大動態(tài)范圍雙通道相機的光譜定標

李永強 趙占平 王靜怡 張夢雨 王雪

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大動態(tài)范圍雙通道相機的光譜定標

李永強 趙占平 王靜怡 張夢雨 王雪

（北京空間機電研究所，北京 100094）

雙通道相機采用高亮度探測通道和低亮度探測通道動態(tài)范圍相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對觀測視場內(nèi)大輻亮度動態(tài)范圍場景的成像；光譜定標的目的是得到大動態(tài)范圍雙通道相機的相對光譜響應(yīng)。文章分析了使用光柵單色儀對雙通道相機進行光譜定標時存在的問題；通過光譜定標光源功率調(diào)整和光譜定標光源相對光譜分布的傳遞測量，克服了光譜定標光源能量、標準探測器的動態(tài)范圍、雙通道相機響應(yīng)動態(tài)范圍三者不匹配的問題，解決了低亮度探測通道光譜定標時弱單色光信號標定的問題；對光譜定標光源的偏振態(tài)進行了調(diào)制，減小了測量光束偏振態(tài)引入的測試誤差，分別實現(xiàn)了響應(yīng)度差異大的兩個通道的光譜定標。

光譜定標 大動態(tài)范圍 雙通道相機 光譜響應(yīng) 航天遙感

0 引言

隨著航天光學(xué)遙感技術(shù)的快速發(fā)展和微光增強型圖像傳感器技術(shù)的日益成熟[1-4]，在對地觀測方面提出了獲取白天、夜間和晨昏時刻遙感圖像產(chǎn)品的需求，這就要求光學(xué)遙感器在很大輻亮度范圍內(nèi)具備能清晰成像的能力。為了提高遙感圖像產(chǎn)品的定量化反演精度，需要開展相對光譜定標[5-7]，國內(nèi)外關(guān)于可探測微光的大動態(tài)范圍光學(xué)遙感器光譜定標的文獻較少。

雙通道相機采用共用鏡頭、分光棱鏡分束的方式分成了低亮度探測通道和高亮度探測通道。低亮度探測通道目標輻亮度范圍為1×10–9~1×10–4W/（cm2·sr），高亮度探測通道目標輻亮度動態(tài)范圍為2×10–5~ 4×10–2W/（cm2·sr），兩個探測通道動態(tài)范圍結(jié)合，可以實現(xiàn)對觀測視場內(nèi)大輻亮度動態(tài)范圍場景的成像。

雙通道相機成像光路如圖1所示，相機主要光學(xué)參數(shù)見表1。通過在鏡頭光學(xué)元件表面鍍分光膜實現(xiàn)濾光，成像光線經(jīng)分光棱鏡時，透射通道為低亮度探測通道，反射通道為高亮度探測通道，兩個探測通道工作光譜范圍均為450~1 000nm。高亮度探測通道采用線陣CCD作為探測器，低亮度探測通道采用面陣型EMCCD器件[8]，并選取EMCCD上與高亮度探測通道線陣CCD觀測視場重合的一行像元輸出作為低亮度探測通道成像[9]。

圖1 雙通道相機成像光路示意圖

表1 雙通道相機基本參數(shù)

Tab.1 Specifications of the dual-channel camera

雙通道相機光譜定標的目的在于獲取兩個探測通道的相對光譜響應(yīng)度[10-11]，相機光譜定標要求波長精度優(yōu)于1nm。雙通道相機兩個通道的響應(yīng)度有很大差異，受光譜定標光源調(diào)整能力、標準探測器動態(tài)范圍的限制，無法實現(xiàn)光譜定標裝置在相同狀態(tài)下對兩個通道開展光譜定標,采用一般光譜定標方法可以實現(xiàn)對高亮度探測通道的光譜定標，但不適用于低亮度探測通道的光譜定標。相機設(shè)計的成像光線在分光棱鏡分光面上有45°反射，光譜定標光束經(jīng)分光面后偏振態(tài)會發(fā)生變化[12-13]，當(dāng)光柵單色儀經(jīng)準直后的測量光束為橢圓偏振光時，光譜定標中會引入誤差。因此，在大動態(tài)范圍雙通道相機光譜定標時，須解決低亮度探測通道光譜定標動態(tài)范圍匹配和消除光源偏振引入測試誤差兩個主要難題[14]。

為提高光譜定標精度，得到雙通道相機兩個通道的相對光譜響應(yīng)，本文提出基于相對光譜分布傳遞和偏振調(diào)制的光譜定標方法，通過試驗獲得了雙通道相機兩個通道的相對光譜響應(yīng)。

1 光譜定標原理

航天遙感相機的光譜定標一般采用單色光源作為傳遞系統(tǒng)，將被測相機與標準探測器的光譜響應(yīng)度進行比較，得到相機的相對光譜響應(yīng)度。

首先，采用光譜響應(yīng)度校準已知的標準探測器對單色光發(fā)生裝置各波長下輸出單色光的光譜輻射量進行標定，得到單色光的光譜分布；然后，采集大動態(tài)范圍雙通道相機在各單色光輻射情況下的輸出，計算得到相機的相對光譜響應(yīng)度[15-16]。

（1）單色光輻射量的標定

在各個波長下，標準探測器接收的單色光輻射量e()的計算公式為

式中c()為標準探測器在波長處的響應(yīng)輸出；c()為標準探測器在波長處的光譜響應(yīng)度。

（2）相機相對光譜響應(yīng)度測試

雙通道相機的相對光譜響應(yīng)度()通過下式計算得到

式中 DN()為雙通道相機在單色儀輸出中心波長處的單色輻射響應(yīng)輸出；DN0為雙通道相機在單色儀無光輸出時的響應(yīng)輸出。

根據(jù)式（2）計算得到遙感器的相對光譜響應(yīng)度，進行歸一化處理可得到相機的歸一化相對光譜響應(yīng)度r()[17]，即

2 雙通道相機的光譜定標方法

由于高亮度探測通道和低亮度探測通道的響應(yīng)度差異非常大，在相同測試狀態(tài)下，標準探測器動態(tài)范圍無法滿足兩個通道光譜定標要求，因此，兩個通道的光譜定標采取了不同的測試方法。

2.1 高亮度探測通道光譜定標

高亮度探測通道光譜定標所用測試裝置如圖2所示。采用輸出功率可控的鹵鎢燈作為測試光源，光源會聚于雙光柵單色儀入射狹縫處，經(jīng)單色儀分光后，單色光從單色儀出射狹縫輸出，經(jīng)平行光管后輸出為單色平行光，平行單色光經(jīng)偏振器和1/4波片后轉(zhuǎn)化為圓偏振光，單色光信號被已知光譜響應(yīng)度的標準探測器接收?？刂茊紊珒x使輸出不同波長，根據(jù)標準探測器在各波長下響應(yīng)輸出和校準已知的相對光譜響應(yīng)度，可計算得到單色平行光的相對光譜分布。

圖2 高亮度探測通道光譜定標光源相對光譜分布測試

用待測雙通道相機代替標準探測器，使單色平行光聚焦成像于高亮度探測通道像面，改變單色儀輸出波長，相機采集各個波長下的圖像數(shù)據(jù)，測試布局如圖3所示。

2.2 低亮度探測通道光譜定標

低亮度探測通道光譜定標所用測試裝置如圖4所示，通過將光源的供電功率調(diào)低直至單色光滿足低亮度探測通道測試需求，由于光源功率很小，為了測得單色儀輸出的光譜分布，采用將標準探測器直接置于單色儀的出射狹縫處，對單色儀各輸出波長下出射狹縫處的單色光信號進行測量，結(jié)合標準探測器的光譜響應(yīng)度進行歸一化計算得到單色儀輸出的相對光譜分布。

圖3 高亮度探測通道相對光譜響應(yīng)度測試

圖4 低亮度探測通道光譜定標光源相對光譜分布的測試

低亮度探測通道光譜定標將標準探測器置于單色儀的出射狹縫處的優(yōu)點在于：可以最大限度地收集探測出射狹縫處的光譜輻射功率，獲得更高的信噪比；缺點在于：與標準探測器標定單色光源時的狀態(tài)相比，標定相機時，相機與單色儀之間增加了平行光管、偏振片和1/4波片光譜透過率的影響。為了消除標準探測器標定單色光源的狀態(tài)和與標定相機時光路狀態(tài)不一致，在光源功率較高時，測得平行光管的相對光譜透過率，也測得了偏振片和1/4波片綜合作用的光譜透過率，在計算相機相對光譜響應(yīng)時將光譜透過率誤差代入計算，消除了儀器標定狀態(tài)和相機測試狀態(tài)不一致的影響。

3 光譜定標試驗

試驗用單色儀采用Gooch & Housego公司的OL750雙光柵單色儀，光柵刻線密度為1 200線/mm，當(dāng)出射狹縫寬度為1.25mm時，輸出單色光帶寬為2.5nm。標準探測器的動態(tài)范圍為108∶1。

在進行高亮度探測通道光譜定標時，由于采用了雙單色儀，在測試光譜分辨率為2.5nm時，為了使標準探測器標定時具有較好的信噪比，使光源工作于額定功率150W附近，以獲得最大的信噪比，并設(shè)置選擇合適的相機參數(shù)，使動態(tài)范圍與光源光譜輻亮度相匹配。光譜定標前，采用低壓汞燈對單色儀波長進行校準，校準后單色儀輸出中心波長的波長誤差為0.3nm[18-20]。

由于低亮度探測用器件工作時通常都具有較大的暗信號輸出，且實驗室內(nèi)不可避免地存在弱背景光，在測試過程中需測得通道對實驗室背景光信號時的輸出，在數(shù)據(jù)處理時剔除背景輻射和暗信號的影響。圖5為測試得到的雙通道相機的歸一化相對光譜響應(yīng)曲線。

采用低壓汞燈對單色儀進行波長標定，實現(xiàn)了在450~1 000nm光譜范圍波長精度優(yōu)于0.5nm。

圖5 相機相對光譜響應(yīng)測試結(jié)果

兩個通道相對光譜響應(yīng)曲線不完全相同的主要原因是：分光棱鏡的光譜透射比和光譜反射比在不同波長位置處是有變化的。由于兩個通道共用鏡頭并具有相等的棱鏡內(nèi)光程，因此，在一些波長范圍內(nèi)兩個通道的相對光譜響應(yīng)曲線波動也有一定的相似性。

在進行雙通道相機輻射定標時，在光源相對光譜分布不完全相同情況下，兩個通道輸出DN值與入射等效輻亮度之間的響應(yīng)關(guān)系曲線的線性度均優(yōu)于99.9%，驗證了相對光譜響應(yīng)測量結(jié)果的正確性。

4 結(jié)束語

針對大動態(tài)范圍觀測的雙通道相機光譜定標需求，使用基于雙光柵單色儀、消偏、差異化定標光路的辦法，在光源和標準探測器動態(tài)范圍有限的情況下，保證了光譜定標過程中用標準探測器標定光源和用光源標定相機兩個過程的信噪比，獲得了兩個探測通道的歸一化相對光譜響應(yīng)，低亮度探測通道的光譜定標結(jié)果為開展高精度微光輻射定標工作打下了基礎(chǔ)。

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（編輯：王麗霞）

Spectral Calibration of Large Dynamic Range Dual-channel Camera

LI Yongqiang ZHAO Zhanping WANG Jingyi ZHANG Mengyu WANG Xue

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The dual-channel camera includes two channels which are named as high-light-level detecting channel and low-light-level detecting channel. By combining the dynamic ranges of the two detecting channels, the image can be obtained for the scenes with a large dynamic range of radiance. The purpose of spectral calibration of the dual-channel camera is to acquire the relative spectral response. The problem for spectral calibration of the dual-channel camera with a grating monochromator was analyzed in this paper. The mismatch of dynamic ranges among the power of spectral calibration source, the response of the standard detector and the response of the dual-channel camera was resolved, then the spectral distribution of light source for spectral calibration of the low-light-level detecting channel was obtained. The error induced by polarization of the source was reduced by changing polarization state of beam. The spectral calibration was achieved for the two channels with large response difference.

spectral calibration; large dynamic range; dual-channel camera; spectral response; space remote sensing

TB96

A

1009-8518(2017)05-0044-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.05.006

李永強，男，1979年生，2014年獲西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向為空間光學(xué)遙感器的系統(tǒng)測試技術(shù)。E-mail：99yongqiang@163.com。

2017-04-18

國家重大科技專項工程