第 卷 第 期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 年 月!"#$%&!$'%$#""! 星 载 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 及 其 测 量 张 军 强 吴 清 文 颜 昌 翔 中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究 所 吉 林 长 春 中 国 科 学 院 研 究 生 院 北 京 摘 要 超 光 谱 成 像 仪 比 一 般 光 谱 仪 器 具 有 更 多 的 光 谱 通 道 和 更 高 的 光 谱 分 辨 率 而 杂 散 光 是 影 响 超 光 谱 成 像 仪 光 谱 测 量 精 度 的 重 要 因 素 之 一 当 前 光 谱 仪 器 的 杂 散 光 测 量 方 法 尚 不 能 满 足 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 检 测 的 需 要 作 者 探 讨 了 此 类 成 像 光 谱 仪 杂 散 光 的 定 义 来 源 和 危 害 论 述 了 使 用 杂 散 光 影 响 因 子 描 述 光 谱 仪 杂 散 光 的 可 行 性 和 优 越 性 并 给 出 了 杂 散 光 受 扰 系 数 和 杂 散 光 干 扰 系 数 % 的 定 义 物 理 意 义 和 工 程 应 用 价 值 最 后 介 绍 了 使 用 窄 带 滤 光 片 测 量 星 载 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 的 测 量 系 统 组 成 测 量 步 骤 和 测 量 结 果 结 果 表 明 杂 散 光 影 响 因 子 能 正 确 表 示 光 谱 仪 的 杂 散 光 特 性 与 光 源 滤 光 片 探 测 器 等 测 量 条 件 无 关 而 测 量 效 率 比 谱 杂 散 光 系 数 法 至 少 提 高 倍 满 足 星 载 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 测 量 的 工 程 需 要 关 键 词 杂 散 光 杂 散 光 测 量 超 光 谱 成 像 仪 窄 带 滤 光 片 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 '.""% 引 言 随 着 军 事 地 质 宇 宙 探 索 等 各 领 域 对 高 质 量 遥 感 图 像 的 需 求 一 度 曾 被 忽 视 而 又 直 接 影 响 图 像 质 量 的 杂 散 光 正 重 新 引 起 人 们 的 重 视 罗 伯 特 等 人 曾 对 杂 散 光 作 了 较 为 深 入 的 分 析 和 总 结 史 蒂 芬 等 人 对 地 基 天 文 望 远 系 统 的 杂 散 光 抑 制 方 法 进 行 了 研 究 在 美 国 的 深 空 探 索 望 远 镜 '* 研 制 过 程 中 也 对 杂 散 光 作 了 深 入 的 研 究 在 我 国 早 在 年 代 刘 瑞 祥 等 人 就 对 杂 散 光 进 行 了 研 究 并 提 出 经 典 的 黑 体 法 测 量 望 远 镜 的 杂 散 光 近 年 来 李 婷 等 人 也 对 杂 散 光 做 了 定 量 的 分 析 史 光 辉 钟 兴 李 欣 耀 等 人 对 消 杂 散 光 措 施 进 行 了 详 细 研 究 当 前 国 内 对 光 学 遥 感 仪 器 的 杂 散 光 研 究 主 要 集 中 在 望 远 镜 系 统 而 对 光 谱 仪 器 的 杂 散 光 研 究 较 少 只 有 禹 秉 熙 于 洵 等 在 世 纪 初 对 单 色 仪 和 非 单 色 仪 杂 散 光 作 了 一 些 分 析 和 测 量 工 作 而 对 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 的 分 析 和 测 量 在 国 内 尚 少 有 报 道 在 国 外 以 美 国 的 65 和 德 国 的 :%'* 为 代 表 的 新 一 代 高 分 辨 成 像 光 谱 仪 都 将 杂 散 光 的 分 析 和 测 量 作 为 一 个 重 要 的 课 题 进 行 了 深 入 研 究 为 了 降 低 杂 散 光 引 起 的 光 谱 仪 分 光 测 量 误 差?%1 等 甚 至 用 单 色 仪 精 确 测 量 了 光 谱 仪 的 杂 散 光 并 建 立 杂 散 光 矩 阵 通 过 软 件 实 现 了 杂 散 光 的 实 时 修 正 本 文 探 讨 了 此 类 成 像 光 谱 仪 杂 散 光 的 来 源 危 害 和 定 义 比 较 了 当 前 光 谱 仪 器 杂 散 光 测 量 方 法 的 优 缺 点 论 述 了 使 用 杂 散 光 影 响 因 子 描 述 光 谱 仪 杂 散 光 的 可 行 性 和 优 越 性 并 给 出 了 测 量 结 果 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 分 析 图 为 某 超 光 谱 成 像 仪 的 光 路 简 图 为 了 同 时 达 到 高 分 辨 大 视 场 和 较 小 的 体 积 和 重 量 望 远 镜 采 用 离 轴 非 球 面 三 反 射 镜 系 统 光 谱 仪 采 用 的 非 球 面 准 直 镜 和 成 像 镜 也 构 成 离 轴 非 球 面 系 统 光 谱 仪 的 色 散 元 件 为 复 合 棱 镜 "$%%727' 收 稿 日 期 修 订 日 期 基 金 项 目 国 家 计 划 预 研 基 金 项 目 '' 资 助 作 者 简 介 张 军 强 年 生 中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究 所 助 理 研 究 员,$.,
光 谱 学 与 光 谱 分 析 第 卷 光 谱 仪 器 杂 散 光 的 绝 对 值 大 小 与 入 射 光 源 和 探 测 器 有 关 通 常 用 杂 散 光 系 数 表 示 杂 散 光 的 相 对 值 即 在 光 谱 仪 标 称 波 长 上 除 该 波 长 以 外 所 有 其 他 波 长 的 辐 射 能 量 之 和 与 标 称 波 长 的 辐 射 能 量 之 比 与 普 通 光 栅 单 色 仪 不 同 本 文 研 究 的 星 载 超 光 谱 成 像 仪 采 用 复 合 棱 镜 分 光 棱 镜 表 面 镀 增 透 膜 没 有 光 栅 光 谱 仪 中 零 级 和 高 级 光 谱 干 扰 及 光 栅 刻 划 鬼 线 等 杂 散 光 此 外 针 对 接 受 器 件 独 立 设 计 的 入 射 狭 缝 有 效 避 免 了 光 线 相 混 现 象 也 大 大 降 低 了 望 远 镜 系 统 杂 散 光 对 光 谱 仪 系 统 的 影 响 光 谱 仪 杂 散 光 的 来 源 主 要 有 以 下 几 方 面 反 射 镜 棱 镜 等 光 学 器 件 表 面 灰 尘 及 缺 陷 引 起 的 杂 散 光 框 架 内 壁 反 射 镜 边 缘 等 的 反 射 引 起 的 杂 散 光 光 谱 仪 的 杂 散 光 会 造 成 一 定 的 背 景 降 低 系 统 信 噪 比 直 接 导 致 光 谱 仪 分 光 测 量 误 差 增 大 大 大 降 低 光 谱 仪 测 量 精 度 光 谱 仪 器 杂 散 光 测 量 的 常 用 方 法 关 于 光 谱 仪 器 杂 散 光 的 测 量 人 们 已 经 做 过 许 多 研 究 工 / 作 在 国 外 截 止 滤 光 片 测 其 透 过 率 法 光 谱 法 级 数 透 过 率 法 卷 积 计 算 法 等 早 已 应 用 于 单 色 仪 的 杂 散 光 测 量 矩 阵 修 正 法 也 被 用 于 成 像 光 谱 仪 的 杂 散 光 修 正 在 国 内 谱 杂 散 光 系 数 法 光 学 玻 璃 截 止 滤 光 片 法 氧 气 吸 收 光 谱 及 参 数 拟 合 法 等 也 被 应 用 于 单 色 仪 和 非 单 色 仪 的 杂 散 光 测 量 但 是 这 些 方 法 均 不 能 满 足 在 研 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 测 量 的 工 程 需 要 截 止 滤 光 片 法 测 量 方 法 简 单 效 率 高 但 只 能 测 量 截 止 波 长 一 侧 的 杂 散 光 另 一 侧 的 杂 散 光 未 被 检 出 且 短 波 带 通 长 波 截 止 的 滤 光 片 不 宜 制 作 光 谱 法 和 谱 杂 散 光 系 数 法 测 量 精 度 较 高 测 量 结 果 也 较 符 合 实 际 但 效 率 较 低 不 适 合 工 程 应 用 级 数 透 过 率 法 和 氧 气 吸 收 光 谱 法 工 程 应 用 的 可 操 作 性 不 强 卷 积 计 算 法 测 量 结 果 与 光 源 有 关 不 能 独 立 表 示 仪 器 自 身 杂 散 光 水 平 矩 阵 修 正 法 能 准 确 求 解 光 谱 仪 器 杂 散 光 的 影 响 因 子 和 修 正 矩 阵 但 要 专 用 662 等 器 件 且 不 能 进 行 光 谱 仪 装 调 的 过 程 测 量 所 以 探 索 新 的 杂 散 光 检 测 方 法 显 得 很 有 必 要 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 描 述 和 测 量 当 前 国 内 外 对 光 谱 仪 器 杂 散 光 描 述 比 较 准 确 的 是 文 献 提 出 的 谱 杂 散 光 系 数 法 但 要 直 接 测 量 仪 器 的 透 过 率 测 量 过 程 比 较 复 杂 为 此 我 们 用 杂 散 光 影 响 因 子 描 述 光 谱 仪 器 的 杂 散 光 水 平 并 将 其 定 义 为 波 长 带 宽 的 单 色 光 照 射 光 谱 仪 狭 缝 时 光 谱 仪 谱 面 波 长 处 的 杂 散 光 辐 射 能 量! 与 谱 面 波 长 处 的 有 效 光 辐 射 能 量! 之 比 光 谱 仪 全 谱 段 的 杂 散 光 一 般 在 + 数 量 级 而 单 个 谱 段 入 射 光 带 宽 %, 引 起 的 杂 散 光 就 更 小 了 普 通 单 色 仪 的 光 谱 辐 射 经 光 谱 仪 后 在 谱 面 产 生 的 杂 散 光 很 难 使 探 测 器 产 生 有 效 响 应 为 此 我 们 选 用 色 温 与 太 阳 光 相 似 的 大 功 率 氙 气 灯 作 为 光 源 辅 助 2 级 截 止 深 度 的 窄 带 滤 光 片 产 生 具 有 一 定 带 宽 的 单 色 光 用 于 杂 散 光 的 测 量 若 用 白 光 照 射 光 谱 仪 入 缝 光 谱 仪 入 缝 前 加 窄 带 滤 光 片 % 中 心 波 长 谱 面 带 宽 处 探 测 器 的 输 出 为. 谱 面 带 宽 处 探 测 器 的 输 出 为. 则.!..!.!.... 式 中 为 光 电 转 换 系 数! 为 光 源 光 谱 分 布 为 中 心 波 长 窄 带 滤 光 片 的 等 效 透 过 率 为 光 谱 仪 谱 面 的 光 谱 透 过 率 为 光 谱 仪 谱 面 的 光 谱 透 过 率 为 探 测 器 光 谱 响 应 为 波 长 带 宽 处 光 谱 辐 射 对 波 长 的 杂 散 光 影 响 因 子. 为 探 测 器 暗 噪 声 即 由 式 即 可 求 解 杂 散 光 影 响 因 子....!! 式 中.+. 为 波 长 处 的 光 谱 辐 射 在 谱 面 处 形 成 的 杂 散 光 $" 值. +. 为 有 效 光 的 $" 值 所 以 杂 散 光 影 响 因 子 是 光 谱 仪 谱 面 杂 散 光 对 有 效 光 的 归 一 化 结 果 式 中 为 光 谱 仪 谱 面 的 光 谱 透 过 率 为 谱 面 的 光 谱 透 过 率 两 者 均 为 光 谱 仪 本 身 的 特 性 与 光 源 探 测 器 等 测 试 条 件 无 关 所 以 杂 散 光 影 响 因 子 表 示 了 光 谱 仪 自 身 的 杂 散 光 特 性 综 上 所 述 可 知 杂 散 光 影 响 因 子 是 光 谱 仪 谱 面 杂 散 光 与 有 效 光 之 比 直 接 反 映 了 杂 散 光 对 光 谱 仪 成 像 对 比 度 的 影 响 杂 散 光 影 响 因 子 的 本 质 是 光 谱 仪 透 过 率 的 比 值 与 光 源 窄 带 滤 光 片 探 测 器 等 测 试 条 件 无 关 所 以 能 真 实 反 应 仪 器 的 杂 散 光 特 性 杂 散 光 影 响 因 子 的 表 现 形 式 为 单 色 光 入 射 时 光 谱 仪 谱 面 不 同 位 置 处 的 光 谱 辐 射 能 量 之 比 省 略 了 光 谱 仪 透 过 率 测 量 的 复 杂 过 程 杂 散 光 测 量 效 率 至 少 提 高 倍 便 于 工 程 应 用 若 将 杂 散 光 影 响 因 子 表 示 为 如 式 所 示 矩 阵 形 式 则 矩 阵 的 每 行 为 光 谱 仪 谱 面 不 同 波 长 处 辐 射 对 某 一 波 长 的 影 响 称 为 谱 面 处 的 杂 散 光 受 扰 系 数 每 列 为 某 一 波 长 处 辐 射 对 不 同 波 长 的 影 响 称 为 谱 面 处 的 杂 散 光 干 扰 系 数 %
第 期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 $ ) $ $$$$$$$$$$$$$$ ( $ * 杂 散 光 受 扰 系 数 一 定 程 度 上 反 应 了 光 谱 仪 谱 面 B 处 的 光 谱 纯 度 而 杂 散 光 干 扰 系 数 % 则 反 应 了 光 谱 仪 对 不 同 波 长 光 谱 辐 射 源 的 杂 散 光 敏 感 程 度 所 以 对 于 研 制 过 程 中 的 星 载 超 光 谱 成 像 仪 降 低 仪 器 杂 散 光 的 根 本 目 的 就 是 通 过 采 取 适 当 措 施 降 低 杂 散 光 受 扰 系 数 和 杂 散 光 干 扰 系 数 而 对 于 在 轨 工 作 的 设 备 我 们 可 以 根 据 实 际 需 要 避 开 杂 散 光 干 扰 系 数 较 大 的 辐 射 源 同 时 尽 量 选 用 杂 散 光 受 扰 系 数 较 小 波 段 的 光 谱 数 据 以 节 约 系 统 资 源 提 高 数 据 有 效 率 和 光 谱 仪 的 光 谱 分 辨 率 实 验 如 图 所 示 需 要 指 出 的 是 图 和 图 均 忽 略 了 曲 线 在 波 长 =%, 处 的 不 连 续 点 2$%#" %(%!.$% 在 某 星 载 超 光 谱 成 像 仪 的 5 光 谱 仪 的 装 调 过 程 中 建 立 了 如 图 所 示 的 杂 散 光 测 量 系 统 光 源 选 用 氙 气 灯 经 光 学 系 统 成 像 后 充 满 光 谱 仪 口 径 种 窄 带 滤 光 片 % 半 宽!%, 峰 值 透 过 率 A 截 止 范 围 %, 截 止 深 度 ;$ 中 心 波 长 基 本 均 布 于 %, 之 间 探 测 器 选 用 日 本 滨 松 硅 探 测 器 (2$%#" %(%!.$% &'$#%##+2#" 测 量 步 骤 如 下 测 量 探 测 器 的 暗 噪 声. 调 节 氙 气 灯 亮 度 使 探 测 器 输 出 合 适 的 $" 值 光 谱 仪 入 缝 前 加 窄 带 滤 光 片 % =$ 谱 面 =$ 带 宽 处 的 探 测 器 响 应 为. 当 = 时 探 测 器 响 应 值 为 有 效 光. 包 含 暗 噪 声 当 时 探 测 器 响 应 值 为 杂 散 光. 包 含 暗 噪 声. 由 式 求 解 杂 散 光 影 响 因 子 并 将 整 理 成 式 所 示 的 矩 阵 形 式 绘 制 杂 散 光 受 扰 系 数 和 杂 散 光 干 扰 系 数 % 随 波 长 变 化 的 曲 线 由 于 和 % 随 波 长 变 化 是 光 滑 过 渡 的 对 于 未 知 波 长 处 的 数 据 可 用 $$ 软 件 插 值 求 解 以 波 长 =%, 号 窄 带 滤 光 片 为 例 谱 面 处 的 杂 散 光 受 扰 系 数 如 图 所 示 杂 散 光 干 扰 系 数 % 由 图 图 可 知 该 5 光 谱 仪 在 中 心 波 长 %, 的 杂 散 光 较 大 同 样 在 其 他 波 段 的 杂 散 光 测 量 结 果 也 较 大 分 析 后 发 现 原 因 是 测 量 用 光 源 引 起 的 在 增 加 光 阑 后 位 置 如 图 所 示 所 有 波 段 的 杂 散 光 均 有 所 下 降 其 中 波 长 %, 处 的 杂 散 光 受 扰 系 数 如 图 所 示 )2$%#" %(%!.$% 结 论 本 文 介 绍 了 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 的 定 义 来 源 和 危 害 比 较 了 当 前 光 谱 仪 器 杂 散 光 测 量 方 法 的 优 缺 点 提 出 了 使 用 杂 散 光 影 响 因 子 描 述 光 谱 仪 杂 散 光 的 方 法 最 后 介 绍 了
光 谱 学 与 光 谱 分 析 第 卷 使 用 窄 带 滤 光 片 测 量 星 载 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 的 系 统 组 成 测 量 步 骤 和 测 量 结 果 结 论 如 下 现 有 的 杂 散 光 测 量 技 术 不 能 满 足 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 测 量 的 工 程 需 要 杂 散 光 影 响 因 子 能 正 确 表 示 光 谱 仪 的 杂 散 光 特 性 测 量 结 果 与 光 源 滤 光 片 探 测 器 等 测 量 条 件 无 关 数 据 处 理 简 单 窄 带 滤 光 片 法 克 服 了 单 色 仪 光 谱 辐 射 强 度 不 足 的 缺 点 能 实 现 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 影 响 因 子 的 测 量 测 量 设 备 和 测 量 过 程 简 单 能 满 足 星 载 超 光 谱 成 像 仪 杂 散 光 测 量 的 工 程 需 要 杂 散 光 受 扰 系 数 和 杂 散 光 干 扰 系 数 % 反 应 了 光 谱 仪 的 光 谱 纯 度 和 对 不 同 波 长 光 谱 辐 射 源 的 杂 散 光 敏 感 程 度 对 于 星 载 超 光 谱 成 像 仪 研 制 特 别 是 在 轨 工 作 具 有 较 大 的 应 用 价 值 可 以 有 效 节 约 系 统 资 源 提 高 光 谱 数 据 有 效 率 和 光 谱 仪 的 光 谱 分 辨 率 参 考 文 献 5! **: %**: (!9)),%16 $*:///6-75E$%1 刘 瑞 祥 *!"%:%1 光 学 精 密 工 程 // -8%1;'($%0%157'*%1 $ 李 婷 杨 剑 锋 阮 萍 等 '$*%$%$ 光 子 学 报 // ($%1 史 光 辉 *!"%:%1 光 学 精 密 工 程 /?(>%1?'(-($%1 钟 兴 张 雷 金 光 %0!$!&$%&-$"!:%1%!%1 红 外 与 激 光 工 程 // ->%#$;7';9$*:;%$%$ 李 欣 耀 原 育 凯 裴 云 天 等 %8%1#$%&:%1%!%1 科 学 技 术 与 工 程 ';%$>'%'(-E$ 郝 云 彩 肖 淑 琴 王 丽 霞 6%"$%$%&8%1# 中 国 空 间 科 学 技 术 ;7%1E 禹 秉 熙 '$!1$%$ 计 量 学 报 // ;7>%7> 于 洵 候 西 旗 '$%" 应 用 光 学 6! '-25$,"8- $*:/ 0)!8$0,$%%60!$ $'$'"!%$$/?%1;C<% %"%6 $*:?'(%$%12(2#;'6$%1E$%1 张 军 强 董 得 义 颜 昌 翔 *!"%:%1 光 学 精 密 工 程 / / '(;%;'6$%1E$%1'6%$% 汪 逸 群 颜 昌 翔 苗 春 安 6%"!%$0"$%&'&" 中 国 光 学 与 应 用 光 学 /%2' 8$!!$% ' '$//!$%&$6'!"//!$#!$#5$&$%%!,!"',!$%-$!$!# 6:?# 陈 之 宜!%$0*#%7%<!"# 湖 北 工 学 院 学 报 '4'"3%7"#"$%!#5#%?'(%$%1 7 C%1% ;'6$%1E$%1 6$%1%%"0")%$%"$%&*#""6%"'$&,#0%"6$%1%6%$ (!$&$7%<!"#06%"'$&,#0%".%16%$ ##!"!$,$1!$",!"!$$%%"$%&1!"!$!"%,$!& %!,$"!$%"!,%!$#1"%0,!$%!$"%"$0%1 "!$$!$#0 #!"!$,$1!!% "!$#1,$"!,%"$%#, %&20%%"!"$%&$!,0%""0"!$#1 $!&"!&%!"% $!80$"#$%&"!!#0"!$#10$!"& &"! "!$#1 $!$!""0"!$% "!,%""%<"1$&!1#! &0%%#"$"1%0$%$%&<$0%1%!%1$$%0"!$# 1%!0!%0$!$%&"!$#1 &"!$%0$!%$!1<%)%$#"#",,%%",$"!,%!&!$%&,$"!,%!""0 "!$#1,$"!,% "#","%1%$!$%&0!$!%!&&5""
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