HyMAP-C航空高光谱仪室内定标方法

2016-07-04陈洁杨达昌韩亚超高子弘

地质装备 2016年3期

关键词：辐射光谱仪定标

陈洁，杨达昌，韩亚超，高子弘

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京　100083；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京　100101)

HyMAP-C航空高光谱仪室内定标方法

陈洁1，2，杨达昌1，韩亚超1，高子弘1

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100101)

摘要：高光谱设备能获取光谱范围内的连续波谱响应信息，光谱分辨率越高，越能区分不同物质的光谱特征。为了确保采集的光谱曲线的真实性，高光谱设备的定标精度显得尤为重要。本文以机载高光谱HyMAP-C为例，阐述其室内光谱和辐射定标方法与流程，使用定标后的设备对已知矿物进行波谱采集，能精准地反映其吸收特征，与标准波谱曲线一致性较高，为其他高光谱系统的室内定标提供了思路和借鉴依据。

关键词:航空；光谱仪；定标；辐射；高斯拟合

1前言

HyMAP-C航空光谱仪是由澳大利亚HyVista公司研发的实用型航空成像高光谱系统。它的4个探测器涵盖了0.45～2.48μm的可见光、近红外和短波红外波段，具有13～17nm的光谱分辨率，可对探测目标进行144个波段的连续光谱数据采集。集成德国iMAR公司的iIMU-FSAS型惯性测量单元和加拿大NovAtel公司的全球定位系统，以100Hz的频率进行姿态记录；配备的PAV80电子稳定平台，具有俯仰、侧滚±7°，旋偏±30°的动态调整角度，能最大限度地保证数据采集时设备状态平稳。采集数据信噪比优于500∶1，系统匹配的几何精度优于2个像元。

该设备广泛应用于地质矿产、国土规划等应用科研领域，以及星载高光谱实用性验证等方面。郭洪周等利用该设备开展了国内首次矿物识别应用；赵杏杏等利用64个航带的HyMAP 数据，进行了有效的水生物提取；周萍等系统而全面地分析了模拟星载Hymap高光谱数据针对不同指标与尺度的影像质量效果，为星载高光谱载荷的指标制订提供了依据。

在上述研究中，高光谱设备输出的数字量化值(DN)如何转化为能反映地物实际物理特性的电磁波能量值，是高光谱遥感精度是否可靠的关键步骤，决定了其应用的深度和广度，这一步骤我们称之为定标。航空高光谱设备定标有三个阶段：实验室定标、机上定标和场地定标。由于机上定标的设备在仪器出厂时已集成在系统中，而场地定标则需要进行地面检校场的布设，故本文研究的重点是航空高光谱HyMAP-C设备的室内光谱和辐射定标方法。

2准备工作

2.1探测器冷却

组成HyMAP-C的每个探测器都具有36个光谱通道，除了可见光波段探测器是由硅化物组成，可在室温下运行外，另外三个波段的探测器属于碲镉汞晶体，需要用液氮冷却至-196℃才能正常工作。因此，在设备通电工作前需先进行探测器的冷却步骤，为了保证工作期间焦平面探测器和电子元件的持续冷却，预防空气中的水分对零件造成损害，所有部件都被密封在一个真空管中(如图1所示)。但由于密封空隙和真空管表面的泄漏，建议每3个月对该真空管进行一次抽真空，整个过程需要持续8～10h。正常情况下，加注了液氮冷却的真空管可以保持冷却5h以上，而在实际航空遥感飞行中，需要每3h补充一次。

2.2单色仪校准

单色仪是以一定的步长扫描输出特定波长单色光的设备，通过比较分析单色仪的输出信号与高光谱设备记录信号的波长位置、曲线形状，可以确定探测器每个通道的光谱响应函数。因此，在光谱定标前，需首先对单色仪进行校准。本次使用的是美国ORIEL设备公司的MS257型单色光谱仪，它采用旋转镜形式，可将170～24000nm范围内的波长以最小0.1nm的分辨率进行输出。单色仪的检校过程为：首先启动电脑连接单色仪，预热15min待其工作稳定后，打开光谱灯，先设置灯泡的供电为AC并将电流调整至10A左右，当灯泡点亮后转换至DC；然后将光谱灯照射进单色仪进行信号采集，运行检校程序，设置开始波长位置、结束波长位置、采样步长和分割带宽等信息，依次对设备中的光栅进行校准扫描；正常情况下，输入的波长应与输出波长一致，但由于振动、系统误差等原因，使得这两个值存在差异，因此需要将输出波长值调整至输入波长值，调整后再次运行扫描，读出两者的波长值，直至两者相差小于0.1nm时完成校准工作。需要注意的是，如果单色仪在自检校后受到外力敲击或碰撞，其内部的光栅可能改变，需重新检校方能使用，因此在该设备检校后需小心移动，避免碰撞。

3光谱定标

光谱定标的目的在于确定系统各个波段的光谱响应函数，进而确定各波段的光谱响应范围、中心波长和光谱分辨率等。光谱响应是波长的函数，遥感器接收和探测到的辐射亮度与入射到遥感器的入曈辐亮度的关系为：

(1)

其中，L是遥感器接收和探测到的辐亮度，A和B是遥感器光谱响应范围；g(λ)是遥感器的入曈辐亮度，s(λ)是遥感器光谱响应函数。理想状况下，当A和B无限接近，光谱响应函数s(λ)的归一化结果可表示为矩形函数，即在{A，B}范围外其值为0，在{A，B}范围内其值为一固定数。实际上，传感器接收到的波段辐射都是具有一定宽度的，其光谱响应函数可用高斯函数进行拟合。

因此，HyMAP-C室内光谱定标的基本思路为：以低压光谱灯的发射谱线为标准，首先对单色仪进行全范围定标，然后使单色仪以一定的步长扫描输出单色光，由遥感器同时检测记录各光谱通道的信号响应值，将对应的波长和响应值通过高斯拟合建立通道内像元的光谱响应函数，该高斯曲线的峰值对应的波长即为相应像元的中心波长，半高宽即为光谱带宽，相邻中心波长宽度即为光谱分辨率，最大与最小中心波长即为系统工作谱段。进而得到可描述系统光谱性能的参数。其工作流程如图2所示。

图2　HyMAP-C室内光谱定标流程

按照上述思路，首先连接MS257单色仪和准直器的光纤线，光纤线的一端为圆形光通入口，另一端为狭缝光出口，狭缝光出口必须和MS257的狭缝对准，以获得最大的光通量。在单色仪的输入狭缝处，连接用于光谱定标的灯泡，确保灯丝处于垂直状态，以便形成平行的光线输入MS257狭缝。开启灯泡，稳定电压至14V直流电。此时，单色仪的出射光经准直器内的光学系统后形成单色平行光进入HyMAP-C。由于准直器出射光与HyMAP-C的光通道存在一定的角度，需要调整准直器的底座位置和反射镜的角度，以保证观测到的光通量最大化和减小信噪比。完成后，运行控制程序，使单色仪按2nm步长，在设定波段范围内进行连续的单色光发射，记录波长信息和响应值，采用最小二乘法对数据组进行高斯拟合，逐像元完成定标过程。

实际操作中，受实验室条件所限，可见光的前7个波段噪声较大，与其他波段的计算结果存在差异，波段分布不均匀，因此采用提高采样间隔的方式对它们重新扫描定标，输出可信的定标结果。定标后，可见光波段平均光谱分辨率优于13.2nm，近红外波段平均光谱分辨率优于14.1nm，短波红外波段平均光谱分辨率优于16.8nm和14.0nm。

4辐射定标

假设传感器入口处观测到的辐亮度和输出亮度值之间存在线性关系，即:

Li=aiDNi+bi

(2)

式中，Li为第i波段的入曈处辐射能量；DNi为第i波段传感器输出亮度值；ai为第i波段增益系数；bi为第i波段偏移量。辐射定标的目的就是求解上式中的增益量和偏移量，然后用求得的系数去标定获取的遥感影像数据。

HyMAP-C属于色散型成像光谱仪，它利用光栅对观测目标的光谱进行分光，采用线阵列探测器采集数据。在进行室内辐射定标时，入射光源的面积必须大于设备入曈面积，发散角大于设备总视场角，这样能使所有的光学元件均被照射，光源的均匀性和辐射亮度角度分布理想，实现全视场和全孔径的照明。该定标过程简单易行，没有引入其他光路系统，避免了不确定误差的引入，可对所有成像像元同时完成相对和绝对定标。

基本操作流程为：首先将HyMap-C镜头四周用内壁为黑色的木板遮挡，仅留出标准灯的光线入口，实际测量时还需关闭室内灯光，尽可能地减少除了标准光源外的其他杂光和反射光进入传感器；然后在HyMap-C镜头下方以45°角倾斜放置参考板，使标准灯经参考板反射进入HyMap-C镜头(如图3所示)，参考板放置的高度位于其成像焦平面；接着使用辐射定标软件进行定标数据测量，需要采集和输入的数据包括标准光源灯的辐射值、参考板的反射率值、设备测量记录的辐亮度值、经光谱定标后的中心波长值、标准光源距离参考板的距离；最后，将测量的相关数据导入辐射定标系数计算软件，输出辐射定标系数。

图3　HyMAP-C室内辐射定标原理示意图

5定标效果评价

室内定标的检验采用汞灯作为标准光源，照射放置在HyMAP-C视场角下方的成45°角的白板，记录各个波段的辐亮度响应值，记为DN白板；然后将蒙脱石矿物标本替代白板，以同样的角度放置在设备下方，记录此时的各波段辐亮度响应值，记为DN蒙脱石；最后，关闭设备快门，在密闭状况下记录各波段的光谱响应值，此时的光谱响应大多由暗电流引起，记为DN暗电流。使用ENVI软件对这三幅图像进行波段比值运算，其公式为：

(3)

得到相对反射率曲线，再将标准波谱库的蒙脱石矿物波谱曲线按照HyMAP-C的工作谱段和光谱分辨率进行重采样，两者的对比如图4所示(上方为测量波谱曲线，下方为标准波谱曲线，坐标轴已作偏移)。

可见，经光谱和辐射定标后的HyMAP-C航空高光谱仪性能指标稳定，能真实、准确地反应矿物的波谱特征，可作为一种可靠的遥感地质调查装备投入科研和生产应用中。