远紫外高光谱成像光谱仪的辐射定标技术.docx资源-CSDN文库

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摘要

利用紫外恒星对远紫外高光谱成像光谱仪进行在轨定标是实现高精度定量遥感的重要步

骤。然而,在上述过程中,在轨定标系数无法直接用于目标反演。因此,转换在轨定标系数对

提升仪器在轨定标精度具有重要意义。推导了定标系数的转换过程,给出了新的定标系数方

程,并利用研制的仪器开展了相关验证实验。结果表明,利用修正后的定标系数进行目标反

演,可将反演精度提升 40%。

Abstract

Using ultraviolet stars to finish the on-orbit calibration of far ultraviolet hyperspectral

imaging spectrometer is an important step to achieve high precision remote sensing.

However, in this way, the on-orbit calibration coefficients can not be directly used in

target inversion. Therefore, the conversion of on-orbit calibration coefficients is of great

significance to improve the on-orbit calibration accuracy of instrument. In this paper, the

conversion process of the calibration coefficients is derived, a new equation of the

calibration coefficients is given, the related verification experiments are carried out by

using the developed instrument. The results show that the accuracy of target inversion

can be improved by 40% by using the modified calibration coefficients.

1 引言

利用星载远紫外高光谱成像光谱仪对气辉辐射进行探测

[1-6]

,是研究电离层、热层的理想方式

之一。利用远紫外波段(120~180 nm)可以获得热层-电离层中 O、O

2

、N

2

等主要大气成分

的气辉辐射强度,进而可以反演出热层氧原子、氧分子和氮分子等柱密度、密度廓线、氧氮

比、热层大气温度、电离层电子密度廓线和电离层总电子含量等关键空间天气参量。通过

这些空间天气参量可以对热层-电离层及其扰动情况进行监测和预报。高精度水平探测的实

现不仅取决于仪器本身的性能,还取决于其探测数据的定量化反演水平,即通过原始数据产

品反演出目标成分的水平。在利用原始数据进行定量化反演的过程中,获得成像光谱仪精确

的辐射定标系数是不可缺少的步骤。

仪器的辐射定标包括地面辐射定标与在轨辐射定标。在星载远紫外高光谱成像光谱仪的地

面辐射定标中,通常采用氘灯光源和真空紫外单色仪提供特定波长的单色光。光源经单色仪

分光后,通过准直系统直接进入被测仪器或经漫反射板进入被测仪器,以完成辐照度辐射定

标或辐亮度辐射定标。由于太阳光在远紫外波段的辐射出射度过低,无法使用太阳光与漫反

射板的定标方法,故利用紫外恒星进行在轨辐射定标是目前星载远紫外高光谱成像光谱仪的

重要方法。紫外恒星的等效黑体辐射温度为 40000 K,其紫外光谱响应曲线也可精确获得,并

且紫外恒星稳定性高(可达到 2%~3%),故其是非常理想的在轨辐射定标源

[7]

。国外典型的星

载远紫外高光谱成像仪,如 DMSP 卫星上工作波段为 120~190 nm 的 SSUSI/SSULI 远紫外

光谱仪、TIMED 卫星上的 GUVI 远紫外光谱仪以及 IMAGE 卫星上的 SI 远紫外光谱仪等,

均利用紫外恒星完成在轨辐射定标

[8-9]

。为了与在轨辐射定标系数匹配,上述仪器在地面采用

辐照度定标方案。然而,国内鲜有该类型载荷辐射定标研究方面的文献论述。

从目前来看,对于星载远紫外高光谱成像光谱仪的地面与在轨辐射定标存在以下问题:1)由于

大气气辉是面源扩展目标,需要利用辐亮度定标系数进行数据反演,而紫外恒星为点源目标,

在轨定标获得的是辐照度定标系数,故要将在轨定标获得的辐照度定标系数转换为辐亮度定

标系数,而二者的转换是一个难点;2)当将紫外恒星作为目标时,由于光学系统像差的影响,仪

器成像后在空间维像面上会有多个像元有响应,进而无法准确获得单个像元响应灰度值与照

度值的映射关系,故需利用点扩散函数对单个像元灰度值进行修正后才可使用。针对以上问

题,本文以解决在轨辐射定标系数转换问题和提高在轨辐射定标精度为研究目的,首先介绍

了所研制的星载远紫外高光谱成像光谱仪的设计方案,并给出了光谱仪的指标参数。然后,

对辐亮度系数与辐照度系数的转换过程进行了详细推导,并得到了最终的辐射定标系数计算

公式。最后,给出了仪器的地面辐射定标方法,并进行了相关实验。本文的研究结果为同类

型仪器在轨和地面辐射定标提供了重要的参考依据和方法。

2 仪器介绍

远紫外高光谱成像光谱仪由扫描镜、望远镜、光栅光谱仪和具有 MgF

2

窗口的

MCP(microchannel plate)二维成像探测器组成。其中,望远系统为抛物面反射镜,光栅光谱

分光系统采用的是 Czerny-Turner(C-T)结构。远紫外高光谱成像光谱仪的光路图如图 1 所

示,系统设计参数如表 1 所示。

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