長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀的輻射定標(biāo)

袁小春，楊智雄，余春超，鄭為建，雷正剛，嚴(yán) 敏

長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀的輻射定標(biāo)

袁小春，楊智雄，余春超，鄭為建，雷正剛，嚴(yán) 敏

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

紅外輻射定標(biāo)是紅外遙感信息定量化的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)所測(cè)光譜進(jìn)行定標(biāo)是定量分析中的重要環(huán)節(jié)。采用自行研制長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀原理實(shí)驗(yàn)裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)CHIPED-I）進(jìn)行驗(yàn)證，用黑體對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了兩點(diǎn)線性定標(biāo)，將測(cè)量的相對(duì)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成目標(biāo)的絕對(duì)輻射亮度譜，采用亮溫法算出標(biāo)定后的亮溫光譜。結(jié)果表明，這種輻射定標(biāo)方法用于長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀方法可行，這對(duì)進(jìn)一步分析大氣透過(guò)率和反演大氣中紅外活性氣體濃度具有實(shí)際意義。

長(zhǎng)波紅外；高光譜成像光譜儀；線性定標(biāo)；黑體輻射；亮溫法

0 引言

長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的光譜學(xué)方法，目前，它已經(jīng)被應(yīng)用于化工、石油、地質(zhì)、環(huán)境、煤炭、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、氣象、空間技術(shù)等領(lǐng)域，并在各領(lǐng)域的科研，教學(xué)與生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用[1-3]。長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀已經(jīng)成為這些領(lǐng)域的一個(gè)重要工具。本文著重介紹長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀輻射定標(biāo)方法。

長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀探測(cè)器應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行多點(diǎn)定標(biāo)[4]。本文給出了線性定標(biāo)具體算法，并且應(yīng)用已研制的實(shí)驗(yàn)裝置（CHIPED-I）測(cè)試黑體在幾種不同溫度下的輻射譜，用其中的一個(gè)特定溫度下的輻射譜來(lái)檢驗(yàn)定標(biāo)結(jié)果。

1 長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀的輻射定標(biāo)

圖1是本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)波紅外時(shí)空調(diào)制高光譜成像實(shí)驗(yàn)裝置CHIPED-I框圖。紅外探測(cè)器采用了320×256面陣甚長(zhǎng)波（7.7～11.5mm）光伏探測(cè)器組件，由集成式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行低溫制冷，紅外視頻圖像通過(guò)Camerlink數(shù)字接口導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。

按照定標(biāo)時(shí)所采用的采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)劃分[5-6]，可分為兩點(diǎn)定標(biāo)和多點(diǎn)定標(biāo)；按照標(biāo)定系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)來(lái)劃分，可分為線性定標(biāo)和非線性定標(biāo)[7-9]。對(duì)于長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀，本文中采用CI公司的SR800-R面源黑體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室兩點(diǎn)線性定標(biāo)。如圖2所示為實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)原理圖。為減少空氣中水分和二氧化碳的吸收，將黑體放置在擺鏡前端，通過(guò)調(diào)節(jié)控溫黑體來(lái)定標(biāo)。圖3為采集到的干涉圖。

對(duì)于長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀，本文采用兩點(diǎn)定標(biāo)方法。算法如下：

理想黑體的輻射亮度由Planck函數(shù)給出：

式中：()是光譜輻射亮度，W×cm－2×sr－2×cm；是波數(shù)，cm－1；是絕對(duì)溫度，K；1是第一輻射常數(shù)，1＝1.191×10－12W×cm2×sr－1；2是第二輻射常數(shù)，2＝1.439×104K×mm。式(1)是Planck函數(shù)用波數(shù)表達(dá)的形式，用波長(zhǎng)表示的形式為：

式中：()是光譜輻射亮度，W×cm－2×sr－1mm－1；是波長(zhǎng)，mm。

探測(cè)器的輻射功率包括目標(biāo)輻射功率和儀器自身熱輻射兩部分。

一個(gè)帶標(biāo)定的測(cè)量值可表示為：

Measured()＝()Source()＋Stray() (3)

式中：Measured()是光譜儀測(cè)量的原始光譜值；Source()是目標(biāo)光譜輻射亮度；()是儀器的相應(yīng)函數(shù)；Stray()是儀器內(nèi)自身熱輻射引起的輻射偏置量。

從式(3)中，想要求出響應(yīng)函數(shù)()和輻射偏置量Stray()，至少需要在兩個(gè)溫度下進(jìn)行測(cè)量，即高溫黑體測(cè)量和低溫黑體測(cè)量。兩次測(cè)量得到的光譜值為：

圖2 輻射定標(biāo)原理圖

圖3 采集到干涉圖

由(4)和(5)式，則有響應(yīng)函數(shù)()和輻射偏置量Stray()。

標(biāo)定后的目標(biāo)光譜輻射亮度為：

標(biāo)定后的亮溫光譜BT如下式（單位K）：

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

我們使用本實(shí)驗(yàn)室自行研制出的長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀（GPTC-Ⅰ）探測(cè)不同溫度時(shí)的黑體輻射譜。實(shí)驗(yàn)所用制冷型MCT長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的響應(yīng)波段1075～1298cm－1，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為7.7～9.3mm，焦平面為320×256。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了溫度為35℃、65℃時(shí)的黑體相對(duì)強(qiáng)度譜，如圖4所示。

圖4 35℃和65℃的黑體輻射實(shí)測(cè)譜

使用35℃和65℃時(shí)的實(shí)測(cè)光譜分別作為低溫黑體輻射譜和高溫黑體輻射譜，對(duì)長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀原理實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行兩點(diǎn)線性定標(biāo)，如圖4所示。并由式(7)和(8)計(jì)算儀器的響應(yīng)函數(shù)()和輻射偏置Stray()，如圖5所示。由式(9)得出標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)室背景輻射亮度譜和實(shí)驗(yàn)室背景下乙醚的輻射亮度譜，如圖6所示。通過(guò)標(biāo)定得到65℃黑體輻射亮度譜和65℃黑體背景下聚丙烯時(shí)的輻射亮度譜，如圖7所示。

從圖6和圖7中可得，分別是實(shí)驗(yàn)室背景下乙醚的輻射亮度譜和65℃黑體背景下聚丙烯的輻射亮度譜。并由式(10)中亮溫法解算出亮溫譜。如圖8所示，在室溫下，德國(guó)BRUKER OPAG33傅里葉紅外光譜儀所測(cè)得乙醚亮溫譜與CHIPED-I所測(cè)得乙醚亮溫譜相符合。同時(shí)如圖9所示，在65℃黑體下，德國(guó)BRUKER OPAG33傅里葉紅外光譜儀所測(cè)得聚丙烯亮溫譜與CHIPED-I所測(cè)得聚丙烯亮溫譜相符合。

結(jié)果表明，由本實(shí)驗(yàn)室已研制出的長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀所測(cè)得乙醚和聚丙烯的特征峰輻射亮度譜和輻射亮溫譜與德國(guó)BRUKER OPAG33所測(cè)得的乙醚和聚丙烯特征峰差譜能夠很好地吻合。

3 結(jié)果和討論

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，通過(guò)兩點(diǎn)線性定標(biāo)法，可以有效地把已研制的長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀原理實(shí)驗(yàn)裝置探測(cè)到的數(shù)據(jù)反演到具有實(shí)際物理意義的絕對(duì)輻射亮度譜，定標(biāo)后的結(jié)果與德國(guó)BRUKER OPAG33測(cè)得的結(jié)果吻合得好。這對(duì)于進(jìn)一步分析遙測(cè)氣體具有實(shí)際意義。

圖5 儀器的響應(yīng)函數(shù)K(n)和輻射偏置MStray(n)

圖6 實(shí)驗(yàn)室背景下室溫輻射亮度和乙醚的輻射亮度

圖7 測(cè)得65℃黑體下聚丙烯的輻亮度

圖8 實(shí)驗(yàn)室下德國(guó)BRUKER OPAG33和CHIPED-I分別所測(cè)得乙醚的等效輻射亮溫譜

圖9 65℃黑體背景下德國(guó)BRUKER OPAG33和CHIPED-I 分別所測(cè)得乙醚的等效輻射亮溫譜

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Study of Radiation Calibration for LWIR Hyperspectral Imager Spectrometer

YUAN Xiao-chun，YANG Zhi-xiong，YU Chun-chao，ZHENG Wei-jian，LEI Zheng-gang，YAN Min

（,650223,）

Infrared radiometric calibration is of critical importance for information quantification of remote sensing of environment in infrared spectrum. In the quantitative analysis, the calibration of the measured spectra is very imporant. LWIR Interferometric Hyperspectral imager Spectrometer Prototype（CHIPED- I） is developed for studying Radiation Calibration. Two-point linear calibration method is carried out for the spectrometer by using blackbody respectively. Firstly, relative intensity is converted to the absolute radiation lightness of the object. Then,radiation intensity of the object is converted into the brightness temperature spectrum by the method of brightness temperature. The result indicats that such method of Radiation Calibration calibration is very good，which is of significance to the further analysis of atmospheric transmission and the retrieval of the concentration of infrared active gas in atmosphere.

LWIR，hyperspectral imageing spectrometer，linear calibration，blackbody radiation，brightness temperature

TH744.1

A

1001-8891(2015)05-0431-04

2014-10-24；

2015-02-13.

袁小春（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事光譜技術(shù)及電路設(shè)計(jì)。E-mail：yuan981111@163.com。