短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究

巡山小妖精
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2020年07月30日 17:47
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第30卷第3期
2011年6月
红外与毫米波学报
J.Infrare dMillim.Wayes
V01.30,No.3
June.2011
文章编号: 1001—9014(2011)03—0279—05
短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究
王跃明,祝
倩,
王建宇,
庄晓琼
(1.中国科学院上海技术物理研究所,空 间主动光电技术与系统实验室,上海200083;
2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:文章指出背景辐射对短波红外高光谱成像仪辐射精度、信噪比是有影响的.给出了色散型短波红外光谱 仪的
背景辐射定量计算模型,分析了温度及温度变化与辐射精度的关系,并通过实验数据进行了验证.在 背景辐射特征
分析的基础上,分析总结了小相对孔径冷屏、高精度温控、冷光学、经常性标定等几种减小 背景辐射影响的措施.本
文的研究工作对于提高高光谱成像仪研制的定量化水平具有参考价值.
关键词:短波红外,高光谱,背景辐射,辐射精度
中图分类号:Tfr706文献标识码:A
C haracterizationof
background
radiationin
SWIR
WANG
Yue—Ming,
(1.Laberatory
ZHU< br>hyperspectral
Qian,
imager
ZHUANG
W ANG
Jian—Yu,
Xiao—Qiong
of
Space
Ac tive
Electro-OpticalTechnology
and
System s,Shanghai
InstituteofTechnical
Physics,
Chinese
Academy
of
Sciences,Shanghai
2 .Graduate
200083,China;
School
ofChinese< br>Academy
of
Sciences,Beijing
ofshort
100049,China)
imager
andits
signal—to—Abstract:It
is
proved
thattheradiometri c
noise
ratiocouldbeaffected
by
the
accuracy
wave
infrared(SWIR)hyperspectralbackground
radiation.The
quantified
com puting
modelof
background
radiationofdis・
persive
SWIR
hyperspectralimager
isgiven.Therelationship
between
the
tempe rature
and
theradiometric
accuracy
is< br>ana—
lyzed,which
was
demonstrated
b y
experiments.Based
on
the
analysis
ofthecharacteristicsof
background
radiation ,several
were
methodsof
reducing
thein fluenceof
background
radiation
temperatur econtroHing
with
summarized,such
so
as
coldshieldofsmallrelative
aperture,
high
precision,coldoptics,regular
calibrationand on.Theresultsinthis
paper
is
helpful
t o
of
improve
the
quantificationaccurac y
Key
hyperspectral
imager.
words:SWIR ,hyperspectralimager,background
radiation,radio metric
accuracy
PACS:85.60.Gz
引言
经过近20 年的发展,高光谱成像技术正逐渐成
为一种重要的光电遥感手段,在环境、资源、海洋、大
气等 诸多应用领域¨'2o受到关注.目前可见近红外
谱段高光谱成像技术相对较为成熟,短波红外谱段受半导体探测器技术和分光技术的发展制约,应用
相对较少.在对地观测、行星探测、大气探测等领 域
的需求推动下,近年国内加大了这方面的研究投入,
取得了一些进展旧J.本文结合作者所在 研究小组近
年从事的相关研究工作,对应用于几种典型场合的
短波红外高光谱成像仪的背景辐射 影响因素进行分
收稿日期:2010—12-21,修回日期:201l・04-18
析阐述・

系统信噪比影响因素
高光谱成像仪是一种图谱合一的光电仪器,能
够同时获 取目标的光谱信息和空间几何信息.系统
信噪比是表征仪器辐射灵敏度的重要指标,影响仪
器系 统信噪比的因素有很多,例如仪器工作条件
(太阳高度角a,目标光谱反照率P(A))、仪器设计参数(相对孔径(D/f)、光学效率(r。(A))、积分时
间(r油)、探测器像元面积(d2 )、探测器量子效率(田
(A)))、仪器噪声(目标信号光子噪声No(A),背景
噪声Nb (A),电路随机干扰噪声Nc)等.
Received
date:2010・12—21,r eviseddate:201l・04.18
作者简介:王跃明(1977一),安徽黄山人,副研, 博士,主要从事光电技术与系统研究,E・mail:wangym@mail.sitp.ac.cn.
万方数据


红外与毫米波学报30卷
通常情况下,仪器实际采集到的信号可以用 光
电转换后的电子数来表示,如式(1)所示.
,知+竽,12
&啪(An)2
L;厶妇(A)’矛a-.sina
・p(A)・70(A)・ri。。・'7(A)
,(1 )
・忐・dA
其中£幽(A)为目标表面的太阳光谱辐照度;F为
仪器的相对孔径;h 为普朗克常数;c为光速;A。为
对应波段的中心波长;AA为仪器光谱采样间隔;其
它参数如 前所述.
系统噪声用电子数可以表示为:
‰(A)= ̄/No(A。)2+N。(A。)2+N :
=√5蛳(A。)+Js妇枷谢+蜒
其中s‰枷删为目标自身辐射、仪器光机结构辐射、探测器暗电流贡献的信号电子数,表现为图像的背
景电平,通常可以近似为直流信号.但当目标温度 、
仪器光机结构温度、探测器工作温度发生变化时,该

,¨

L‘ ,
背景电平也会发生漂移.
背景信号电子数S妇枷删的计算可以利用经典
的普朗克黑体 辐射公式进行.下一节会有详细的计
算数据.
当仪器工作条件、系统光学参数、探测器选用方< br>案确定后,系统信噪比主要受背景噪声、电路噪声决
定.以当前的探测器技术水平和电路设计能力 ,实现
相对小的电路噪声是不困难的.通常隋况下,高光谱
成像仪的噪声以光子噪声和背景噪声 为主.
当背景噪声、电路噪声远远小于光子噪声时,我
们称仪器信噪比水平达到了光子噪声限或 探测器噪
声限;当系统噪声以背景噪声为主时,我们称系统为
背景噪声限系统.
2背景 辐射特征分析
高光谱成像仪系统通常由望远镜、狭缝、分光光
谱仪、探测器组件等组成.短波红 外高光谱成像仪中
的探测器在信息获取过程中,除了收集到地物目标
的太阳反射光谱信息外,还 收集到地物目标的辐射、
大气辐射、仪器光机结构辐射.相比较而言,仪器光
机结构辐射的形成 最为复杂,与仪器构型密切相关.
2.1目标背景热辐射
由于地物目标自身的温度较低(沙漠地 区夏季
最高温度约80℃),其自身辐射相对太阳光照可忽
略,图1给出了不同温度黑体光谱辐 亮度与太阳光
万方数据
21












墓|
2l




0.8
1.0
1.21.41.61.82.02.22. 4
波长(unl)
图1地物目标发射光谱与自身辐射光谱对比
Fig.1Compar ison
ofreflectanceandemissionoftheearth
谱辐照度 的对比.典型的2.5仙m波长处,O。C、250C、
80℃的黑体光谱辐亮度分别是地球表面太阳光 谱辐
照度的O.0053%、0.035%、0.62%.因此,综合来
看,地物自身辐射是可 以忽略不计的.但如果仪器工
作在光照条件较弱的场合,这方面因素则不得考虑,
例如月球探测 过程中,月面最高温度127℃时,
2.51.Lm波长处的自身辐射已占太阳光谱辐照度的
4 .2%,考虑太阳高度角因素和目标反照率因素,实
际影响还要大.
由于在短波红外谱段,地球 大气仅有少数几个
吸收峰,并且大气温度相对地面较低,因此大气的辐
射对于高光谱成像仪信号 接收的影响是可以忽略不
计的,但大气的吸收影响还是比较显著的.
2.2光机结构背景热辐射
仪器自身的光机结构辐射对于系统辐射灵敏度
的影响究竟有多显著,下面根据高光谱成像仪的结
构特点来分析.如图2所示,高光谱成像仪光机结构
通常由光学镜片、狭缝、分光元件(通常为 光栅或棱
镜)、探测器组件、支撑结构等组成.不难看出,探测
器除了接收到瞬时视场内的目标 信号外,还会接收
到光机结构、光学元件、探测器杜瓦外壳的自身热辐
射.由于光学元件具有较 高的反射率,因此其贡献的
自身辐射是可以忽略不计的.为了减小冷损,杜瓦腔
体的内表面通常 也都经过抛光处理,具有较低的发
射率.狭缝安装在望远镜的焦面上。作为系统的光
阑.望远镜 的结构背景辐射通过狭缝进入光谱仪后,
正好能够被光谱仪的结构吸收.因此仪器光机结构
的背 景辐射主要来自光谱仪内部.
为简化分析,假设地物目标与仪器结构均为
300K的理想黑体. 那么高光谱成像仪的狭缝组件实
际可以等效为黑体发射面和线发散光束(相对孔径


3期
王跃明等:短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究
28l
测器

图2典型高光谱成像仪光机结构示意
Fig.2Optomechanical
Architectureof
hyperspectralimager
与望远镜匹配)的叠 加.
由于光谱仪是一个2次成像系统,其狭缝组件
与探测器焦面构成物像关系,光谱仪背景辐射 可以
简化为杜瓦窗口内壁的热辐射与探测器杜瓦窗口孔
径立体角对应的黑体辐射,如图3所示. 下面分别建
模分析.
根据图3模型,杜瓦内壁的辐射光子流密度可
以用式(3)表达:
一oⅥ∥2c…/A/.,【f爵出.㈤
其中8栅为杜瓦内壁的表面发射率,R~为探测器+』:高出】洲n
粼=
\掣j|,






hl


图3仪器背景辐射简化示意图
Fig.3Sim plified
schematicofinstrument’8
background万方数据
一。--●-
:::
__一_。●---



-_-
---●-_
—f
●●-
I--

—一< br>_-_●-一●。。
一一一


^’。




_。。●●●●●-
一一
I_
●一
275280285 290295300305310
仪器工作温度(K)
图4结构背景辐射光子流密度随温度变化 趋势
Fig.4
Background
at
different
te mperature







。< br>0.0000.0020.0040.0060.008O.0lO
探测器积分时间(s)
Background
radiationof

prism-based
spectrometer
接收到的杜瓦内壁的辐射光子流密度(个/秒).
结构背景辐射光子 流密度可以用式(4)表达:
R一‰f贩拦
菇支出dc:‘
H’
已知某短波红 外碲镉汞焦平面斯特林制冷组件
的相关参数如下:
光谱响应范围入l一入::0.9—2.5斗 m;量子效率
约为60%;占栅=0.1;占结构。0.9;r=9.6mm;h=
3mm;R =15mm;根据这些参数可以计算出结构背景辐
射光子流密度与结构温度之间的关系,如图4所示.< br>为了验证分析的正确性,课题组利用一石英棱
镜分光的光谱仪进行了背景辐射测试,测试结果表< br>明,在仪器温度为23℃(296K)时,仪器背景辐射的
光子流密度为1.6×107光子/秒 ;在仪器温度为
26℃(299K)时,仪器背景辐射的光子流密度为2.0
×10
7 光子/秒,可以认为测试结果与理论分析基本
是相符的.
Fig.5


红 外与毫米波学报30卷
表1短波红外光谱仪背景辐射测量结果
Table1
Backg round
of
SWlR
spectrometer
at
23℃an d
26℃
探测器积分时间
探测器采集的背景辐射光子数
(s)
仪器温 度23℃
仪器温度26。C
背景辐射对系统信息获取过程的影响主要表现
为两个方面: 背景辐射噪声和系统动态范围的漂移
(由于结构温度的漂移).下一节主要阐述系统设计
中对背 景辐射影响的考虑及相关措施.
3减小背景辐射影响的技术途径
根据上节分析计算,常温20℃ 时,结构背景辐
射约为1.5

10
7光子/秒.在20℃时,背景辐射随温
度的变化约为l×106光子/秒・℃.下面分析在几
种典型系统设计过程中,如何采取措施减 小背景辐
射对仪器辐射精度的影响.
高光谱成像仪根据探测目标特点大致可以分为
对地 观测、大气、深空探测3大类,这3类仪器的特
点分别是:对地观测型高光谱成像仪主要用于资源、环境、农林等,仪器光谱采样间隔通常在5~10nm,
空间分辨率5—30m,目标信号较强,例 如美国EO—l
卫星Hyperion仪器等;大气类高光谱成像仪探测的
目标信号通常都很弱 ,光谱分辨率优于0.1nm;目前
的深空探测以火星和月球探测为主,火星到太阳的
距离是地 球的1.52倍,其外层空间的太阳常数是地
球的43%,火星月球等深空目标还具有表面平均反
照率低的特点,例如月球表面平均反照率0.09,火
卫二的平均反照率仅为0.07,深空探测中的 高光谱
成像仪目标信号也较弱.
对地观测类高光谱成像仪的目标信号光子流密
度一般在 1.0×106光子/秒量级.减小结构背景辐
射的影响,可以通过小相对孔径冷屏设计、高精度的温度控制和经常性标定3种手段.结构背景辐射与
光学系统相对孑L径的平方成反比,小相对孔径冷 屏
设计可以降低结构背景辐射.但是对于带狭缝的色
散型高光谱成像仪来说,冷屏只能抑制光谱 仪支撑
万方数据
结构的背景辐射,狭缝组件的背景辐射必须通过高
精度的温度控制来减 小其涨落对辐射精度与动态范
围的影响;经常性标定是进一步修正背景辐射引起
的辐射精度误差 的手段.例如EO一1卫星的Hyperion
仪器通过采取这3个手段,实现了很好的辐射精度
和定量化水平¨J.
大气探测类高光谱成像仪则大大不同,由于光
谱分辨率很高,探测器接收 的信号很弱,因此通常采
用增加积分时间的方法来保证系统的信噪比.在积
分的过程中,背景辐 射同时被探测器接收采集,因此
背景辐射对辐射精度的影响就十分显著.对地观测
的高光谱成像 仪光谱分辨率R(A/AA)通常为
1/100,即10nm左右的分辨率,而大气探测则要求
优于1/10000的光谱分辨率,这意味着其有效信号
不到陆地探测的1/100.在这种情况下,仅 靠上面的
三种方法是不够的,因为如果让光谱仪在20℃条件
下工作,温控精度的要求达到±0 .01℃,这在工程上
几乎不可能实现.解决这个问题的方法是将光谱仪
的工作温度降下来,即 所谓的冷光学措施.根据第2
节的分析,当温度降低后,仪器光机结构的背景辐射
大幅减小,因 此温度的变化引起的背景辐射涨落也
大大减小,从而降低了对控温精度的要求.例如,美
国OC O卫星的大气探测高光谱成像仪在1.61斗m
谱段光谱采样间隔为0.076nm,其平均光子流密度
约为1.5×105光子/秒.为了保证探测精度,该仪器
就采取了冷光学的技术思路帕J.< br>高光谱成像仪还可以应用于地外行星或其它星
体的科学探索领域.对于一些行星/卫星着陆器载的
高光谱成像仪,则要关注仪器工作温度变化引起的
辐射精度下降.由于热控难度大和目标自身温 度变
化范围大,实现定量化探测的难度很大.必须采取温
度控制和实时背景标定相结合的办法. 温度控制系
统将仪器的温度尽可能控制在4-100C左右的范围
内,避免背景辐射变化范围太 大.实时背景标定的前
提是,在短时间内,温控系统可以将仪器的温度水平
控制在足够的范围内 ,在信号处理时将标定的背景
电平减掉,获取目标的有效光谱信号.例如,基于
AOTF的高光 谱成像仪比较适合于近场在位高光谱
探测,是深空探测着陆器载高光谱成像仪经常采用
的技术方 案.但由于AOTF的相对孔径较小,深空目
标反照率低等原因,导致AOTF高光谱成像仪获取
的有效光信号较弱,需要通过长时间积分来获得较
高的信噪比,此时结构背景辐射的影响十分显著.在
这种情况下,通过实时背景标定和探测器多次积分


3期
王跃明等:短波 红外高光谱成像仪背景辐射特征研究
283
叠加,仍能获得满足要求辐射精度.
等.基 于实测高光谱的太湖水体悬浮物浓度遥感估算研
究.红外与毫米波学报),2009,28(2):12 4--128.
[2]SHEN
on
4结论
由于短波红外高光谱成像仪探测的 目标信号主
要是太阳反射光谱,长期以来,仪器自身的背景辐射
经常被忽视.通过本文的分析研 究,认为背景辐射对
短波红外高光谱成像仪的辐射精度有显著影响,主
要表现为动态范围的漂移 和背景噪声.其影响程度
取决于仪器工作环境与目标信号的强弱,因此改进
方案也需要根据应用 场合来确定.主要通过小相对
孔径冷屏、高精度温控、冷光学和经常性标定等手
段.本文的研究 工作对提高高光谱成像仪研制的定
量化水平具有重要的参考价值.
REFERENCES
Yua.-Ting,NI
Guo—Qiang,xuDa-Qi,et
a1.Study< br>gasexploration
byhyperion
hyperspectralremote
sensing
data[J].上InfraredMillim.Wav es(沈渊婷,倪国强,徐
大琦,等.利用Hyperion短波红外高光谱数据勘探天然
气的 研究.红外与毫米波学报),2008,27(3):210-213.
[3]TAN
Ke.L ong,ZHOU
Ri-Ping,WAN
Yu—Qing,et
a1.Re-
mote
sensingmonitoring
methodof
hyperspe ctral
and
hish
combustion[J].上
Infrare d
Millim.WaRs(谭克龙,周日平,万余庆,等.地下
煤层燃烧的高光谱及高分辨率 遥感监测方法.红外与毫
米波学报),2007,26(5):349--352.
[4]MA
Yan.Hua,JINGZhong-Liang,WANGJian-Yu,et
nf.< br>resolution
Radiation
matching
imagerbased
on
for
underground
coalbed
technology
for
wide-view
field.dividin
hyperspoctral
J1.上Infrared
Millim.
Waves (马艳华,敬忠良.王建宇,等.基于视场分割方式
的宽视场高光谱成像系统的辐射匹配技术.红外与毫 米
波学报),2008,27(6):457删.
riccalibration
ov er
on
『5]Hugh
HKieffer.ThomasCStone,eta1. On.orbitradiomet.
timeandbetween
spacecraftu sing
the
[1]SUN
De—Yong,LI
Yun—Mei,WAN G
Qiao,et
a1.Study
of
suspended
mat ter
hyperspeetrM
datain
remote
sensing
estimation
tionsbased
on
concentra-insitulaketaiwaters
Moon[J].ProceedingsofSPIE .2003,4881:287—298.
[6]Livermore

R,Cris p
D.The
NASA
Orbiting
Carbon
servat ory
Ob-
MissionIJ1.Aerospace
[J].上Infrare d
Millim.Waves(孙德勇,李云梅,王桥,
Conference,2008:l 一.
(上接223页)
几种结构可以产生包含两个频率成份的THz波,也
可以将目标 函数确定为含有多个频率成份,具有任
意强度相对值的THz波谱,利用模拟退火算法仍然
可以 得到相应的晶体畴结构的理想模型.
REFERENCES
in
periodical ly—poled
lithium
niobate[J].Opt.Commun,



Chambedain
1998,148(1-3):105.

M.Miles
RE.NewDirectionsinTerahertz
and
Technology,1997[c].Berlin:Springer,1997.
[8 ]Knoesel
E,Bonn
M,ShanJ,et
a1.Charge
t ransport
carrier
dynamics
in
liquidsprobed
by
THztime—domain
spectroscopy[J ].Phys.Rev.Lett,2001,86(2):340.
『91
Yan.Shik Lee。MeadeT.PerlinV。et
a/.Generation
rectific ation
of
[1]Hu

B,Darrow

T,Zh ang

C,eta1.Optically
steerable
narro w—bandterahertz
femtoseeond
pulses
in
radiationvia
optical
of
photoconductingantennas[J].Appl.Phys.Lett,1990,56
(10):886.< br>[2]You
D,Jones

R,Bucksbaum

H ,et
a1.Generationof
high-power
sub・single -cycle
500一fs
electromagneticpulses
perio dically
poled
[J].Appl.Phys.Lett,2000,76(18) :2505.
[10]Weiss
C,Torosyan
G,AvetisyanY, et
a1.Generation
tunablenarrow..band
surf ace..emitted
lithiumniobate
of
terabertz< br>radiationin
[J].opt.Lett,1993,18(4):290.
[3]Huber
R,Brodschelm
A,TauserF,et
a1.Gen eration
and
field・・resolved
detectionoffe mtosecond
electromagneticpul・
ses
periodi cally
poled
lithium
niobate[J].Opt.Lett,2 001,26
(8):563.
[11]Yun—Shik
Lee,Theodore

Norris.Terabertz
puleshaping
and
optimal
waveforill
generation
in
tuna ble
up
to
41
THz[J].Appl.Phys.Lett,200 0,76
poled
f色nloelectric
crys.
(22):31 91.
tals[J].上Opt.Soc.Am.B,2002,19(11):2791.
byoptical
rectificationofultrashortlaser
[4] Hebling
J,Stepanov

G,AlmrsiG,et
a1.T unable
THz
pulsegeneration

12
UU
Xin.ha/,WUJian,DUANWen.hui,et
a1.Genera -
tionofnarrow..band
terabertz
radiation< br>with
preset
frequen..
poled
ferroel ectrie
p1.Phys,2005,97(11):114108.
cy
pul ses
withtilted
pulse
fronts[J].Appl.Phys. B,2004,78
components
in
materials[J].上协generations
in
(10):593.
[5]Shikata
J,Sato
bycryogenic
M,TaniuchiT,et
a1.Enha ncementoftera-
[13]QIN
Yi—qiang,GUOHong—then ,TANGSing・hai.Theo-
hertz-wave
output
fro m
LiNb03opticalparametric
oscillators
ret ieconsiderationsfor
multi-mode
terabertz
dielectric
cooling[J].Opt.Lett,1999,24(4):202.< br>new
multi-periodicallypoled
[6]Ding
Y< br>J,Khurgin

B.Aschemeforefficient
gene ra-
to
Condens.Matter.撕.18(5):1613.
mater ial[J].上Phys.:
tionofcoherentandiBeoherentsubmi llimeterTHz
waves
万方数据


短波红外高光谱成像仪背 景辐射特征研究
作者:
作者单位:
王跃明, 祝倩, 王建宇, 庄晓琼, WANG Yue-Ming, ZHU Qian, WANG Jian-Yu,
ZHUANG Xiao- Qiong
王跃明,王建宇,WANG Yue-Ming,ZHU Qian,WANG Jian- Yu,ZHUANG Xiao- Qiong(中国科学院上
海技术物理研究所,空间主动光电技术与系统实验室,上海200083), 祝倩,庄晓琼(中国科学
院研究生院,北京,100049)
红外与毫米波学报
JOU RNAL OF INFRARED AND MILLIMETER WAVES
2011,30(3)
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):

参考文献(6条)

1.孙德勇;李云梅;王桥

基于实测高光谱的 太湖水体悬浮物浓度遥感估算研究[期刊论文]
-
红外与毫米波学报
2009(02)
2.沈渊婷;倪国强;徐大琦

利用Hyperion短波红外高光谱数据勘探天然气 的研究[期刊论文]
-
红外与毫米波学报
2008(03)
3.谭克龙;周日 平;万余庆

地下煤层燃烧的高光谱及高分辨率遥感监测方法[期刊论文]
-
红外与毫米波学报
2007(05)
4.马艳华;敬忠良;王建宇

基于视场 分割方式的宽视场高光谱成像系统的辐射匹配技术[期刊论文]
-
红外与毫米波学
报 2008(06)
H Kieffer;Thomas C Stone

On- orbit radiometric calibration over time and between spacecraft
using the Moon 2003
ore T R;Crisp D

The NASA Orbiting Carbon Observatory Mission 2008


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