CN108254074A - 一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，包括：S1，基于目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测数据和地面定标系数，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置；S2，基于卫星精确定位速度信息，根据多普勒频移特性，对所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置进行频移修正，获取在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置；S3，基于所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置和太阳标准光谱标准吸收线位置，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差；S4，基于所述在轨光谱定标误差，进行所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱精确定标。本发明能够有效提高光谱定标的精确度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及遥感定标技术领域，更具体地，涉及一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法。
背景技术
随着应用需求的不断提高，尤其是大气成分定量探测需求的不断提高，对卫星遥感的光谱分辨率的要求也越来越高。因此，现代卫星遥感仪器发展的方向之一是具有超高光谱分辨率。
我国发射成功的碳卫星，通过对弱CO2吸收带(1.6μm)、强CO2吸收带(2.06μm)以及O2-A吸收带(0.76μm)的观测光谱进行高精度的CO2浓度定量反演，最高分辨率可达0.03nm，在约15nm的范围内，具有1000多个通道。
高光谱仪器在轨运行后，由于受到环境温度变化影响，以及各种微小应力的作用，通道的中心波长位置会发生小的漂移。这种漂移对于宽通道仪器来说，影响不大，但是对于高光谱仪器却会产生严重影响。微小的漂移造成的通道光谱中心位置变化，会对定量反演的产品精度产生严重影响，因此，仪器在轨光谱定标成为高光谱遥感数据预处理工作的重要技术点，是精确辐射定标的重要前提。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，用以有效提高光谱定标的精确度和稳定性。
本发明提供一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，包括：S1，基于目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测数据和地面定标系数，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置；S2，基于卫星精确定位速度信息，根据多普勒频移特性，对所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置进行频移修正，获取在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置；S3，基于所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置和太阳标准光谱标准吸收线位置，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差；S4，基于所述在轨光谱定标误差，进行所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱精确定标。
其中，所述S3的步骤中太阳标准光谱的选取原则包括：所述太阳标准光谱的分辨率高于所述目标高光谱遥感仪器的分辨率。
其中，所述太阳标准光谱进一步具体选取为Kurucz R.L.数据。
其中，步骤S3中所述标准吸收线的选取步骤进一步包括：选取吸收深度达到设定级别且两翼的宽度达到预设宽度的吸收线作为所述标准吸收线。
其中，所述标准吸收线进一步具体为夫朗禾费吸收线。
其中，所述S1的步骤进一步具体包括：提取所述目标高光谱遥感仪器在轨运行中通过漫反射板获取的在轨太阳观测数据；通过对所述目标高光谱遥感仪器的地面定标试验，计算所述地面定标系数；基于所述在轨太阳观测数据和所述地面定标系数，利用给定拟合公式，计算所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置。
其中，所述S2的步骤进一步包括：基于所述卫星精确定位速度信息，利用多普勒频移特性公式，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨多普勒频率漂移；消去所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置中的在轨多普勒频率漂移分量，获取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置。
其中，所述S3的步骤进一步具体包括：提取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置中与所述太阳标准光谱标准吸收线位置对应的有效中心波长位置，将所述对应的有效中心波长位置与所述太阳标准光谱标准吸收线位置进行匹配；在各相匹配的中心波长位置处，计算各所述对应的有效中心波长位置相对所述太阳标准光谱标准吸收线位置的波长漂移。
其中，通过以下公式计算所述有效中心波长位置对应的有效中心观测频率：
式中，vobs表示有效观测光谱频率，vsun表示太阳标准光谱频率，Vrel表示沿高光谱遥感仪器视线方向卫星相对太阳的速度，c表示真空光速。
其中，步骤S1中所述在轨太阳观测数据进一步具体为太阳观测持续各帧数据的平均值。
本发明提供的一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，通过采用太阳标准光谱作为标准，计算目标高光谱遥感仪器在轨观测光谱与标准光谱间偏差，从而实现目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标，能够充分利用太阳光谱的稳定性特点，从而能有效提高光谱定标的精确度和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法的流程图；
图2为本发明实施例一种在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置的计算过程流程图；
图3为本发明实施例一种在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置的获取过程流程图；
图4为本发明实施例一种高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差的计算过程流程图；
图5为本发明实施例另一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明实施例的一个实施例，本实施例提供一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，参考图1，为本发明实施例一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法的流程图，包括：
S1，基于目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测数据和地面定标系数，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置；
S2，基于卫星精确定位速度信息，根据多普勒频移特性，对所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置进行频移修正，获取在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置；
S3，基于所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置和太阳标准光谱标准吸收线位置，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差；
S4，基于所述在轨光谱定标误差，进行所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱精确定标。
步骤S1可以理解为，在卫星发射之前，在地面实验室进行目标高光谱遥感仪器的模拟定标试验，获取地面定标系数。在卫星进入正常的在轨运行之后，利用目标高光谱遥感仪器测取足够数量的实际太阳观测数据，即在轨太阳观测数据。
在已经获取上述地面定标系数和在轨太阳观测数据的基础上，根据地面定标系数和在轨太阳观测数据，计算目标高光谱遥感仪器在轨太阳观测光谱中每个通道中心波长的位置νorbit。
其中可选的，所述S1的进一步处理步骤参考图2，为本发明实施例一种在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置的计算过程流程图，包括：
S11，提取所述目标高光谱遥感仪器在轨运行中通过漫反射板获取的在轨太阳观测数据；
S12，通过对所述目标高光谱遥感仪器的地面定标试验，计算所述地面定标系数；
S13，基于所述在轨太阳观测数据和所述地面定标系数，利用给定拟合公式，计算所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置。
可以理解为，本实施例针对可见光和近红外光谱段，卫星在完成阳照区对地观测后，目标高光谱遥感仪器会通过自身携带的漫反射板进行太阳观测，获取在轨太阳观测数据。由于太阳是高度稳定可靠的目标源，本实施例采用太阳标准光谱作为光谱定标源。
在卫星具备在轨太阳观测的前提条件下，由目标高光谱遥感仪器通过漫反射板获取的在轨太阳观测数据，并在进行计算时由目标高光谱遥感仪器提取该在轨太阳观测数据。
在获取在轨太阳观测数据的基础上，还需进行地面实验室的定标试验，以建立在轨观测数据与地面基准之间的关联关系。具体在卫星发射之前，通过实验室对卫星进行常规的地面标定试验，计算针对目标高光谱遥感仪器的地面定标系数。
最后，在上述步骤的基础上，计算在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置。此处是基于实验室光谱定标得到的光谱定标系数，计算出每一谱段上每一通道的中心波长。对于碳卫星上搭载的高光谱CO2探测仪，采用下式进行计算：
式中，λ表示像元中心波长(nm)拟合值，ci表示色散曲线多项式拟合系数，channel表示探测器通道数，对于0.76μm波段为1-1242，对于1.61μm波段和2.06μm波段为1-500。
在一个实施例中，步骤S1中所述在轨太阳观测数据进一步具体为太阳观测持续各帧数据的平均值。
可以理解为，一般对太阳观测将持续多帧，为消除随机噪音的影响，可采用多帧太阳观测数据的平均值进行在轨光谱定标。具体采用下式计算多帧太阳观测数据的平均值：
式中，表示多帧太阳观测数据的平均值，Ri表示第i帧太阳观测数据，n表示太阳观测持续帧数。
步骤S2可以理解为，卫星在太空中运行速度可达每秒7km，会引入与高光谱遥感仪器光谱分辨率(0.03nm)相当量级的频率漂移。这对于高光谱仪器，相当于通道波长漂移了50％以上，对辐射定标精度和定量产品反演会产生严重影响。另外，由于卫星在运行过程中，温度等环境的变化，也会使上述计算得到的每一通道中心位置会发生微小的漂移，这对于定量产品反演精度影响很大。
因此，需要在上述步骤计算获取的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置的基础上，对在轨运行后的光谱位置漂移进行计算，修正该频率漂移。具体考虑多普勒频移特性，根据卫星精确定位过程中的速度信息，计算漂移量，并根据该漂移量修正计算获取的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置，修正后的位置即为在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置。
其中可选的，所述S2的进一步处理步骤参考图3，为本发明实施例一种在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置的获取过程流程图，包括：
S21，基于所述卫星精确定位速度信息，利用多普勒频移特性公式，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨多普勒频率漂移。
可以理解为，要实现漂移量的去除，需先求解漂移量，再在上述计算获取的理论中心波长位置上进行相应修正。因此，本步骤根据卫星精确定位过程中的速度信息，利用物理学中多普勒特性公式，计算目标高光谱遥感仪器的在轨多普勒频率漂移。
其中可选的，通过以下公式计算所述有效中心波长位置对应的有效中心观测频率：
式中，vobs表示有效观测光谱频率，vsun表示太阳标准光谱频率，Vrel表示沿高光谱遥感仪器视线方向卫星相对太阳的速度，c表示真空光速。
可以理解为，相对于标准太阳光谱，考虑多普勒频移后，目标高光谱遥感仪器观测到的有效中心波长位置对应的观测频率可按上式计算。此外，上式也可作为目标高光谱遥感仪器观测到的任意有效频率的计算公式。该步计算中，波长和频率单位需经过相应的换算，换算到统一单位层级。
S22，消去所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置中的在轨多普勒频率漂移分量，获取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置。
可以理解为，根据上述实施例获取的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置由于受多普勒效应及环境温度等的影响，含有多普勒漂移量。本步骤在上述步骤计算获取该漂移分量的基础上，根据该漂移分量对在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置进行修正，修正后得到在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置。
步骤S3可以理解为，在根据上述步骤计算获取在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置之后，为实现对目标高光谱遥感仪器的精确在轨光谱定标，需建立在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置与稳定的太阳标准光谱标准吸收线位置的关联关系，从而保证光谱定标的稳定性。
本步以太阳标准光谱标准吸收线位置为基准，计算在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置与该基准的偏差，即目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差。也即，通过比较太阳标准光谱吸收线位置与高光谱遥感仪器观测谱线位置，得到二者之差，即为在轨光谱定标误差。因此，首先需要选取高分辨率的太阳标准光谱。
其中可选的，所述S3的步骤中太阳标准光谱的选取原则包括：所述太阳标准光谱的分辨率高于所述目标高光谱遥感仪器的分辨率。
在一个实施例中，所述太阳标准光谱进一步具体选取为Kurucz R.L.数据。
可以理解为，为了满足目标高光谱遥感仪器的光谱定标精度的要求，在选择参照太阳标准光谱时，选择分辨率高于目标高光谱遥感仪器的分辨率的太阳标准光谱。其中高出的量级可以设定，如选择太阳标准光谱具有的光谱分辨率比目标高光谱遥感仪器的光谱分辨率高出1-2个量级。例如采用高光谱遥感的Kurucz,R.L.光谱。其光谱分辨率最高可达0.001nm，比碳卫星遥感仪器最高光谱分辨率0.03nm高一个数量级。Kurucz对太阳吸收线的刻画足够精细。
在选定高分辨率的太阳标准光谱之后，还需确定该标准谱的吸收线类型，以便清晰识别目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置。
其中可选的，步骤S3中所述标准吸收线的选取步骤进一步包括：选取吸收深度达到设定级别且两翼的宽度达到预设宽度的吸收线作为所述标准吸收线。
在一个实施例中，所述标准吸收线进一步具体为夫朗禾费吸收线。
可以理解为，在可见光、近红外光波段，太阳光谱中具有丰富的吸收线，但并非所有吸收线都可以作为光谱定标的标准。因为有些吸收线吸收较弱，高光谱仪器能够观测到的信号也较弱。此外，有些吸收线相距太近，由于高光谱仪器分辨率有限，难以明确区分。因此，需要至少从这两个指标上考虑选择吸收线，即吸收深度和吸收线宽度。
具体选择时，根据实际需要设定吸收深度的预设级别，以及吸收线的预设宽度。选择吸收深度到达预设级别且吸收线两翼的宽度达到预设宽度的吸收线作为标准吸收线。即在选择太阳标准光谱的吸收线时同时满足以下设定条件：
吸收线具有设定级别的吸收深度，以保证在目标高光谱遥感仪器的分辨率下，目标高光谱遥感仪器可实现对其清晰识别；
吸收线两翼具有预设的宽度，以保证吸收线孤立不重叠。
在可见光及近红外光谱段，太阳光谱中存在较为丰富的夫朗禾费吸收线信息，夫朗禾费吸收线吸收深度强，相邻吸收线相距适中，易于被高光谱遥感仪器识别，在一个实施例中选取太阳标准光谱中的夫朗禾费吸收线作为标准吸收线。
根据上述设定标准，在758-778nm的光谱范围内，可以提取出10条标准太阳吸收线；在1594-1624nm的光谱范围内，可以提取出8条标准太阳吸收线；在2041-2081nm的光谱范围内，可以提取出8条标准太阳吸收线。
其中可选的，所述S3的进一步处理步骤参考图4，为本发明实施例一种高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差的计算过程流程图，包括：
S31，提取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置中与所述太阳标准光谱标准吸收线位置对应的有效中心波长位置，将所述对应的有效中心波长位置与所述太阳标准光谱标准吸收线位置进行匹配。
可以理解为，对于太阳标准光谱的标准吸收线，其中心波长位置是确定的，为了求取观测数据有效中心波长位置相对该标准的偏差，需要对应该标准吸收线的位置，分别从所有在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置中提取对应的有效中心波长位置。
然后将提取的对应中心波长位置与太阳标准光谱吸收线的中心波长位置进行匹配。即将步骤S2中经多普勒频移修正后的在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置与太阳标准光谱吸收线的中心波长位置进行匹配。
S32，在各相匹配的中心波长位置处，计算各所述对应的有效中心波长位置相对所述太阳标准光谱标准吸收线位置的波长漂移。
可以理解为，在将多普勒频移修正后的在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置与太阳标准光谱吸收线的中心波长位置进行匹配之后，在相匹配的吸收线处，以吸收线中心波长为标准确定出高光谱仪器的波长漂移，即在轨光谱定标误差。具体可通过下式计算：
Δv＝vo-vf；
式中，Δv表示高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差，vo表示高光谱遥感仪器在轨观测光谱中太阳吸收线位置，vf表示理论太阳光谱中吸收线位置。
步骤S4可以理解为，在上述步骤计算获取在轨光谱定标误差之后，根据该在轨光谱定标误差对目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标进行修正，实现在轨光谱精确定标。
本发明实施例提供的一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，通过采用太阳标准光谱作为标准，计算目标高光谱遥感仪器在轨观测光谱与标准光谱间偏差，从而实现目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标，能够充分利用太阳光谱的稳定性特点，从而能有效提高光谱定标的精确度和稳定性。
在上述实施例的基础上，本实施例提供如图5所示的高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，图5为本发明实施例另一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法的流程图。
本实施例首先提取卫星高光谱遥感仪器在轨运行时通过漫反射板对太阳的观测数据，结合实验室给出的定标系数，计算初步的在轨太阳观测光谱通道中心波长位置；然后在卫星精确定位给出的速度信息基础上，计算多普勒频率漂移并将其从初步的在轨太阳观测光谱通道中心波长位置中扣除，得到有效的在轨太阳观测光谱通道中心波长位置。
再然后，基于高分辨率的理论太阳标准光谱和夫朗禾费吸收线选择依据，选择出可用的吸收线，并提取出这些吸收线的中心位置；最后将有效的在轨太阳观测光谱通道中心波长位置与太阳标准光谱理论吸收线进行位置匹配，计算目标高光谱遥感仪器的光谱定标误差。在此基础上，可有效实现高谱分辨率遥感仪器的在轨光谱定标。
应当理解的是，本实施例所述方法的前提条件是目标高光谱遥感仪器具备在轨太阳观测能力。
本实施例的高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，基于太阳标准光谱夫朗禾费吸收线(Fraunhofer lines)进行定标计算，能够充分利用太阳原始光谱分辨率高、光谱中特征谱线位置稳定的特点，精确计算在轨光谱定标误差，并监测在轨光谱定标的稳定性。有效解决高光谱遥感仪器频率会随环境温度的变化而变化，造成光谱定标评价不稳定的问题，光谱定标精度更高，更稳定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高光谱遥感仪器在轨光谱定标方法，其特征在于，包括：
S1，基于目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测数据和地面定标系数，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置；
S2，基于卫星精确定位速度信息，根据多普勒频移特性，对所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置进行频移修正，获取在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置；
S3，基于所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置和太阳标准光谱标准吸收线位置，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱定标误差；
S4，基于所述在轨光谱定标误差，进行所述目标高光谱遥感仪器的在轨光谱精确定标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3的步骤中太阳标准光谱的选取原则包括：所述太阳标准光谱的分辨率高于所述目标高光谱遥感仪器的分辨率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述太阳标准光谱进一步具体选取为Kurucz R.L.数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述标准吸收线的选取步骤进一步包括：选取吸收深度达到设定级别且两翼的宽度达到预设宽度的吸收线作为所述标准吸收线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标准吸收线进一步具体为夫朗禾费吸收线。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤进一步具体包括：
提取所述目标高光谱遥感仪器在轨运行中通过漫反射板获取的在轨太阳观测数据；
通过对所述目标高光谱遥感仪器的地面定标试验，计算所述地面定标系数；
基于所述在轨太阳观测数据和所述地面定标系数，利用给定拟合公式，计算所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2的步骤进一步包括：
基于所述卫星精确定位速度信息，利用多普勒频移特性公式，计算所述目标高光谱遥感仪器的在轨多普勒频率漂移；
消去所述在轨太阳观测光谱各通道中心波长位置中的在轨多普勒频率漂移分量，获取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S3的步骤进一步具体包括：
提取所述在轨太阳观测光谱各通道有效中心波长位置中与所述太阳标准光谱标准吸收线位置对应的有效中心波长位置，将所述对应的有效中心波长位置与所述太阳标准光谱标准吸收线位置进行匹配；
在各相匹配的中心波长位置处，计算各所述对应的有效中心波长位置相对所述太阳标准光谱标准吸收线位置的波长漂移。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述有效中心波长位置对应的有效中心观测频率：
式中，vobs表示有效观测光谱频率，vsun表示太阳标准光谱频率，Vrel表示沿高光谱遥感仪器视线方向卫星相对太阳的速度，c表示真空光速。
10.根据权利要求1-9中任一所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述在轨太阳观测数据进一步具体为太阳观测持续各帧数据的平均值。
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