高光谱成像技术在海洋水色遥感应用有强烈需求, 遥感定量化发展对辐射定标精度要求日臻提高。 光谱定标作为辐射定标的前提和基础, 是遥感数据产品定量化反演的必要条件。 国内自研光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测, 采用推扫式成像方式, 性能参数如表1所示。 仪器发射前, 其光谱特性在实验室中利用单色准直法进行了细致的标定^[1]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 VNS的主要性能参数 Table 1 Main Performance of the VNS instrument Item Parameter Spectral Range/nm 400~1 040 Channel Width/nm 2.5~100 Sum of Channels 260 Spectral Sample/nm 2.5 Spatial Resolution/m 100 Cross-track Pixels 1 024 Orbit Altitude/km 400 MTF(full view field) > 0.2

表1 VNS的主要性能参数 Table 1 Main Performance of the VNS instrument

仪器入轨之后, 受到振动、 失重、 温度和压强等外界环境因素以及遥感仪器自身器件老化的影响, 光谱通道的特性可能发生变化如波长漂移或带宽展宽, 从而降低反演数据的稳定性与可靠性。 Green^[2]的研究结果表明, 对于高光谱仪器, 光谱定标误差5%可引入成像光谱仪通道中心波长漂移5%, 可引起辐射响应误差高达20%。

为了降低光谱特性变化对数据产品反演精度的影响, 国内外先后发展了多种在轨光谱定标的技术手段。 根据定标光源不同可划分为以下两类: 第一类是内部光源特征谱线法, 如欧洲航天局中分辨率成像光谱仪MERIS的在轨定标设备安装了掺Er漫反射板^[3], 日本地球环境变化监测卫星GCOM的主载荷多波段光学辐射计SGLI其星上定标器配置了激光二极管^[4], 美国terra和aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪MODIS的在轨定标设备包含了单色仪^[5]; 第二类是外部光源特征谱线法, 利用太阳Fraunhofer谱线和大气吸收谱线, 结合谱线匹配算法实现遥感仪器的在轨光谱定标。 可以使用多种算法, 如最小差值法、 导数极值法以及相关系数法等, Didier Ramon等^[3], Gao等^[8]以及Luis Guanter等^{[9, 10]}均选择了最小差值法, Barry等^[7]以及Robert A Neville等^[6]均使用了相关系数法。 国内长春光学精密机械与物理研究所李占峰等^[11], 基于光谱特征曲线匹配思想, 提出了针对风云三号紫外臭氧垂直探测仪SBUS的在轨光谱定标算法; 北京师范大学王天星等, 利用最小差值法, 对成像光谱仪Hyperion的在轨通道中心波长和带宽进行了标定。

针对VNS入轨后光谱参数真实性检验和再定标的需求, 提出了基于光谱特征曲线匹配思想, 利用太阳Fraunhofer谱线、 大气廓线和星上定标装置镨钕吸收峰(如图1)开展遥感器在轨光谱定标的新方法。 以763 nm氧气吸收特征谱线为例, 演示了匹配算法的运算流程。 VNS模拟在轨光谱定标实验的计算结果表明, 该算法光谱定位精度较直观对比法^[12]提高了一个数量级。

图1

Fig.1

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	图1 VNS光谱测量示意图 (a): 太阳光照射漫反射板的光谱曲线; (b): 星上定标光源的光谱曲线Fig.1 Spectrum measurement of VNS.Several absorption features are easily seen (a): The spectrum was acquired over a diffuser illuminated by Solar; (b): The spectrum was acquired over the on-board calibrator source

物质能级跃迁会产生特殊的吸收或发射光谱, 这些特征谱线所在的波长位置是固定不变的。 光谱特征曲线的光谱定标方法是将定标源在某一波段的显著发射或吸收峰作为成像光谱仪光谱通道位置标定的参考。 将VNS的测量光谱曲线与光源固有特征谱线做比较, 从而检验以及更新在轨光谱参数。

VNS仪器发射前, 已经在地面实验场地进行过仔细的测试和标定。 VNS开展了外场太阳漫射板辐射定标实验, 如图1(a)所示, 成像光谱仪中心视场在可见光/近红外波段的光谱分布曲线。 该光谱区间包含了多个明显的特征峰, 如太阳Fraunhofer特征谱线430, 517和850 nm; O₂吸收波段763 nm; 水汽吸收谱线590, 700, 725, 820和940 nm等。

同时, 为了提升仪器在轨光谱定标的能力, VNS的星上定标器设计了卤素灯照射掺Pr-Nd元素玻璃组成的内部光源, 在可见光/近红外区间分布有多个特征谱线。 VNS在轨光谱定标模拟实验测得星上定标源光谱曲线如图1(b)所示, 其中明显的特征峰包括493, 558, 685, 710, 848, 881和920 nm等。

VNS的在轨光谱定标流程可归纳为三步:

第一步, 成像光谱仪发射前地面实验场光谱特性和辐射响应的精确测试与标定, 确定VNS各个通道的光谱响应曲线和辐射定标方程, 发射后光谱通道中心波长和带宽的变化以地面实验场标定的数值作为参考。

第二步, 获取在轨光谱定标源的高精度参考光谱曲线, 主要包括星上外部光源和定标器内部光源。 外部光源是利用大气传输模式Modtran模拟太阳大气作为入射光源的高分辨光谱辐亮度分布曲线; 内部光源是测量定标器卤素灯Pr-Nd玻璃光源的高分辨光谱辐亮度分布曲线。 将光源的光谱辐亮度曲线与VNS各个通道的光谱响应函数做卷积得到仪器在轨定标的参考光谱。

第三步, 以参考光谱作为基准, 成像光谱仪VNS的响应光谱与之匹配, 利用相关系数和最小差值等评价方法, 求得响应光谱与参考光谱二者曲线形状随波长分布最一致时的谱线偏移量, 确定光谱通道的中心波长和带宽, 完成仪器在轨光谱真实性检验与定标。

1.2 参考光谱获取

光谱特征曲线需要以定标源的标准光谱分布作为参考。 L(λ )表示光源的光谱分布曲线, 与Sf(λ )归一化积分得到参考光谱, 即单个通道的光谱辐亮度L(λ _j)可由(3)式求出

L(λ)¯=∫λ2λ1L(λ)Sf(λ)dλ∫λ2λ1Sf(λ)dλ(3)

当光谱位置发生漂移数值为α , 带宽发生展宽倍数为β , 此时光谱响应函数具有式(4)形式,

Sf(λ, α, β)=12π(βσ)exp-[λ-(λj+α)]22(βσ)2(4)

如图2所示为O₂包含的763 nm特征谱线, 与图1的波段区间相对应。 将红色曲线表示式(3)代入式(2)正演计算所得的参考光谱。 蓝色曲线表示成像光谱仪VNS针对定标光源所测得的响应光谱, 此处各光谱通道的中心波长默认为地面实验场的标定结果。

图2

Fig.2

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	图2 763 nm附近的氧气吸收峰示意图, 曲线a表示仪器测量光谱, 曲线b表示基于Modtran和VNS实验室光谱定标参数的参考光谱Fig.2 The measuring spectrum (a) near 763 nm, where an oxygen absorption occurs, and the reference spectrum (b) based on Modtran simulation and VNS instrument laboratory calibration parameters

假设763 nm氧气吸收波段所对应光谱仪通道中心波长发生了漂移, 漂移系数为α =± 1 nm, 并且仪器光谱通道宽度不变即展宽系数β =1。 更新光谱响应函数, 基于式(3)计算中心波长漂移后各通道的光谱辐亮度, 然后通过式(2)正演计算得到的光谱曲线即参考光谱。

假设在763 nm附近光谱仪通道的漂移值相等, 以标定值为基础更新临近各通道的中心波长值, 得到VNS响应太阳光照射漫反射板光源的光谱分布曲线即测量光谱。

如图3所示, 红线和蓝线分别模拟漂移后的参考光谱和测量光谱, 灰线表示基于发射前地面标定原始参数正演计算获取的参考光谱, 即α =0 nm。 (a)和(b)两幅图分别对应α =-1 nm和α =+1 nm。 从图3中观察到红蓝线的差异较图2中更为明显, 依据曲线形状可以推测漂移值α 收敛于(-1 nm, +1 nm)区间某点。

图3

Fig.3

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图3 波长漂移模拟763 nm附近的测量光谱(实线)、 参考光谱(虚线)与实验室标定的未漂移光谱示意图 (a): 假设中心波长减小1 nm; (b): 假设中心波长增加1 nmFig.3 The measuring spectrum (solid line) near 763 nm and the reference spectrum (dashed line) assuming center wavelength shift occurs. Unshift spectrum (dashed-dot line) based on laboratory wavelength calibration of the VNS instrument (a): Assuming the center wavelength decreases 1 nm; (b): Assuming the center wavelength increases 1 nm

基于光谱特征曲线的直观对比法, 中心波长标定精度能够达到1.25 nm即光谱通道1/2采样步长, 在使用过程中效率及精度不高。 因此, 有必要使用一个实用的方法或参数来描述特定漂移值α 和展宽系数β 下的光谱匹配程度。

以光谱仪响应太阳漫反射光源的数据为基础, 计算763 nm氧气吸收波段附近的光谱通道中心波长相对发射前地面实验室标定值发生的漂移量α 。 由于仪器已经过精细标定, 假设光谱通道宽度不变即β =1。 模拟定标过程中, 设定漂移波长扫描间隔为Δ α =0.01 nm, 扫描范围小于1个像素即± 2.5 nm。

基于光谱曲线匹配思想, 光谱扫描波长不断趋向漂移实际值, 评估系数逐渐收敛, 即最小差值χ ²达到最小, 相关系数γ 达到最大。 如图4所示, 位于763 nm附近的氧气吸收波段, 匹配系数随着扫描波长的变化, 求取极值可知图4(a)对应的最小差值法和图4(b)对应的相关系数法最优匹配的通道中心波长位移值分别为α =0.11 nm和α =0.10 nm。

图4

Fig.4

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	图4 测量光谱与参考光谱的相似度随波长漂移α 的变化曲线 (a): 基于最小差值法的χ 2随α 的变化曲线; (b): 基于相关系数法的r随α 的变化曲线Fig.4 Similarity degrees between the measuring spectrum and the reference spectrum as a function of wavelength shift α (a): χ 2 changes with α based on LSQ method; (b): γ changes with α based on correlation coefficient method

两个不同的评估参数获得的中心波长漂移值基本一致, 实际应用中取二者均值作为最终中心波长标定结果。 在扫描过程中, 进一步缩小步长间隔Δ α 可以提升标定精度, 其代价是增加了运算时间和功耗, 实际应用中应当对精度和开销做合理权衡。

对VNS空间维度的每一像元进行扫描, 从而完成全视场光谱通道中心波长的标定。 如图5所示为763 nm波长所对应VNS的光谱通道的模拟光谱定标结果。 其中x轴表示空间维像素编号, 纵轴表示通道的波长值, 图中可观察到空间维由中心至两端的Smile效应。 由光栅色散模型可知二次拟合能够表征通道中心波长值随空间视场的分布形状, 图5中蓝色曲线为拟合结果。

图5

Fig.5

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	图5 氧气吸收峰波段中心波长漂移随穿轨方向像元变化曲线Fig.5 Center wavelength as a function of pixels number in the cross-track direction for oxygen absorption spectral channel

实验室利用单色准直法测量部分瞬时视场的光谱特性, 通过多项式插值完成全视场光谱定标, 如图5虚线所示。

以地面实验室光谱定标结果为基础计算模拟在轨光谱定标实验的通道中心波长的漂移量, 将地面与模拟在轨前后两次标定的通道中心波长做差值, 然后在空间维视场由中间至两边进行二次曲线拟合, 获取每一个IFOV像元的中心波长漂移量。 图6中展示了, 对应氧气763 nm光谱通道的中心波长漂移平均值约为0.293 nm, 同一光谱通道内不同IFOV像元之间漂移量的极大值与极小值之差即Smile效应幅度为0.506 nm, 整个通道漂移量的标准偏差为0.025 nm。

图6

Fig.6

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	图6 763 nm氧气吸收波段VNS的smile效应及其二次拟合曲线Fig.6 VNS smile measurement at the 763 nm oxygen absorption band, with its second order polynomial fit

采用特征谱线匹配的在轨光谱定标方法, 其参考谱线的正演计算需依赖大气辐射传输模型如Modtran和6S等。 遥感仪器的入瞳光谱辐亮度与传递介质的反射率和透过特性强相关。 在模拟定标过程中, 将大气环境设为可变参量, 仿真了六种不同的气溶胶和水汽组合, 计算结果表明不同大气气溶胶条件下中心波长定位的波动值< 0.01 nm, 算法的鲁棒性良好。 需要指出, 开展在轨定标实验时, 优先选择表面平坦、 亮度一致的地面场景如草原、 戈壁或水体等; 为了尽可能降低噪声对结果产生的影响, 应当对同一场景多帧图像累加求均值。

依照上述流程, 分别对太阳Fraunhofer特征谱线517 nm波段和星上定标装置Pr-Nd特征谱线685 nm波段所对应的VNS光谱通道进行了中心波长标定计算。 表2显示了两个波段所在通道的计算结果, 517 nm光谱通道和685 nm光谱通道的中心波长漂移值分别为+0.707 nm和-0.369 nm。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 在轨光谱定标模拟实验结果 Table 2 Statistics for on-orbit spectral calibration experiments Spectral Features Wavelength /nm Cross-track Mean Shift Smile effect Amplitude Standard Deviation Fraunhofer 517 0.707 0.625 0.176 Pr-Nd 685 -0.369 0.725 0.173 Oxygen 763 0.293 0.506 0.025

表2 在轨光谱定标模拟实验结果 Table 2 Statistics for on-orbit spectral calibration experiments

由表2数据可知所述三个波段对应光谱通道的中心波长在空间维视场的Smile幅度值近似相等约为0.6 nm。 三个波段在空间维视场的平均漂移值差异明显, 不仅表现在漂移幅度大小, 而且685 nm波段与另外两个波段的漂移方向相反。 517 nm波段的不确定度相对最大, 但三个波段的标准偏差均小于0.176 nm。 实际上, 空间维视场方向的高次拟合能够进一步提高中心不吵的定位精度, 由于所述算法已达到不确定度指标的要求, 此处未采用这一策略。

与单色准直法相比, 谱线匹配法无法实现光谱波长的逐点扫描, 标定波段位置取决于特征谱线的波长区间。 为了尽可能实现VNS工作全波段的在轨光谱定标, 仪器设计了内外部两种光源, 即卤钨灯Pr-Nd玻璃组成的内部光源和太阳和大气组成的外部光源。 内部定标源特征谱线丰富, 可以定期对VNS的光谱特性进行真实性检验和再定标, 使用过程中还需打开光源并旋转反射镜将光线传递至仪器视场内。 外部光源进步扩充了特征谱线的多样性和总数, 两种光源包含的显著特征谱线共计17处, 覆盖了VNS的光谱波长探测范围, 使得VNS的在轨光谱定标更加全面。

成像光谱仪入轨后, 光谱发生漂移或展宽将影响数据反演精度。 针对这一问题, 提出了基于谱线匹配思想, 利用太阳夫朗和费线与大气吸收谱线以及星上卤钨灯镨钕玻璃特光谱进行光谱定标的新方法。 分别使用外场太阳漫反射板以及星上定标器内部光源开展了模拟在轨光谱定标实验。 实验数据处理结果显示, 相关系数与最小二乘两种优化算法求出的通道中心波长漂移值具有良好的一致性。 太阳大气地面反射光谱与星上定标灯光谱相互补充, 包含显著特征波段共17个, 平均间隔35 nm, 遍布仪器工作波段区间。 太阳夫朗和费517 nm、 镨钕谱线685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段的实验结果表明, 算法对光谱变化敏感, 中心波长漂移的标准偏差优于0.176 nm, 较直观比对法的精度提高了一个数量级, 该方法可用于光栅色散型可见近红外成像光谱仪光谱在轨真实性检验与定标。

本文成像光谱仪VNS主要用于水色遥感和海岸带监测。 针对仪器发射后可能发生的光谱中心波长漂移或通道宽度展宽进而影响遥感数据反演精度的问题, 提出了基于光谱特征曲线匹配思想, 利用太阳大气廓线和星上定标器Pr-Nd玻璃特征谱线进行在轨光谱定标的新方法。 仪器发射前, 在地面开展了模拟在轨光谱定标实验。 采用相关系数和最小差值作为优化参数表征谱线匹配程度, 结果显示两种评价参数求取的中心波长漂移值一致性良好。 太阳大气外部光源与卤钨灯Pr-Nd玻璃内部光源实现互补, 共含有特征谱线17处, 覆盖了VNS的工作波长区间。 展示了517 nm太阳Fraunhofer谱线、 685 nm星上定标源Pr-Nd谱线和763 nm氧气吸收谱线等三个波段的模拟在轨光谱定数据, 结果表明算法能够满足在轨光谱定标需求, 模拟定标的中心波长漂移值标准偏差优于0.176 nm, 相比直观对比法提高了一个数量级, 该方法可用于光栅色散型可见近红外成像光谱仪的光谱在轨真实性检验与定标。