仅要考虑噪声和系统误差,而且要考虑用于光谱隔离的窗函数引入的相位误差。通过软件模拟了窗函数的类型和窗长度对干涉数据和风速误差曲线的影响;在此基础上选择合适的窗函数模拟了对干涉图添加噪声和平场因子情况下的风速反演误差。结果说明,虽然窗函数造成了干涉图和相位的畸变,但是使用汉宁窗在合适的光程差处能够使其引入的误差低于5%;同时,噪声的仿真说明,风速误差随着系统噪声的增加而增大,在实验过程中控制噪声以及实验数据预处理对于控制风速精度的必要性。数据处理方法的研究和相关的仿真,对于提高空间外差风速测量精度及系统设计提供了理论参考,具有一定的指导意义。

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO2吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。

空间外差光谱仪的平场波长定标实验与数据处理

空间外差光谱技术综合了光栅衍射与空间调制干涉两种技术特点。由于干涉仪胶合与光栅刻划过程中存在误差,使得系统平场与理论设计值存在偏差。本文探讨了空间外差光谱仪系统平场定标的原理,通过干涉条纹频率公式推导出了系统平场定标的基本公式,设计了可调谐激光导入消散斑积分球定标方法及定标装置。针对中科院安徽光机所研制的用于大气CO2精细吸收光谱(1 575nm吸收带)探测的空间外差光谱仪样机开展了平场定标实验。定标结果表明,仪器的实际平场波长比理论设计值向短波方向漂移了约0.05nm,满足仪器设计要求。

基于经验模态分解与回归分析的空间外差光谱目标提取

为识别空间外差光谱仪探测目标干涉信号的特征信息,提出一种基于经验模态分解与回归分析的空间干涉谱目标提取方法。首先对预处理后的光谱进行经验模态自适应分解,得到各阶次固有模态分量并分别计算它们与原始光谱信号的Pearson相关系数,根据相关系数分选准则判定背景与目标信息重构的分界点。然后计算重构背景与实测背景间的Pearson相关系数来判定经验模态分解结果。对信号主导的固有模态分量利用小波软阈值进行消噪,重构较纯净的目标特征信息;利用目标特征信息与原始干涉光谱信息进行多元线性回归分析获得最佳的近似滤波系数,构造滤波器并应用到目标信号,提取目标。最后通过差谱信号与提取的目标光谱的Pearson相关系数来判别提取的目标信号。实验结果表明:经验模态分解可将背景与目标近似分离;在未知背景信号情况下,利用经验模态分解与回归分析可实现钾共振双线特征光谱的提取。

空间外差光谱仪基频波长的定标

基于空间外差光谱仪的工作原理和干涉图的产生机制,提出了一种空间外差光谱仪的基频波长定标方法。沿干涉条纹法线方向求取像元相位,通过对法线方向的像元相位进行线性拟合求取相位直线的斜率,该相位斜率与干涉条纹法线方向的空间频率具有对应关系,在获取两种已知波长的激光干涉图的相位斜率后即可确定该空间外差光谱仪的基频波长。四组波长数据的测试结果显示,用该方法定标的基频波长具有很好的一致性,标准差为0.044nm。定标结果仿真的光谱与实测光谱完全一致,证明了该方法的可行性。

温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响

为研究温度对星载空间外差干涉型光谱仪性能的影响,分析了温度变化对光谱仪中准直镜头、成像镜头以及干涉仪组件各光学系统组成部分性能参数的变化关系,建立了温度对光谱仪谱线漂移影响的模型,通过软件仿真和热光学实验对理论模型进行了验证。结果表明,良好的镜头光学设计方案可有效避免星载环境下温度对镜头组件光学性能的影响,干涉仪组件温度变化会使系统基频变化直接导致光谱谱线的漂移,同时温差过大会对光谱仪光谱分辨率产生影响,使光谱谱线发生变形。针对星载空间外差干涉型光谱仪中干涉仪组件的温控条件,应依据基频、结合光谱分辨率和带宽等性能指标提出严格的温控范围。

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO_2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。

空间外差光谱仪系统级平场校正方法研究

空间外差光谱仪单独进行面阵探测器校正无法满足系统级响应非一致性校正需求,传统均匀光源照射和列平场等方法对空间外差光谱仪并不适用。首先简要阐述了空间外差光谱仪传统挡光臂平场方法原理,指出传统挡光臂平场方法存在测量单臂数据在光栅胶合后与实际干涉数据不匹配的问题,不匹配形式包括像元级、亚像元级平移和旋转。针对实验室现有实验装置分析了平场系数配准精度的影响,通过分析单臂数据不同偏移量与光谱偏差之间的定量关系,得出本实验装置平场系数的配准精度需要优于0.1像元。根据配准需求,采用对数—极坐标变换求出旋转角度和相位相关方法进行像元级平移量计算,通过基于矩阵乘法的DFT实现亚像元级平移量的估算。最后总结了系统级平场方法的流程,利用实验室装置对空间外差光谱仪系统级平场方法进行了验证,通过对光栅位置的微量调整模拟实际胶合后干涉仪整体状态,对模拟胶合后数据采用平场校正流程与单臂数据完全匹配下校正后的光谱对比显示,二者之间光谱平均偏差为0.6%,与不校正时4.1%的光谱偏差相比,校正后光谱复原精度大大提高,为后续进一步数据处理奠定基础。

空间外差光谱仪相位校正方法的研究

空间外差光谱仪在应用的过程中由于各种测量原因使采集的干涉图存在相位误差。对此提出了一种改进的相位校正方法,该方法在提取单边变换光谱进行傅里叶逆变换求取干涉图相位曲线的基础上,通过拟合相位斜率求出相位误差,然后计算相位校正函数,将变换光谱与相位校正函数进行卷积来实现光谱相位校正。把该方法应用于实测单色谱与仿真水汽光谱的相位校正,实验结果显示该方法能有效的去除单色光谱边缘的低频假信号,提高干涉图的周期性和对称性;对于叠加了相位误差的连续光谱,使其校正前后的光谱与原光谱的标准偏差由0.47降为0.20,提高了光谱的准确性。