短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究 - 图文

2019-01-26 17:01

第30卷第3期2011年6月红外与毫米波学报J.InfraredMillim.WayesV01.30,No.3June.2011文章编号:1001—9014(2011)03—0279—05短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究王跃明,祝倩,王建宇,庄晓琼(1.中国科学院上海技术物理研究所,空间主动光电技术与系统实验室,上海200083;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:文章指出背景辐射对短波红外高光谱成像仪辐射精度、信噪比是有影响的.给出了色散型短波红外光谱仪的背景辐射定量计算模型,分析了温度及温度变化与辐射精度的关系,并通过实验数据进行了验证.在背景辐射特征分析的基础上,分析总结了小相对孔径冷屏、高精度温控、冷光学、经常性标定等几种减小背景辐射影响的措施.本文的研究工作对于提高高光谱成像仪研制的定量化水平具有参考价值.关键词:短波红外,高光谱,背景辐射,辐射精度中图分类号:Tfr706文献标识码:ACharacterizationofbackgroundradiationinSWIRWANGYue—Ming,(1.LaberatoryZHUhyperspectralQian,imagerZHUANGWANGJian—Yu,Xiao—QiongofSpaceActiveElectro-OpticalTechnologyandSystems,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai2.Graduate200083,China;SchoolofChineseAcademyofSciences,Beijingofshort100049,China)imageranditssignal—to—Abstract:Itisprovedthattheradiometricnoiseratiocouldbeaffectedbytheaccuracywaveinfrared(SWIR)hyperspectralbackgroundradiation.Thequantifiedcomputingmodelofbackgroundradiationofdis?persiveSWIRhyperspectralimagerisgiven.Therelationshipbetweenthetemperatureandtheradiometricaccuracyisana—lyzed,whichwasdemonstratedbyexperiments.Basedontheanalysisofthecharacteristicsofbackgroundradiation,severalweremethodsofreducingtheinfluenceofbackgroundradiationtemperaturecontroHingwithsummarized,suchsoascoldshieldofsmallrelativeaperture,highprecision,coldoptics,regularcalibrationandon.TheresultsinthispaperishelpfultoofimprovethequantificationaccuracyKeyhyperspectralimager.words:SWIR,hyperspectralimager,backgroundradiation,radiometricaccuracyPACS:85.60.Gz引言经过近20年的发展,高光谱成像技术正逐渐成为一种重要的光电遥感手段,在环境、资源、海洋、大气等诸多应用领域¨'2o受到关注.目前可见近红外谱段高光谱成像技术相对较为成熟,短波红外谱段受半导体探测器技术和分光技术的发展制约,应用相对较少.在对地观测、行星探测、大气探测等领域的需求推动下,近年国内加大了这方面的研究投入,取得了一些进展旧J.本文结合作者所在研究小组近年从事的相关研究工作,对应用于几种典型场合的短波红外高光谱成像仪的背景辐射影响因素进行分收稿日期:2010—12-21,修回日期:201l?04-18析阐述?1系统信噪比影响因素高光谱成像仪是一种图谱合一的光电仪器,能够同时获取目标的光谱信息和空间几何信息.系统信噪比是表征仪器辐射灵敏度的重要指标,影响仪器系统信噪比的因素有很多,例如仪器工作条件(太阳高度角a,目标光谱反照率P(A))、仪器设计参数(相对孔径(D/f)、光学效率(r。(A))、积分时间(r油)、探测器像元面积(d2)、探测器量子效率(田(A)))、仪器噪声(目标信号光子噪声No(A),背景噪声Nb(A),电路随机干扰噪声Nc)等.Receiveddate:2010?12—21,reviseddate:201l?04.18作者简介:王跃明(1977一),安徽黄山人,副研,博士,主要从事光电技术与系统研究,E?mail:wangym@mail.sitp.ac.cn.万方数据红外与毫米波学报30卷通常情况下,仪器实际采集到的信号可以用光电转换后的电子数来表示,如式(1)所示.,知+竽,12&啪(An)2L;厶妇(A)’矛a-.sina?p(A)?70(A)?ri。。?'7(A),(1)?忐?dA其中£幽(A)为目标表面的太阳光谱辐照度;F为仪器的相对孔径;h为普朗克常数;c为光速;A。为对应波段的中心波长;AA为仪器光谱采样间隔;其它参数如前所述.系统噪声用电子数可以表示为:‰(A)= ̄/No(A。)2+N。(A。)2+N:=√5蛳(A。)+Js妇枷谢+蜒其中s‰枷删为目标自身辐射、仪器光机结构辐射、探测器暗电流贡献的信号电子数,表现为图像的背景电平,通常可以近似为直流信号.但当目标温度、仪器光机结构温度、探测器工作温度发生变化时,该一,¨’L‘,背景电平也会发生漂移.背景信号电子数S妇枷删的计算可以利用经典的普朗克黑体辐射公式进行.下一节会有详细的计算数据.当仪器工作条件、系统光学参数、探测器选用方案确定后,系统信噪比主要受背景噪声、电路噪声决定.以当前的探测器技术水平和电路设计能力,实现相对小的电路噪声是不困难的.通常隋况下,高光谱成像仪的噪声以光子噪声和背景噪声为主.当背景噪声、电路噪声远远小于光子噪声时,我们称仪器信噪比水平达到了光子噪声限或探测器噪声限;当系统噪声以背景噪声为主时,我们称系统为背景噪声限系统.2背景辐射特征分析高光谱成像仪系统通常由望远镜、狭缝、分光光谱仪、探测器组件等组成.短波红外高光谱成像仪中的探测器在信息获取过程中,除了收集到地物目标的太阳反射光谱信息外,还收集到地物目标的辐射、大气辐射、仪器光机结构辐射.相比较而言,仪器光机结构辐射的形成最为复杂,与仪器构型密切相关.2.1目标背景热辐射由于地物目标自身的温度较低(沙漠地区夏季最高温度约80℃),其自身辐射相对太阳光照可忽略,图1给出了不同温度黑体光谱辐亮度与太阳光万方数据21O9重8》7主65蟊43墓|2l篓1菱20.81.01.21.41.61.82.02.22.4波长(unl)图1地物目标发射光谱与自身辐射光谱对比Fig.1Comparisonofreflectanceandemissionoftheearth谱辐照度的对比.典型的2.5仙m波长处,O。C、250C、80℃的黑体光谱辐亮度分别是地球表面太阳光谱辐照度的O.0053%、0.035%、0.62%.因此,综合来看,地物自身辐射是可以忽略不计的.但如果仪器工作在光照条件较弱的场合,这方面因素则不得考虑,例如月球探测过程中,月面最高温度127℃时,2.51.Lm波长处的自身辐射已占太阳光谱辐照度的4.2%,考虑太阳高度角因素和目标反照率因素,实际影响还要大.由于在短波红外谱段,地球大气仅有少数几个吸收峰,并且大气温度相对地面较低,因此大气的辐射对于高光谱成像仪信号接收的影响是可以忽略不计的,但大气的吸收影响还是比较显著的.2.2光机结构背景热辐射仪器自身的光机结构辐射对于系统辐射灵敏度的影响究竟有多显著,下面根据高光谱成像仪的结构特点来分析.如图2所示,高光谱成像仪光机结构通常由光学镜片、狭缝、分光元件(通常为光栅或棱镜)、探测器组件、支撑结构等组成.不难看出,探测器除了接收到瞬时视场内的目标信号外,还会接收到光机结构、光学元件、探测器杜瓦外壳的自身热辐射.由于光学元件具有较高的反射率,因此其贡献的自身辐射是可以忽略不计的.为了减小冷损,杜瓦腔体的内表面通常也都经过抛光处理,具有较低的发射率.狭缝安装在望远镜的焦面上。作为系统的光阑.望远镜的结构背景辐射通过狭缝进入光谱仪后,正好能够被光谱仪的结构吸收.因此仪器光机结构的背景辐射主要来自光谱仪内部.为简化分析,假设地物目标与仪器结构均为300K的理想黑体.那么高光谱成像仪的狭缝组件实际可以等效为黑体发射面和线发散光束(相对孔径3期王跃明等:短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究28l测器瓦件图2典型高光谱成像仪光机结构示意Fig.2OptomechanicalArchitectureofhyperspectralimager与望远镜匹配)的叠加.由于光谱仪是一个2次成像系统,其狭缝组件与探测器焦面构成物像关系,光谱仪背景辐射可以简化为杜瓦窗口内壁的热辐射与探测器杜瓦窗口孔径立体角对应的黑体辐射,如图3所示.下面分别建模分析.根据图3模型,杜瓦内壁的辐射光子流密度可以用式(3)表达:一oⅥ∥2c…/A/.,【f爵出.㈤其中8栅为杜瓦内壁的表面发射率,R~为探测器+』:高出】洲n粼=\掣j|,//////hlii图3仪器背景辐射简化示意图Fig.3Simplifiedschematicofinstrument’8background万方数据一。--●-:::__一_。●---7/,-_----●-_—f●●-I--,—一_-_●-一●。。一一一//^’。/?Z一_。。●●●●●-一一I_●一275280285290295300305310仪器工作温度(K)图4结构背景辐射光子流密度随温度变化趋势Fig.4Backgroundatdifferenttemperature2一l一l一一。0.0000.0020.0040.0060.008O.0lO探测器积分时间(s)Backgroundradiationofaprism-basedspectrometer接收到的杜瓦内壁的辐射光子流密度(个/秒).结构背景辐射光子流密度可以用式(4)表达:R一‰f贩拦菇支出dc:‘H’已知某短波红外碲镉汞焦平面斯特林制冷组件的相关参数如下:光谱响应范围入l一入::0.9—2.5斗m;量子效率约为60%;占栅=0.1;占结构。0.9;r=9.6mm;h=3mm;R=15mm;根据这些参数可以计算出结构背景辐射光子流密度与结构温度之间的关系,如图4所示.为了验证分析的正确性,课题组利用一石英棱镜分光的光谱仪进行了背景辐射测试,测试结果表明,在仪器温度为23℃(296K)时,仪器背景辐射的光子流密度为1.6×107光子/秒;在仪器温度为26℃(299K)时,仪器背景辐射的光子流密度为2.0×107光子/秒,可以认为测试结果与理论分析基本是相符的.Fig.5红外与毫米波学报30卷表1短波红外光谱仪背景辐射测量结果Table1BackgroundofSWlRspectrometerat23℃and26℃探测器积分时间探测器采集的背景辐射光子数(s)仪器温度23℃仪器温度26。C背景辐射对系统信息获取过程的影响主要表现为两个方面:背景辐射噪声和系统动态范围的漂移(由于结构温度的漂移).下一节主要阐述系统设计中对背景辐射影响的考虑及相关措施.3减小背景辐射影响的技术途径根据上节分析计算,常温20℃时,结构背景辐射约为1.5X107光子/秒.在20℃时,背景辐射随温度的变化约为l×106光子/秒?℃.下面分析在几种典型系统设计过程中,如何采取措施减小背景辐射对仪器辐射精度的影响.高光谱成像仪根据探测目标特点大致可以分为对地观测、大气、深空探测3大类,这3类仪器的特点分别是:对地观测型高光谱成像仪主要用于资源、环境、农林等,仪器光谱采样间隔通常在5~10nm,空间分辨率5—30m,目标信号较强,例如美国EO—l卫星Hyperion仪器等;大气类高光谱成像仪探测的目标信号通常都很弱,光谱分辨率优于0.1nm;目前的深空探测以火星和月球探测为主,火星到太阳的距离是地球的1.52倍,其外层空间的太阳常数是地球的43%,火星月球等深空目标还具有表面平均反照率低的特点,例如月球表面平均反照率0.09,火卫二的平均反照率仅为0.07,深空探测中的高光谱成像仪目标信号也较弱.对地观测类高光谱成像仪的目标信号光子流密度一般在1.0×106光子/秒量级.减小结构背景辐射的影响,可以通过小相对孔径冷屏设计、高精度的温度控制和经常性标定3种手段.结构背景辐射与光学系统相对孑L径的平方成反比,小相对孔径冷屏设计可以降低结构背景辐射.但是对于带狭缝的色散型高光谱成像仪来说,冷屏只能抑制光谱仪支撑万方数据结构的背景辐射,狭缝组件的背景辐射必须通过高精度的温度控制来减小其涨落对辐射精度与动态范围的影响;经常性标定是进一步修正背景辐射引起的辐射精度误差的手段.例如EO一1卫星的Hyperion仪器通过采取这3个手段,实现了很好的辐射精度和定量化水平¨J.大气探测类高光谱成像仪则大大不同,由于光谱分辨率很高,探测器接收的信号很弱,因此通常采用增加积分时间的方法来保证系统的信噪比.在积分的过程中,背景辐射同时被探测器接收采集,因此背景辐射对辐射精度的影响就十分显著.对地观测的高光谱成像仪光谱分辨率R(A/AA)通常为1/100,即10nm左右的分辨率,而大气探测则要求优于1/10000的光谱分辨率,这意味着其有效信号不到陆地探测的1/100.在这种情况下,仅靠上面的三种方法是不够的,因为如果让光谱仪在20℃条件下工作,温控精度的要求达到±0.01℃,这在工程上几乎不可能实现.解决这个问题的方法是将光谱仪的工作温度降下来,即所谓的冷光学措施.根据第2节的分析,当温度降低后,仪器光机结构的背景辐射大幅减小,因此温度的变化引起的背景辐射涨落也大大减小,从而降低了对控温精度的要求.例如,美国OCO卫星的大气探测高光谱成像仪在1.61斗m谱段光谱采样间隔为0.076nm,其平均光子流密度约为1.5×105光子/秒.为了保证探测精度,该仪器就采取了冷光学的技术思路帕J.高光谱成像仪还可以应用于地外行星或其它星体的科学探索领域.对于一些行星/卫星着陆器载的高光谱成像仪,则要关注仪器工作温度变化引起的辐射精度下降.由于热控难度大和目标自身温度变化范围大,实现定量化探测的难度很大.必须采取温度控制和实时背景标定相结合的办法.温度控制系统将仪器的温度尽可能控制在4-100C左右的范围内,避免背景辐射变化范围太大.实时背景标定的前提是,在短时间内,温控系统可以将仪器的温度水平控制在足够的范围内,在信号处理时将标定的背景电平减掉,获取目标的有效光谱信号.例如,基于AOTF的高光谱成像仪比较适合于近场在位高光谱探测,是深空探测着陆器载高光谱成像仪经常采用的技术方案.但由于AOTF的相对孔径较小,深空目标反照率低等原因,导致AOTF高光谱成像仪获取的有效光信号较弱,需要通过长时间积分来获得较高的信噪比,此时结构背景辐射的影响十分显著.在这种情况下,通过实时背景标定和探测器多次积分3期王跃明等:短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究283叠加,仍能获得满足要求辐射精度.等.基于实测高光谱的太湖水体悬浮物浓度遥感估算研究.红外与毫米波学报),2009,28(2):124--128.[2]SHENon4结论由于短波红外高光谱成像仪探测的目标信号主要是太阳反射光谱,长期以来,仪器自身的背景辐射经常被忽视.通过本文的分析研究,认为背景辐射对短波红外高光谱成像仪的辐射精度有显著影响,主要表现为动态范围的漂移和背景噪声.其影响程度取决于仪器工作环境与目标信号的强弱,因此改进方案也需要根据应用场合来确定.主要通过小相对孔径冷屏、高精度温控、冷光学和经常性标定等手段.本文的研究工作对提高高光谱成像仪研制的定量化水平具有重要的参考价值.REFERENCESYua.-Ting,NIGuo—Qiang,xuDa-Qi,eta1.Studygasexplorationbyhyperionhyperspectralremotesensingdata[J].上InfraredMillim.Waves(沈渊婷,倪国强,徐大琦,等.利用Hyperion短波红外高光谱数据勘探天然气的研究.红外与毫米波学报),2008,27(3):210-213.[3]TANKe.Long,ZHOURi-Ping,WANYu—Qing,eta1.Re-motesensingmonitoringmethodofhyperspectralandhishcombustion[J].上InfraredMillim.WaRs(谭克龙,周日平,万余庆,等.地下煤层燃烧的高光谱及高分辨率遥感监测方法.红外与毫米波学报),2007,26(5):349--352.[4]MAYan.Hua,JINGZhong-Liang,WANGJian-Yu,etnf.resolutionRadiationmatchingimagerbasedonforundergroundcoalbedtechnologyforwide-viewfield.dividinhyperspoctralJ1.上InfraredMillim.Waves(马艳华,敬忠良.王建宇,等.基于视场分割方式的宽视场高光谱成像系统的辐射匹配技术.红外与毫米波学报),2008,27(6):457删.riccalibrationoveron『5]HughHKieffer.ThomasCStone,eta1.On.orbitradiomet.timeandbetweenspacecraftusingthe[1]SUNDe—Yong,LIYun—Mei,WANGQiao,eta1.StudyofsuspendedmatterhyperspeetrMdatainremotesensingestimationtionsbasedonconcentra-insitulaketaiwatersMoon[J].ProceedingsofSPIE.2003,4881:287—298.[6]LivermoreTR,CrispD.TheNASAOrbitingCarbonservatoryOb-MissionIJ1.Aerospace[J].上InfraredMillim.Waves(孙德勇,李云梅,王桥,Conference,2008:l一.(上接223页)几种结构可以产生包含两个频率成份的THz波,也可以将目标函数确定为含有多个频率成份,具有任意强度相对值的THz波谱,利用模拟退火算法仍然可以得到相应的晶体畴结构的理想模型.REFERENCESinperiodically—poledlithiumniobate[J].Opt.Commun,f71Chambedain1998,148(1-3):105.JM.MilesRE.NewDirectionsinTerahertzandTechnology,1997[c].Berlin:Springer,1997.[8]KnoeselE,BonnM,ShanJ,eta1.ChargetransportcarrierdynamicsinliquidsprobedbyTHztime—domainspectroscopy[J].Phys.Rev.Lett,2001,86(2):340.『91Yan.ShikLee。MeadeT.PerlinV。eta/.Generationrectificationof[1]HuBB,DarrowJT,ZhangXC,eta1.Opticallysteerablenarrow—bandterahertzfemtoseeondpulsesinradiationviaopticalofphotoconductingantennas[J].Appl.Phys.Lett,1990,56(10):886.[2]YouD,JonesRR,BucksbaumPH,eta1.Generationofhigh-powersub?single-cycle500一fselectromagneticpulsesperiodicallypoled[J].Appl.Phys.Lett,2000,76(18):2505.[10]WeissC,TorosyanG,AvetisyanY,eta1.Generationtunablenarrow..bandsurface..emittedlithiumniobateofterabertzradiationin[J].opt.Lett,1993,18(4):290.[3]HuberR,BrodschelmA,TauserF,eta1.Generationandfield??resolveddetectionoffemtosecondelectromagneticpul?sesperiodicallypoledlithiumniobate[J].Opt.Lett,2001,26(8):563.[11]Yun—ShikLee,TheodoreBNorris.Terabertzpuleshapingandoptimalwaveforillgenerationintunableupto41THz[J].Appl.Phys.Lett,2000,76poledf色nloelectriccrys.(22):3191.tals[J].上Opt.Soc.Am.B,2002,19(11):2791.byopticalrectificationofultrashortlaser[4]HeblingJ,StepanovAG,AlmrsiG,eta1.TunableTHzpulsegenerationf121UUXin.ha/,WUJian,DUANWen.hui,eta1.Genera-tionofnarrow..bandterabertzradiationwithpresetfrequen..poledferroelectriep1.Phys,2005,97(11):114108.cypulseswithtiltedpulsefronts[J].Appl.Phys.B,2004,78componentsinmaterials[J].上协generationsin(10):593.[5]ShikataJ,SatobycryogenicM,TaniuchiT,eta1.Enhancementoftera-[13]QINYi—qiang,GUOHong—then,TANGSing?hai.Theo-hertz-waveoutputfromLiNb03opticalparametricoscillatorsretieconsiderationsformulti-modeterabertzdielectriccooling[J].Opt.Lett,1999,24(4):202.newmulti-periodicallypoled[6]DingYJ,KhurginJB.Aschemeforefficientgenera-toCondens.Matter.撕.18(5):1613.material[J].上Phys.:tionofcoherentandiBeoherentsubmillimeterTHzwaves万方数据短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究

作者:作者单位:

王跃明, 祝倩, 王建宇, 庄晓琼, WANG Yue-Ming, ZHU Qian, WANG Jian-Yu,ZHUANG Xiao-Qiong

王跃明,王建宇,WANG Yue-Ming,ZHU Qian,WANG Jian-Yu,ZHUANG Xiao-Qiong(中国科学院上海技术物理研究所,空间主动光电技术与系统实验室,上海200083), 祝倩,庄晓琼(中国科学院研究生院,北京,100049)

红外与毫米波学报

JOURNAL OF INFRARED AND MILLIMETER WAVES2011,30(3)

刊名:英文刊名:年,卷(期):

参考文献(6条)

1.孙德勇;李云梅;王桥 基于实测高光谱的太湖水体悬浮物浓度遥感估算研究[期刊论文]-红外与毫米波学报2009(02)

2.沈渊婷;倪国强;徐大琦 利用Hyperion短波红外高光谱数据勘探天然气的研究[期刊论文]-红外与毫米波学报2008(03)

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6.Livermore T R;Crisp D The NASA Orbiting Carbon Observatory Mission 2008

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