摘要
傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪(FY-4/GIIRS)运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空(TVAC)定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。
碲镉汞(MCT)红外光导探测器以其在长波红外波段优秀的光敏特性,在高光谱遥感仪器中被广泛采用。风云四号(FY-4)搭载的静止轨道干涉式红外探测仪(GIIRS)是一台傅里叶变换型红外高光谱大气探测仪,其长波红外通道便是采用光导型面阵碲镉汞探测
关于如何消除傅里叶变换光谱仪红外非线性影响,国内外进行了很多研究。有些方法是从仪器结构或放大电路的设计上削弱非线性的影响,如采用双口输出干涉仪的两个相反相位输出抵消非线性影
针对运行于静止轨道FY-4/GIIRS温度场日变化剧烈、长波碲镉汞探测器输出电压交流耦合的特点,本文推导出一种基于光谱响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法。该算法无需估算干涉图直流分量,且当仪器背景温度改变后,仅需根据定标黑体光谱值和黑体光谱响应率就可以更新校正参数。经发射前仪器地面定标试验数据验证,该算法计算简单,且对仪器非线性响应有很好的校正效果。
假设照射在探测器上的光强为,系统的非线性响应(包括探测器非线性和放大电路非线性响应)可以用的多项式展开来表
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对于时间调制型傅里叶变换光谱仪,在探测器上接收的是动镜运动调制后的相干光,光强为,为两束相干光的光程差。其与目标的光谱有傅里叶变换关
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在实际系统中,三次及三次以上的高阶非线性影响比较小,本文只考虑系统二次非线性,得到实际系统非线性输出为:
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如
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图1 干涉图非线性响应示意
Fig. 1 Interferogram nonlinear response schematic
当放大电路采用交流耦合形式对探测器响应进行放大后,干涉图直流部分被隔离,将
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对
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表示系统实测光谱,由于二次非线性的影响,表现在光谱上的结果是增加一个缩放因子和光谱自卷积项,光谱自卷积项是在光谱带外引发的畸
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(a)

(b)
图2 (a)非线性干涉示意图,(b)二次非线性引起光谱带外畸变
Fig. 2 (a) The schematic diagram of nonlinear interferogram, (b) spectral out-of-band distortion due to quadratic nonlinearity
不考虑系统噪声和非线性因素,系统实测光谱由目标辐射和仪器自身背景辐射共同组成,即:
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是仪器获得的目标光谱响应值,为未经校准的数字量化值,以DN(digital Number)表示。和分别是目标和背景光谱辐亮度,单位是。是仪器光谱响应率,表示仪器测量光谱量化值与输入光谱辐亮度的响应关系,单位是。辐射定标的最终目的是获得精确的目标光谱辐亮度,仪器通过测量低温标准参考源光谱和高温标准参考源光谱来计算仪器光谱响应率。仪器在轨工作时,通常以内置黑体作为高温标准参考源,以地球外冷空间作为低温标准参考源,且每隔一定的时间进行一次内黑体和冷空观测,以保证目标观测与黑体冷空观测的仪器背景温度一致。为了与下文表述一致,以下将低温标准参考源光谱称为冷黑体,将高温标准参考源光谱称为热黑体,热黑体观测和冷黑体观测的公式如下:
, | (9) |
, | (10) |
. | (11) |
由此得到标准两点辐射定标方程:
. | (12) |
实际上,由于采样延迟、噪声以及光学系统的影响,傅里叶变换光谱仪采集的干涉图并非零光程差两侧完全对称的,因此仪器实际得到的是复数光谱。傅里叶变换光谱仪复数辐射定标公式为:
, | (13) |
式中为取实部运算,标识符上的波浪号代表该值为复数值。、与做复数运算可以消除绝大部分相位,残余虚部用于定标产品质量评
当仪器整体表现为理想线性系统时,理想线性系统光谱响应率为常量。通过测量热黑体和冷黑体的光谱量化值就可以计算出全部仪器动态响应范围内的目标光谱辐射值。当系统引入二次非线性后,系统实测光谱是理想光谱引入增益系数,由式(
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实际系统获得光谱为复数光谱,定义目标实测光谱响应率模值为,相位角为,理想线性系统光谱响应率的相位角为,则:
. | (15) |
光谱响应率相位角是复数热黑体光谱和冷黑体光谱相减的结果,
. | (16) |

图3 不同黑体亮温光谱响应率相位角变化情况
Fig. 3 Variation of phase angle of different blackbody brightness temperature responsivity

图4 FY-4B/GIIRS 在轨5个月黑体光谱响应率相位角变化情况
Fig. 4 Variation of blackbody spectral responsivity phase angle for 5 months in orbit
, | (17) |
即干涉图直流分量与光谱和成正比:
, | (18) |
式中和分别为光谱有效波数带宽的上下限。同理,非线性干涉图直流分量与非线性光谱和成正比例关系。由于干涉图直流量通常处于较低光通量区,在干涉仪调制度100%时,直流量大小为零光程差干涉图幅值的一半,受非线性影响相对较小,本文近似以非线性直流量值替代线性直流量,即:
, | (19) |
, | (20) |
为常数,令,公式(20)可以改写为:
. | (21) |
由上述公式可知,目标实测光谱响应率模值与光谱和近似线性关系,在同一仪器背景温度下测量两个以上的黑体亮温即可计算出和,从而得到在该仪器背景温度下光谱响应率与光谱和的线性关系。对热黑体进行大范围多点变温测试,可以获得光谱响应率与光谱和更准确的线性拟合结果,如
. | (22) |

图5 光谱响应率与光谱值近似线性关系仿真
Fig. 5 Simulation of approximate linear relationship between spectral responsivity and spectral value
, | (23) |
则:
. | (24) |
从
. | (25) |
定义仪器背景温度场改变后热黑体光谱响应率相位角,将
. | (26) |
本文利用FY-4B GIIRS发射前热真空辐射定标试验数据进行算法验证。试验根据在轨仪器环境温度仿真情况分别设置5种不同的环境温度工况,如
测温点 名称 | 不同工况下仪器部分结构测温(摄氏度) | ||||
---|---|---|---|---|---|
TVAC1 | TVAC2 | TVAC3 | TVAC4 | TVAC5 | |
扫描镜 | 26 | 13 | 13 | 5 | 40 |
北冷板 | 10 | 0 | 0 | -10 | 20 |
隔热罩 | 2 | -8 | 10 | -11 | 12 |
散热北板 | -15 | 12 | 12 | -20 | 19 |
散热南板 | -10 | -10 | -10 | -40 | 20 |
选择200~320 K黑体观测数据求解光谱响应率校正系数和。不同环境温度工况下,原则上相同。分别对5种工况黑体变温试验数据拟合各工况下的,将各工况下计算的求平均,得到平均光谱响应率非线性修正系数,如

图6 TVAC1~TVAC5 长波全波段光谱响应率修正系数拟合值与平均值
Fig. 6 Long-wave full-band responsivity correction coefficient of TVAC1-TVAC5 fitted value and average value

图7 TVAC1~TVAC5目标光谱值与光谱响应率的线性关系
Fig. 7 The linear relationship between the target spectral value and the spectral responsivity of TVAC1-TVAC5
利用式(

图8 非线性校正前后辐射定标亮温对比
Fig. 8 Brightness temperature of radiometric calibration comparison before and after nonlinear correction

图9 非线性校正前后辐射定标亮温偏差对比
Fig. 9 Brightness temperature deviations comparison before and after nonlinear correction

图10 非线性校正前后亮温标准差对比
Fig. 10 Brightness temperature standard deviation comparison before and after nonlinear correction
以850 c

(a)

(b)
图11 观测目标亮温180~320 K范围所有像元全部工况非线性校正前后亮温偏差对比:(a)850 c
Fig. 11 Comparison of calibration deviations before and after nonlinear correction for all pixels in the range of 180-320 K of brightness temperature of the observation target: (a) 850 c

图12 观测目标亮温180~320 K范围所有像元非线性校正后平均亮温偏差
Fig. 12 The average deviation of calibration after nonlinear correction of all pixels in the range of 180-320 K brightness temperature of the observation target

图13 观测目标亮温280 K非线性校正后定标结果 TVAC1~TVAC5平均亮温偏差
Fig. 13 Observation target brightness temperature 280 K TVAC1-TVAC5 calibration average deviation after nonlinear correction
傅里叶变换高光谱探测仪的非线性响应是辐射测量主要误差来源之一,作为面向气象应用的高光谱遥感仪器,高精度辐射定标是实现卫星资料定量化应用的基础。本文针对静止轨道傅里叶变换光谱仪运行环境特点,从非线性响应原理和辐射定标原理推导出一种基于光谱响应率修正的非线性矫正算法,该算法无需测量或者估算干涉图直流分量,适用于仪器在轨运行环境温度变化剧烈的情况。经过风云四号B星静止轨道红外探测仪发射前地面热真空辐射定标试验数据验证,该算法对不同仪器环境温度下,观测目标亮温180~320 K范围内的辐射定标精度均有明显的改善,并且该算法简单易实现,仅需要对定标黑体的测量光谱值和光谱响应率进行一次运算就可以得到非线性校正系数,无需反复迭代计算。
本文的非线性校正算法对200 K以下低温目标的校正仍存在一定误差,部分波数误差约2 K左右。此外,该算法基于二次非线性响应系数长期稳定的情况下进行在轨非线性校正,实际仪器在轨运行过程中,受器件老化等因素影响,非线性系数可能会发生变化,需要定期进行一次在轨黑体变温来重新拟合光谱响应率校正系数。
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