GB/T 31010-2014 色散型高光谱遥感器实验室光谱定标

　　ICS 17. 180. 01 N 30

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 31010—2014

　　色散型高光谱遥感器实验室光谱定标

　　Spectralcalibration in laboratoryfordispersivehyperspectralsensor

　　2014-09-03发布 2015-02-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 31010—2014

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国科学院提出 。

　　本标准由全国遥感技术标准化技术委员会(SAC/TC327)归 口 。

　　本标准起草单位 : 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 、中国科学院安徽光学精密机械研究所 、中国科学院上海技术物理研究所 。

　　本标准主要起草人 :颜昌翔 、邵建兵 、郑小兵 、马艳华 。

　　色散型高光谱遥感器实验室光谱定标

　　1 范围

　　本标准规定了色散型高光谱遥感器实验室光谱定标的设备条件和实验方法 。

　　本标准适用于工作波段为 0. 4 μm~ 2. 5 μm 的色散成像型(如滤光片型 、光栅衍射型 、棱镜色散型)机载/星载高光谱遥感器的实验室光谱定标 。其他色散型遥感器的实验室光谱定标可参照使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GJB 2700—1996 卫星遥感器术语

　　GJB 3007A—2009 防静电工作区技术要求

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　高光谱遥感器 hyperspectralremotesensor

　　光谱分辨率在 10-2λ 数量级的光学遥感器 ,λ 是工作波长 。

　　3.2

　　光谱定标 spectralcalibration

　　确定高光谱遥感器各光谱通道的峰值波长和光谱带宽的过程 。

　　3.3

　　实验室光谱定标 laboratory spectralcalibration

　　在实验室内对高光谱遥感器进行的光谱定标 。

　　3.4

　　光谱带宽 spectralbandwidth

　　高光谱遥感器各光谱通道相对光谱响应曲线中 ,光谱响应为最大值一半时所对应的波长之差值 。

　　4 一般要求

　　4. 1 定标实验室

　　定标实验室的环境条件要求如下 :

　　a) 洁净度等级应优于十万级 。待定标高光谱遥感器对洁净度有特殊要求时 ,应按要求执行 ;

　　b) 在遥感器工作波段和视场内 ,抑制杂散光 ;

　　c) 温度 20 ℃ ±3 ℃ ,相对湿度 50%±10% 。待定标高光谱遥感器对温湿度有特殊要求时 ,应按要求执行 ;

　　d) 应具有良好的防静电条件 , 防静电工作区应符合 GJB 3007A—2009的相关规定 。

　　GB/T 31010—2014

　　4.2 待定标遥感器

　　待定标高光谱遥感器应工作正常且定标状态与设计工作状态一致 。

　　4.3 定标装置要求

　　4.3. 1 基本要求

　　高光谱遥感器实验室光谱定标装置包括单色仪 、宽谱照明光源 、标准参考谱线光源 、高分辨率光谱仪 、光谱辐照度计 、平行光管 、调整台和数据采集处理系统 ,基本要求是 :

　　a) 定标装置应配套且在计量检定有效期内 ;

　　b) 定标装置的性能参数应满足高光谱遥感器光谱定标所需的精度要求 ;

　　c) 光谱定标可在光学隔振平台上进行 ,平台固有频率不大于 2 Hz。

　　4.3.2 详细要求

　　4.3.2. 1 单色仪

　　单色仪使用要求如下 :

　　a) 输出光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段 ;

　　b) 使用前应进行校准 ,波长不确定度应小于光谱定标峰值波长允许偏差的三分之一 ;

　　c) 输出光谱带宽应小于待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长允许偏差的三分之一 ;

　　d) 最小扫描步长应不大于待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长允许偏差 。

　　4.3.2.2 宽谱照明光源

　　输出光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段 ,可选用溴钨灯 、氙灯等 。采用稳压电源确保输出稳定 。

　　4.3.2.3 标准参考谱线光源

　　具有确定的特征谱线 ,可采用低压汞灯 、稳频激光器等 。

　　4.3.2.4 高分辨率光谱仪

　　高分辨率光谱仪使用要求如下 :

　　a) 测量光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段 ;

　　b) 光谱分辨率应优于单色仪输出带宽的十分之一 ;

　　c) 波长不确定度应优于单色仪的波长不确定度 ;

　　d) 使用前应校准波长不确定度 。

　　4.3.2.5 光谱辐照度计

　　光谱辐照度计的使用要求如下 :

　　a) 测量光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段 ;

　　b) 光谱分辨率应优于待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长允许偏差 ;

　　c) 重复性应优于 99% 。

　　4.3.2.6 平行光管

　　平行光管的使用要求如下 :

　　a) 通光光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段 ;

　　b) 出射光瞳应大于待定标高光谱遥感器入射光瞳 ;

　　c) 对于视场特别大的高光谱遥感器 ,可通过视场拼接实现全视场覆盖 。

　　4.3.2.7 调整台

　　应满足定标过程中待定标高光谱遥感器的姿态和位置调整自由度和精度要求 。

　　4.3.2. 8 数据采集处理系统

　　应满足单色仪输出 波 长 的 控 制 、待 定 标 高 光 谱 遥 感 器 输 出图 像 数 据 的 实 时 显 示 、采 集 和 处 理 等要求 。

　　5 定标方法

　　5. 1 光路调整

　　按图 1所示布置实验室光谱定标的光路 ,其中单色仪 、平行光管和待定标遥感器应调整为共光轴 。

　　图 1 高光谱遥感器实验室光谱定标光路图

　　5.2 定标步骤

　　定标步骤如下 :

　　a) 确认待定标高光谱遥感器和所有定标设备已充分预热,达到正常工作状态 。

　　b) 调节单色仪入射狭缝和出射狭缝的宽度 ,并利用标准参考谱线光源 、高分辨率光谱仪测量单色仪的输出波长和带宽 ,确认单色仪满足 4. 3. 2. 1 的要求 。

　　c) 调节定标光源的电流 ,使待定标高光谱遥感器的输出达到其满量程的 1/2~ 2/3。

　　d) 采用如图 2所示的测量光路 ,在定标谱段范围内连续调节单色仪的输出波长 ,利用光谱辐照度计测量单色平行光的相对光谱辐照度分布 。

　　e) 使待定标高光谱遥感器工作在暗背景成像模式 ,利用数据采集处理系统采集 50次以上的暗背景图像数据 ,并取平均值 。

　　f) 使待定标高光谱遥感器工作在成像模式 ,在定标谱段内以一定的步长连续改变单色仪输出波长 , 由数据采集处理系统采集 50次以上的光谱定标图像数据 ,并取平均值 。单色仪扫描步长一般应小于待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长允许偏差 。若待定标高光谱遥感器无明确的峰值波长允许偏差要求 ,可采用 1/10光谱带宽作为单色仪扫描步长 。

　　图 2 单色平行光相对光谱辐照度分布的测量光路图

　　5.3 定标数据处理方法

　　定标图像数据处理步骤如下 :

　　a) 光谱定标图像数据的平均值减去暗背景图像数据的平均值 ,得到待定标高光谱遥感器各光谱通道对应的图像数据 。

　　b) 利用单色平行光的相对光谱辐照度分布曲线 ,按式(1)计算得到各光谱通道归一化光谱响应 :

　　R

　　式中 :

　　R — 归一化光谱响应 ;

　　λ — 单色光波长 ;

　　DN— 减去暗背景计数值后的遥感器输出计数值 ;

　　RL— 单色光的相对光谱辐照度分布 ;

　　λ1 — 待定标遥感器光谱定标谱段的下限 ;

　　λ2 — 待定标遥感器光谱定标谱段的上限 。

　　c) 利用数值拟 合 , 获 得 各 光 谱 通 道 的 相 对 光 谱 响 应 。 一 般 可 采 用 如 式(2) 所 示 的 最 小 二 乘 法Gauss拟合 :

　　R(λ) =a · e 2 +d …………………………( 2 )

　　d) 按照式(3)和式(4) ,计算各光谱通道的峰值波长 λc 和光谱带宽 B:

　　λc =b …………………………( 3 )

　　B = 1. 665 c …………………………( 4 )

　　5.4 定标不确定度分析

　　5.4. 1 峰值波长不确定度

　　光谱定标峰值波长不确定度的分析步骤为 :

　　a) 依据单色仪校准报告 ,确定其输出波长不确定度 σ1 。

　　b) 依据单色仪输出光谱带宽测量结果 ,确定输出光谱带宽导致的峰值波长不确定度 σ2 。

　　单色仪输出光谱带宽导致的峰值波长不确定度不大于单色仪输出光谱带宽的二分之一 ,故 :

　　Bs …………………………( 5 )

　　式中 :

　　Bs— 单色仪输出光谱带宽 。

　　c) 依据高分 辨 率 光 谱 仪 校 准 报 告 和 单 色 仪 带 宽 测 量 结 果 , 确 定 单 色 仪 输 出 光 谱 带 宽 不 确 定度 σ3 。

　　d) 依据光谱辐照度计校准报告 ,确定单色光相对光谱辐照度分布测量不确定度导致峰值波长不确定度 σ4 。

　　利用式(2)Gauss拟合得到通道相对光谱响应时 , 由单色光相对光谱辐照度分布不确定度无法直接推导出峰值波长不确定度 σ4 。利用式(2)拟合时 ,蒙特卡洛法分析表明 , 当单色光相对光谱辐照度分布不确定度为 10%时 , 由其导致的峰值波长不确定度 σ4 与通道光谱带宽 B 存在如下关系 :

　　σ4 = -5. 26× 10-5 nm-1 × B2 + 0. 007× B + 0. 069 nm …………………( 6 )

　　e) 光谱定标峰值波长重复性 σ5 。

　　f) 按照表 1计算待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长不确定度 。

　　表 1 光谱定标峰值波长不确定度分析

　　5.4.2 光谱带宽不确定度

　　光谱带宽不确定度的分析步骤为 :

　　a) 依据单色仪校准报告 ,确定其输出波长不确定度 σ1 。

　　b) 依据单色仪输出光谱带宽测量结果 ,确定输出光谱带宽导致的不确定度 σ2 。

　　单色仪输出光谱带宽导致的定标光谱带宽不确定度不大于单色仪输出光谱带宽的二分之一 ,故 :

　　Bs …………………………( 7 )

　　式中 :

　　Bs— 单色仪输出光谱带宽 。

　　c) 依据高分 辨 率 光 谱 仪 校 准 报 告 和 单 色 仪 带 宽 测 量 结 果 , 确 定 单 色 仪 输 出 光 谱 带 宽 不 确 定

　　度 σ3 。

　　d) 依据光谱辐照度计校准报告 ,确定单色光相对光谱辐照度分布测量不确定度导致光谱带宽不确定度 σ4 。

　　利用式(2)Gauss拟合得到通道相对光谱响应时 , 由单色光相对光谱辐照度分布不确定度无法直接推导出光谱带宽不确定度 σ4 。利用式(2)拟合时 ,蒙特卡洛法分析表明 , 当单色光相对光谱辐照度分布不确定度为 10%时 , 由其导致的光谱带宽不确定度 σ4 与通道光谱带宽 B 存在如下关系 :

　　σ4 = 1. 16× 10-6 nm-2 × B3 - 1.89× 10-4 nm-1 × B2 + 1. 58× 10-2 × B+ 0. 108 nm ……( 8 )

　　e) 光谱带宽定标重复性 σ5 。

　　f) 按照表 2计算待定标高光谱遥感器光谱带宽不确定度 。

　　表 2 光谱带宽不确定度分析