空间外差光谱仪光谱重构关键技术研究

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空间外差光谱技术是一种综合了光栅衍射和空间干涉于一体的新型超分辨光谱探测技术,采用面阵探测器同时记录差频干涉条纹信息。空间外差光谱仪完成待测目标到干涉数据的转换,而光谱重构则是将测量干涉数据转换为待测目标光谱。  光谱重构主要环节包括:干涉数据的误差修正、干涉域到光谱的转换和光谱定量化。与传统时间调制型干涉光谱仪相比,空间外差光谱仪中面阵探测器响应误差直接影响干涉数据,并且干涉数据每一点是对应像元响应和光线路径效率综合作用的结果。光栅瑕疵、面形误差与成像系统畸变都有可能引入更加复杂的相位误差。空间外差光谱仪一般在较窄光谱范围内实现超光谱分辨,因此对光谱定量化提出了更高的要求。  本文根据以上分析解决了光谱重构中以下几个关键技术:提出了针对空间干涉光谱仪面阵探测器响应误差综合校正方案,系统研究了空间外差光谱仪干涉数据误差修正的原理,开展了光谱定量化研究及验证实验。  (1)探测器响应误差综合校正研究。采用多等级均匀已知强度辐射源同时完成探测器坏像元检测、响应非均匀性和非线性校正,搭建了实验平台并开展探测器响应校正实验。实验结果表明坏像元定位准确,响应非均匀性从4.04%降到0.14%,而滤光片截止范围外光谱强度降低98%以上说明响应非线性校正效果良好。非成像空间外差光谱仪可以通过多行干涉数据进行平均提高信噪比,本文分析了干涉数据采样误差的影响,并且对不同采样误差给出对应的数据平均方法。同时,本文的分析结果对空间外差光谱仪研制具有一定的参考意义。  (2)干涉数据误差综合修正研究。本文采用挡光臂与配准算法相结合的系统级平场方法,解决了传统均匀辐射照明方法不适用空间外差光谱仪平场的问题,讨论了配准精度的分析方法,经平场校正后光谱与基准光谱偏差为0.6%。空间外差光谱仪的相位误差比传统时间调制型干涉仪更加复杂,本文通过实验室测量的单色光数据对相位误差进行分析,确定了相位漂移占相位误差的主导因素。重点研究了连续光Forman法相位校正中短边干涉数据长度的选取,综合分析短边数据长度与光谱分辨率、相位分辨率和相位校正函数特性之间的关系,总结出合理分配长边和短边数据点数的原则,在有效利用像元数据的前提下得到最优的相位校正精度。切趾函数能够抑制光谱因干涉数据截断造成的旁瓣振荡,同时导致光谱展宽,本文在诺顿比尔切趾函数基础上,通过调整多项式个数和系数满足设定阈值,构造了10种不同程度最优切趾函数,在光谱展宽一定的情况下达到最佳的次极大旁瓣抑制效果。  (3)高精度光谱定量化研究。由于气体理论吸收线具有受环境因素影响小、模拟精度高、与实际状态更接近的优点,本文采用基于模拟气体吸收线与实测光谱透过率拟合的方法获取高精度的光谱定标系数,并且利用光谱透过率的吸收峰拟合方法获取仪器线型函数。辐射定标系数则是利用积分球辐射定标系统通过多等级辐亮度光谱线性拟合的方法得出。  最后在解决光谱重构各环节关键技术基础上总结出空间外差光谱仪光谱重构总体流程,利用空间外差光谱仪地基观测的CO2吸收数据对本文研究的光谱重构算法进行了验证,结果表明重构光谱与模拟光谱吻合良好。
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