本發(fā)明涉及地面定標(biāo)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及中波紅外成像光譜儀的輻射和光譜一體化定標(biāo)方法。
背景技術(shù)：
：以下對(duì)本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說(shuō)明，但這些說(shuō)明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。定標(biāo)是成像光譜儀應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是指確定遙感器輸出準(zhǔn)確數(shù)值的過(guò)程，主要包括輻射定標(biāo)和光譜定標(biāo)。輻射定標(biāo)的任務(wù)是利用輻射參考標(biāo)準(zhǔn),建立成像光譜儀的數(shù)字化輸出與其接收的地面景物輻亮度之間的換算關(guān)系。光譜定標(biāo)就是測(cè)量成像光譜儀隨入射輻射波長(zhǎng)變化的響應(yīng)，其主要目的是確定探測(cè)器不同光譜通道中心波長(zhǎng)的位置和光譜分辨率。輻射定標(biāo)和光譜定標(biāo)是保證成像光譜儀真實(shí)有效的獲得地物目標(biāo)信息的首要工作，是成像光譜儀定量化應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)于紅外成像光譜儀來(lái)說(shuō)，輻射定標(biāo)通常采用黑體來(lái)完成，光譜定標(biāo)通常采用激光器實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，并且定標(biāo)設(shè)備復(fù)雜，尤其對(duì)于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，一定程度上增加了成像光譜儀應(yīng)用的復(fù)雜度。若能在采用黑體進(jìn)行輻射定標(biāo)的同時(shí)，完成光譜定標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)輻射、光譜的一體化定標(biāo)工作，將大大降低紅外成像光譜儀的應(yīng)用及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提出一種中波紅外成像光譜儀的輻射和光譜一體化定標(biāo)方法，能夠在進(jìn)行輻射定標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜定標(biāo)，定標(biāo)精度高、穩(wěn)定性好，并且定標(biāo)設(shè)備簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中波紅外成像光譜儀的輻射和光譜一體化定標(biāo)方法，其特征在于包括：s1、分別在第一定標(biāo)溫度和第二定標(biāo)溫度下采集黑體的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)確定光譜儀在第一定標(biāo)溫度下的第一響應(yīng)值和在第二定標(biāo)溫度下的第二響應(yīng)值；s2、在黑體表面覆蓋聚乙烯薄膜，采集第二定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第二響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)；s3、基于第一響應(yīng)值、第二響應(yīng)值以及黑體在第一定標(biāo)溫度和第二定標(biāo)溫度下的理論輻射亮度值，擬合成像光譜儀的輻射增益和輻射偏置，得到成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)；s4、基于聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)和其中一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置，確定聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置，根據(jù)確定出的光譜位置以及所述另一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置確定光譜儀的光譜定標(biāo)精度；其中，第一定標(biāo)溫度與第二定標(biāo)溫度不相等。優(yōu)選地，步驟s2包括：在黑體表面覆蓋聚乙烯薄膜；采集第一定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第一響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的第一位置坐標(biāo)；采集第二定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第二響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的第二位置坐標(biāo)；針對(duì)聚乙烯薄膜的每一個(gè)特征吸收峰，以該特征吸收峰的第一位置坐標(biāo)和第二位置坐標(biāo)的平均值作為該特征吸收峰的位置坐標(biāo)。優(yōu)選地，成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)為：m(σ)＝g(σ)·l(σ,t)+o(σ)式中，m(σ)為成像光譜儀在位置坐標(biāo)σ處的響應(yīng)值；g(σ)為成像光譜儀的輻射增益，o(σ)為成像光譜儀的輻射偏置；l(σ,t)為在溫度t時(shí)位置坐標(biāo)σ處的輻射亮度。優(yōu)選地，對(duì)于任意一個(gè)波長(zhǎng)的光源，其在頻域空間內(nèi)的光譜位置以及每個(gè)光譜位置的位置坐標(biāo)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：式中，σ1為第1個(gè)光譜位置，x1為光譜位置σ1處的位置坐標(biāo)；σ2為第2個(gè)光譜位置，x2為光譜位置σ2處的位置坐標(biāo)；σ3為第3個(gè)光譜位置，x3為光譜位置σ3處的位置坐標(biāo)；σn-1為第n-1個(gè)光譜位置，xn-1為光譜位置σn-1處的位置坐標(biāo)；σn為第n個(gè)光譜位置，xn為光譜位置σn處的位置坐標(biāo)；n為光源對(duì)應(yīng)的光譜位置個(gè)數(shù)。優(yōu)選地，按照如下公式確定所述聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置：式中，為聚乙烯薄膜其中一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置，x10為聚乙烯薄膜在光譜位置σ10處的位置坐標(biāo)；σ20為聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置，x20為聚乙烯薄膜在光譜位置σ20處的位置坐標(biāo)。優(yōu)選地，所述黑體為面源黑體。優(yōu)選地，所述黑體的最高輻射溫度為100℃。本發(fā)明在采用黑體對(duì)中波紅外成像光譜儀進(jìn)行輻射定標(biāo)的同時(shí)，將聚乙烯薄膜覆蓋在黑體上，利用聚乙烯(pe)材料在光譜位置2920cm-1和光譜位置2850cm-1處具有穩(wěn)定吸收峰、并且不易受高溫、強(qiáng)光等惡劣條件影響的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外成像光譜儀的光譜定標(biāo)，定標(biāo)精度高、穩(wěn)定性好，并且定標(biāo)設(shè)備簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，為中波紅外成像光譜儀的定量化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。附圖說(shuō)明通過(guò)以下參照附圖而提供的具體實(shí)施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，在附圖中：圖1是示出本發(fā)明對(duì)80℃黑體進(jìn)行輻射定標(biāo)結(jié)果與理論值的比較圖的示意圖；圖2是示出70℃時(shí)聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲線(xiàn)示意圖；圖3是示出80℃時(shí)聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲線(xiàn)示意圖；圖4是示出90℃時(shí)聚乙烯薄膜的特征吸收峰位置曲線(xiàn)示意圖。具體實(shí)施方式下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對(duì)示例性實(shí)施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。常見(jiàn)的很多塑料薄膜中存在的特殊基團(tuán)，其分子結(jié)構(gòu)一般會(huì)對(duì)應(yīng)有物質(zhì)的紅外特征吸收峰位置數(shù)目、相對(duì)強(qiáng)度和形狀(峰寬)等參數(shù)，可以用來(lái)進(jìn)行光譜定標(biāo)。聚乙烯(polyethylene，pe)材料在紅外波段3.42μm和3.5μm為亞甲基-ch2的非對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收，有兩個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)光譜位置2920cm-1和光譜位置2850cm-1，可以作為中波紅外成像光譜儀的光譜定標(biāo)材料。本發(fā)明在采用黑體對(duì)中波紅外成像光譜儀進(jìn)行輻射定標(biāo)的同時(shí)，將聚乙烯薄膜覆蓋在黑體上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外成像光譜儀的光譜定標(biāo)。具體地，輻射和光譜一體化定標(biāo)方法包括：s1、分別在第一定標(biāo)溫度和第二定標(biāo)溫度下采集黑體的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)確定光譜儀在第一定標(biāo)溫度下的第一響應(yīng)值和在第二定標(biāo)溫度下的第二響應(yīng)值；s2、在黑體表面覆蓋聚乙烯薄膜，采集第二定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第二響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)；s3、基于第一響應(yīng)值、第二響應(yīng)值以及黑體在第一定標(biāo)溫度和第二定標(biāo)溫度下的理論輻射亮度值，擬合成像光譜儀的輻射增益和輻射偏置，得到成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)；s4、基于聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)和其中一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置，確定聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置，根據(jù)確定出的光譜位置以及所述另一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置確定光譜儀的光譜定標(biāo)精度；其中，第一定標(biāo)溫度與第二定標(biāo)溫度不相等。聚乙烯材料不僅在光譜位置2920cm-1和光譜位置2850cm-1處具有穩(wěn)定吸收峰，而且不易受高溫、強(qiáng)光等惡劣條件的影響，因此本發(fā)明的一體化定標(biāo)方法不易受溫度、強(qiáng)光等因素波動(dòng)的影響，定標(biāo)精度高，適用范圍廣。此外，對(duì)于紅外成像光譜儀來(lái)說(shuō)，輻射定標(biāo)通常采用黑體來(lái)完成，光譜定標(biāo)通常采用激光器實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，并且定標(biāo)設(shè)備復(fù)雜，尤其對(duì)于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，一定程度上增加了成像光譜儀應(yīng)用的復(fù)雜度。本發(fā)明在采用黑體進(jìn)行輻射定標(biāo)的同時(shí)，完成光譜定標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)輻射、光譜的一體化定標(biāo)工作，定標(biāo)設(shè)備簡(jiǎn)單，能夠大大紅外成像光譜儀的應(yīng)用及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度。在采集黑體表面的聚乙烯薄膜的干涉數(shù)據(jù)時(shí)，可以?xún)H采集一個(gè)定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于一個(gè)定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)；也可以采集兩個(gè)或者多個(gè)定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該兩個(gè)或者多個(gè)定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)。以每個(gè)定標(biāo)溫度下采集的干涉數(shù)據(jù)作為一組，干涉數(shù)據(jù)的組數(shù)越多，由此確定的聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的位置坐標(biāo)越準(zhǔn)確。本發(fā)明分別在第一定標(biāo)溫度和第二定標(biāo)溫度下采集黑體的干涉數(shù)據(jù)，為了盡量簡(jiǎn)化一體化定標(biāo)的方法步驟，可以在第一定標(biāo)溫度或第二定標(biāo)溫度的條件下采集聚乙烯薄膜的干涉數(shù)據(jù)，例如，在第一定標(biāo)溫度或第二定標(biāo)溫度下采集黑體的干涉數(shù)據(jù)之后，在黑體表面覆蓋聚乙烯薄膜，采集相同溫度下覆蓋在黑體表面的聚乙烯薄膜的干涉數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，在黑體表面覆蓋聚乙烯薄膜；采集第一定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第一響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的第一位置坐標(biāo)；采集第二定標(biāo)溫度下的干涉數(shù)據(jù)，基于該干涉數(shù)據(jù)與第二響應(yīng)值確定聚乙烯薄膜兩個(gè)特征吸收峰的第二位置坐標(biāo)；針對(duì)聚乙烯薄膜的每一個(gè)特征吸收峰，以該特征吸收峰的第一位置坐標(biāo)和第二位置坐標(biāo)的平均值作為該特征吸收峰的位置坐標(biāo)。將光譜儀在第一定標(biāo)溫度下的第一響應(yīng)值和在第二定標(biāo)溫度下的第二響應(yīng)值帶入成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)中即可擬合出成像光譜儀的輻射增益和輻射偏置。在一些實(shí)施例中，成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)成像光譜儀的響應(yīng)函數(shù)為：m(σ)＝g(σ)·l(σ,t)+o(σ)式中，m(σ)為成像光譜儀在光譜位置σ處的響應(yīng)值；g(σ)為成像光譜儀的輻射增益，o(σ)為成像光譜儀的輻射偏置；l(σ,t)為在溫度t時(shí)光譜位置σ處的輻射亮度。光譜儀在第一定標(biāo)溫度下的第一響應(yīng)值滿(mǎn)足如下關(guān)系：m1(σ)＝g(σ)·l(σ,t1)+o(σ)光譜儀在第二定標(biāo)溫度下的第二響應(yīng)值滿(mǎn)足如下關(guān)系：m2(σ)＝g(σ)·l(σ,t2)+o(σ)根據(jù)上述兩個(gè)關(guān)系式可以求解得到成像光譜儀的輻射增益和輻射偏置分別為：o(σ)＝m1(σ)-g(σ)·l1(σ,t1)對(duì)于傅里葉變換式光譜儀，某一波長(zhǎng)的干涉條紋在頻域空間(即波數(shù)空間σ)對(duì)應(yīng)一條譜線(xiàn)。設(shè)干涉圖中包含n個(gè)光譜位置：σ1、σ2、σ3…σn，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，在頻域空間它們的位置坐標(biāo)分別為：x1、x2、x3…xn。由于干涉光程差是線(xiàn)性變化的，所以傅里葉變換之后的光譜位置也是線(xiàn)性分布的。在一些實(shí)施例中，對(duì)于任意一個(gè)波長(zhǎng)的光源，其在頻域空間內(nèi)的光譜位置以及每個(gè)光譜位置處的位置坐標(biāo)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：式中，σ1為第1個(gè)光譜位置，x1為光譜位置σ1處的位置坐標(biāo)；σ2為第2個(gè)光譜位置，x2為光譜位置σ2處的位置坐標(biāo)；σ3為第3個(gè)光譜位置，x3為光譜位置σ3處的位置坐標(biāo)；σn-1為第n-1個(gè)光譜位置，xn-1為光譜位置σn-1處的位置坐標(biāo)；σn為第n個(gè)光譜位置，xn為光譜位置σn處的位置坐標(biāo)；n為光源對(duì)應(yīng)的光譜位置個(gè)數(shù)。因此，在光譜定標(biāo)中，如果已知光譜位置的起點(diǎn)位置坐標(biāo)，則僅需要確定其中一條已知光譜位置的位置坐標(biāo)，就可以根據(jù)上式確定其它光譜位置的位置坐標(biāo)。如果確定了兩條譜線(xiàn)的位置坐標(biāo)，則不需要光譜位置的起點(diǎn)位置也能定標(biāo)譜線(xiàn)的位置坐標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)定標(biāo)出的譜線(xiàn)位置坐標(biāo)，由譜線(xiàn)的最小間隔可直接計(jì)算出系統(tǒng)的光譜分辨率。在一些實(shí)施例中，按照如下公式確定所述聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置：式中，為聚乙烯薄膜其中一個(gè)特征吸收峰的理論光譜位置，x10為聚乙烯薄膜在光譜位置σ10處的位置坐標(biāo)；σ20為聚乙烯薄膜另一個(gè)特征吸收峰的光譜位置，x20為聚乙烯薄膜在光譜位置σ20處的位置坐標(biāo)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的黑體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，可以選擇面源黑體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制。優(yōu)選地，黑體的最高輻射溫度為100℃。以下以一個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例采用黑體和聚乙烯(pe)薄膜對(duì)中波紅外成像光譜儀進(jìn)行輻射和光譜一體化定標(biāo)，定標(biāo)材料及設(shè)備為：聚乙烯(pe)薄膜、面源黑體(輻射面尺寸8cm×8cm、最高溫度100℃、發(fā)射率0.96)、傅里葉變換式中波紅外成像光譜儀(光譜范圍：3～5μm，光譜分辨率：最高0.25cm-1)。具體步驟如下：1)將黑體輻射面貼近成像光譜儀入瞳口，使黑體輻射面充滿(mǎn)視場(chǎng)；2)黑體升溫至70℃，待黑體溫度穩(wěn)定，采集70℃時(shí)黑體干涉數(shù)據(jù)；3)將聚乙烯(pe)薄膜覆蓋在黑體表面，采集70℃時(shí)聚乙烯(pe)薄膜干涉數(shù)據(jù)；4)黑體升溫至80℃，待黑體溫度穩(wěn)定，采集80℃時(shí)黑體干涉數(shù)據(jù)；5)將聚乙烯(pe)薄膜覆蓋在黑體表面，采集80℃時(shí)聚乙烯(pe)薄膜干涉數(shù)據(jù)；6)黑體升溫至90℃，待黑體溫度穩(wěn)定，采集90℃時(shí)黑體干涉數(shù)據(jù)；7)將聚乙烯(pe)薄膜覆蓋在黑體表面，采集90℃時(shí)聚乙烯(pe)薄膜干涉數(shù)據(jù)；8)將70℃、80℃、90℃時(shí)黑體干涉數(shù)據(jù)和聚乙烯(pe)薄膜干涉數(shù)據(jù)分別進(jìn)行傅里葉變換，得到70℃、80℃、90℃時(shí)黑體和聚乙烯(pe)薄膜測(cè)量光譜數(shù)據(jù)；9)將70℃和90℃時(shí)黑體測(cè)量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行兩點(diǎn)輻射定標(biāo)，得到成像光譜儀的增益g(σ)和偏置o(σ)；10)由步驟9)中得到的增益g(σ)和偏置o(σ)對(duì)80℃黑體測(cè)量光譜進(jìn)行輻射定標(biāo)，得到80°黑體對(duì)應(yīng)的光譜輻亮度值，與80℃黑體理論值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1所示；11)將70℃、80℃、90℃時(shí)聚乙烯(pe)薄膜和黑體測(cè)量光譜對(duì)應(yīng)求差值，得到聚乙烯(pe)薄膜的特征吸收峰位置曲線(xiàn)，如圖2-4所示，特征吸收峰位置坐標(biāo)如表1所示，三組溫度下吸收峰的光譜位置求平均，得到兩個(gè)吸收峰位置為738、756；表1pe薄膜在70℃、80℃和90℃時(shí)差值曲線(xiàn)極值點(diǎn)坐標(biāo)(無(wú)量綱)70℃80℃90℃2850cm-17387387382920cm-175775575612)根據(jù)光譜定標(biāo)原理，若第738點(diǎn)在中波紅外波段范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的理論光譜位置為2850cm-1，則另一個(gè)特征吸收峰對(duì)應(yīng)的光譜位置為：與理論光譜位置2920cm-1之間相差0.5cm-1。雖然參照示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細(xì)描述和示出的具體實(shí)施方式，在不偏離權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。當(dāng)前第1頁(yè)12