2014 色散型高光谱遥感器实验室光谱定标

GB/T31010—2014

前言

本标准按照给出的规则起草

GB/T1.1—2009。

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归口

(SAC/TC327)。

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

:、、、。

Ⅰ

GB/T31010—2014

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的色散成像型如滤光片型光栅衍射型棱镜色散型

0.4μm~2.5μm(、、)

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

。,()。

卫星遥感器术语

GJB2700—1996

防静电工作区技术要求

GJB3007A—2009

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件

。

31

.

高光谱遥感器hyperspectralremotesensor

光谱分辨率在-2λ数量级的光学遥感器λ是工作波长

10,。

32

.

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

。

33

.

实验室光谱定标laboratoryspectralcalibration

在实验室内对高光谱遥感器进行的光谱定标

。

34

.

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

41定标实验室

.

定标实验室的环境条件要求如下

:

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

a)。,;

在遥感器工作波段和视场内抑制杂散光

b),;

温度相对湿度待定标高光谱遥感器对温湿度有特殊要求时应按

c)20℃±3℃,50%±10%。,

要求执行

;

应具有良好的防静电条件防静电工作区应符合的相关规定

d),GJB3007A—2009。

1

GB/T31010—2014

42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

。

43定标装置要求

.

431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

、、、,:

定标装置应配套且在计量检定有效期内

a);

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

b);

光谱定标可在光学隔振平台上进行平台固有频率不大于

c),2Hz。

432详细要求

..

4321单色仪

...

单色仪使用要求如下

:

输出光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段

a);

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

b),;

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

c);

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

d)。

4322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

。

4323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

,、。

4324高分辨率光谱仪

...

高分辨率光谱仪使用要求如下

:

测量光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段

a);

光谱分辨率应优于单色仪输出带宽的十分之一

b);

波长不确定度应优于单色仪的波长不确定度

c);

使用前应校准波长不确定度

d)。

4325光谱辐照度计

...

光谱辐照度计的使用要求如下

:

测量光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段

a);

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

b);

重复性应优于

c)99%。

4326平行光管

...

平行光管的使用要求如下

:

2

GB/T31010—2014

通光光谱范围应覆盖待定标高光谱遥感器的工作谱段

a);

出射光瞳应大于待定标高光谱遥感器入射光瞳

b);

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

c),。

4327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

。

4328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

51光路调整

.

按图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

1,、。

图1高光谱遥感器实验室光谱定标光路图

52定标步骤

.

定标步骤如下

:

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

a),。

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

b),、

仪的输出波长和带宽确认单色仪满足的要求

,4.3.2.1。

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

c),1/2~2/3。

采用如图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

d)2,,

计测量单色平行光的相对光谱辐照度分布

。

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次以上的暗背

e),50

景图像数据并取平均值

,。

3

GB/T31010—2014

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

f),

长由数据采集处理系统采集次以上的光谱定标图像数据并取平均值单色仪扫描步长

,50,。

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光谱带宽作为单色仪扫描步长

,1/10。

图2单色平行光相对光谱辐照度分布的测量光路图

53定标数据处理方法

.

定标图像数据处理步骤如下

:

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

a),

通道对应的图像数据

。

利用单色平行光的相对光谱辐照度分布曲线按式计算得到各光谱通道归一化光谱响应

b),(1):

λλ

Rλ=DN()/RL()

()λiλi…………(1)

λλiλ[()/()]

1m≤ax≤2DNRL

式中

:

R归一化光谱响应

———;

λ单色光波长

———;

减去暗背景计数值后的遥感器输出计数值

DN———;

单色光的相对光谱辐照度分布

RL———;

λ待定标遥感器光谱定标谱段的下限

1———;

λ待定标遥感器光谱定标谱段的上限

2———。

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所示的最小二乘法

c),。(2)

拟合

Gauss:

λ-b

-()2

Rλ=ac+d

()·e…………(2)

按照式和式计算各光谱通道的峰值波长λ和光谱带宽B

d)(3)(4),c:

λ=b

c…………(3)

B=.c

1665…………(4)

4

GB/T31010—2014

54定标不确定度分析

.

541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

:

依据单色仪校准报告确定其输出波长不确定度σ

a),1。

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σ

b),2。

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

,:

σ=1B

2s…………(5)

2

式中

:

B单色仪输出光谱带宽

s———。

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

c),

度σ

3。

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

d),

确定度σ

4。

利用式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

(2)Gauss,

推导出峰值波长不确定度σ利用式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

4。(2),,

不确定度为时由其导致的峰值波长不确定度σ与通道光谱带宽B存在如下关系

10%,4:

--

σ=-.×51×B2+.×B+.

452610nm00070069nm…(6)

光谱定标峰值波长重复性σ

e)5。

按照表计算待定标高光谱遥感器光谱定标峰值波长不确定度

f)1。

表1光谱定标峰值波长不确定度分析

不确定度来源不确定度

单色仪波长不确定度σ

1

单色仪光谱带宽导致不确定度σ

2

单色仪光谱带宽不确定度σ

3

相对光谱辐照度分布导致不确定度σ

4

光谱定标峰值波长重复性σ

5

总不确定度σ2σ2σ2σ2σ2

1+2+3+4+5

542光谱带宽不确定度

..

光谱带宽不确定度的分析步骤为

:

依据单色仪校准报告确定其输出波长不确定度σ

a),1。

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σ

b),2。

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

,:

σ=1B

2s…………(7)

2

式中

:

B单色仪输出光谱带宽

s———。

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

c),

5

GB/T31010—2014

度σ

3。

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

d),

确定度σ

4。

利用式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

(2)Gauss,

推导出光谱带宽不确定度σ利用式拟合时蒙特卡洛法分析表明