郭永祥 柯君玉 王牧卿 王偉剛 伏瑞敏 李永強(qiáng)

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀雜散光測試與校正技術(shù)

郭永祥 柯君玉 王牧卿 王偉剛 伏瑞敏 李永強(qiáng)

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀具有更高的光譜分辨率及更多的光譜通道，而雜散光是影響超光譜探測儀光譜測量精度的關(guān)鍵因素之一。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星搭載的超光譜探測儀為光柵式光譜儀，其入射和出射狹縫的存在使得系統(tǒng)本身雜散光的抑制多了一道屏障，因此該類遙感器雜散光的主要來源為視場內(nèi)的雜散光。文章描述了該類雜散光的來源及特點(diǎn)，最后以超光譜探測儀空間維為例，建立雜散光校正數(shù)學(xué)模型，介紹了視場內(nèi)雜散光分布測量方法、測量步驟，并對校正效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，雜光分布影響因子和雜光分布因子矩陣可正確表征光譜儀的雜散光特性。

雜散光測量 雜散光校正 視場內(nèi)雜散光 超光譜探測儀 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星

0 引言

中國傳統(tǒng)的碳匯測量主要依靠人工對森林植被進(jìn)行抽樣監(jiān)測，效率低且精度差，而新發(fā)射的“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星”（以下簡稱“碳星”）配置了多波束激光雷達(dá)、多角度多光譜相機(jī)、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀4種載荷，能夠通過主被動相結(jié)合的測量方案、地面數(shù)據(jù)處理及反演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對森林植被生物量、大氣氣溶膠分布、植被葉綠素?zé)晒獾纫氐母呔榷窟b感測量，可極大提高碳匯監(jiān)測精度?！疤夹恰钡膽?yīng)用標(biāo)志著中國碳匯監(jiān)測進(jìn)入天基遙感時代。其中葉綠素?zé)晒獾奶綔y直接關(guān)系大尺度的植被光合作用動態(tài)監(jiān)測，是碳匯監(jiān)測重要環(huán)節(jié)。葉綠素?zé)晒馓綔y是在弱反射信號條件下，利用超高光譜分辨率探測方式獲取空間連續(xù)分布的植被熒光信號，對陸地植被的光合作用能力進(jìn)行分析，進(jìn)一步回答和說明森林等植被的碳吸收能力和農(nóng)作物的生長情況?！疤夹恰迸渲玫某庾V探測儀在國際上首次實(shí)現(xiàn)了0.3nm的精細(xì)探測，將光譜分辨率較傳統(tǒng)提升10倍，可探測到人眼無法辨識的細(xì)微的太陽光明暗變化，能夠更有效地尋找某個漸變色角落里的葉綠素?zé)晒狻?/p>

超光譜探測儀分光方式采用光柵實(shí)現(xiàn)，包含空間維和光譜維兩個輸出維度[1]，它具有圖譜合一的特點(diǎn)，在對地成像的同時可以獲得地物的連續(xù)光譜信息。對于熒光探測這種弱信號提取的遙感器而言，雜散光的存在會嚴(yán)重影響其定量化反演，在探測儀設(shè)計階段需對系統(tǒng)進(jìn)行雜散光抑制設(shè)計。但是傳統(tǒng)的雜散光抑制設(shè)計并不能完全消除其雜散光，尤其是視場內(nèi)雜散光，因此需要找到合適的方法對其進(jìn)行精確測量并校正其影響。

本文探討了超光譜探測儀雜散光的來源，闡述了空間維視場內(nèi)雜散光測試方法，建立了雜散光模型并提出了雜散光校正方法，給出了測試結(jié)果及最終雜散光校正效果。

1 探測儀雜散光來源

超光譜探測儀的探測器是面陣探測器，在推掃成像的過程中同步獲取工作波長范圍內(nèi)連續(xù)光譜維的成像信息，實(shí)際得到的遙感數(shù)據(jù)是空間信息和光譜信息構(gòu)成的三維立方體數(shù)據(jù)。入射和出射狹縫的存在使得系統(tǒng)本身雜散光抑制多了一道屏障，因此該類遙感器雜散光主要為視場內(nèi)的雜散光。探測儀分光元件為光柵組件[2]，在分光前成像光線在望遠(yuǎn)系統(tǒng)、狹縫及光柵之間的多次反射會引起像元間的相互影響；在分光后成像光線在光柵、透鏡組和探測器之間的反射同樣會引起空間維鄰近像元之間的相互影響，同時會在光譜維造成不同光譜位置的串?dāng)_，使得探測儀光譜分辨率降低。

對于超光譜探測儀而言，雜散光的影響與傳統(tǒng)光譜儀的不同之處是會帶來空間維和光譜維兩個維度的串?dāng)_。對探測儀進(jìn)行雜散光分析仿真可知其主要包含以下幾個方面[3-5]：1）光柵組件零級和高級衍射光譜干擾等雜散光；2）反射鏡等光學(xué)器件表面灰塵及缺陷引起的雜散光；3）結(jié)構(gòu)內(nèi)壁、反射鏡邊緣等處的反射引起的雜散光；4）探測儀焦面探測器相鄰像元之間的光譜串?dāng)_。

探測儀探測目標(biāo)輻射能量較弱，雜散光的存在將大大降低其探測能力[6]。因此，基于上述來源分析，需選取合適的評價指標(biāo)進(jìn)行精確測量，并依據(jù)評價指標(biāo)和光譜儀數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行合理數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對雜散光的校正。

2 探測儀雜散光測試方法

傳統(tǒng)的雜散光評價指標(biāo)主要包括雜散光系數(shù)和點(diǎn)源透過率（Point Source Transmittance，PST）兩種。雜散光系數(shù)表征遙感器視場內(nèi)外雜散光量的綜合效果，而PST是表征遙感器對視場外雜散光輻射源的抑制能力。常用的激光測量法、截止濾光片法、陷波法和黑斑法等測試方法[7]均屬于雜散光系數(shù)評價范疇。這些測量和評價手段均無法直接用于遙感器雜散光校正。因此，針對探測儀工作模式需找到可用于后期雜散光校正的特征參量進(jìn)行測試，該特征參量需定量、全面地得出探測儀的雜散光特性。

雜散光擴(kuò)散函數(shù)是指被測遙感器視場內(nèi)外不同位置處的點(diǎn)光源在其像面處所造成的的歸一化雜光光強(qiáng)分布函數(shù)[8]。因此，通過對探測儀視場內(nèi)雜散光擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行測量分析，可實(shí)現(xiàn)視場內(nèi)雜散光性能的準(zhǔn)確評價。熒光探測屬于微弱信號探測，探測器噪聲的大小直接影響雜散光測試的準(zhǔn)確性，因此探測儀雜散光擴(kuò)散函數(shù)測試應(yīng)在真空環(huán)境下模擬在軌工作實(shí)際狀態(tài)開展。

雜散光測試布局如圖1所示。在圖1所示的測試布局中，積分球光源置于準(zhǔn)直系統(tǒng)焦面位置，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后出射平行光。通過真空罐窗口玻璃入射至探測儀，其中探測儀入光口位于罐內(nèi)二維轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸中心，準(zhǔn)直系統(tǒng)焦面靶標(biāo)位置采取消雜光措施，消除靶標(biāo)孔以外區(qū)域的雜散光，以避免對測試造成影響。通過調(diào)節(jié)二維轉(zhuǎn)臺的方位角旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)探測儀視場內(nèi)不同位置雜光擴(kuò)散函數(shù)測試。

圖1 空間維雜光分布測試布局

3 空間維雜散光校正模型建立

測試中選用狹縫狀單刻線靶標(biāo)，靶標(biāo)在探測儀焦面位置的理想像占1個像元。從空間維一側(cè)視場邊緣至另一側(cè)視場邊緣進(jìn)行掃描測量。

式中 DN0為各像元暗電平響應(yīng)值。

則探測儀空間維的光輻射可表示為

式中m為探測儀空間維所有像元的光輻射測量值組成的列向量；0為探測儀空間維所有像元光輻射的理想輸出分布（不含雜散光信號）。

令矩陣=+，其中為單位矩陣，則式（3）可簡化為

則有

式中為探測儀空間維雜散光校正矩陣，當(dāng)探測儀自身結(jié)構(gòu)不變的情況下，為常數(shù)矩陣。

4 雜散光校正測試結(jié)果

對超光譜探測儀全幀模式下空間維視場內(nèi)雜光擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行測試，過程中準(zhǔn)直系統(tǒng)焦面處靶標(biāo)尺寸折算至探測儀焦面位置理想情況下占12個像元（與探測儀在軌12像元合并成像模式相對應(yīng)），由于系統(tǒng)MTF的影響成像至探測儀像面時占18個像元。從空間維一側(cè)視場邊緣至另一側(cè)視場邊緣每隔12個像元布一個測試點(diǎn)，共布設(shè)46個測試點(diǎn)。

以空間維視場測試點(diǎn)1、光譜維1號像元位置為例，將不同積分時間下采集的圖像去除暗背景后繪制于同一圖中，峰值處局部放大后結(jié)果如圖2所示。

對上述數(shù)據(jù)中峰值位置對應(yīng)的空間維像元不同積分時間下的輸出DN值，繪制積分時間線性響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖2 各積分時間測試結(jié)果局部放大(去暗)

圖3 空間維測試點(diǎn)1峰值位置不同積分時間線性響應(yīng)曲線

由圖3可知，探測儀全幀模式下飽和前積分時間線性響應(yīng)情況良好，DN值4 500以下仍在線性響應(yīng)范圍內(nèi)。

在對圖2所示不同積分時間曲線進(jìn)行擬合拼接處理前，為了比對不同光譜維波長位置在空間維的響應(yīng)分布情況，以220ms積分時間、空間維視場測試點(diǎn)1為例，將光譜維像元100號～1 200號位置每隔100個像元處的空間維響應(yīng)曲線繪制于一起，局部放大后的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，所有光譜維像元位置在空間維的響應(yīng)輸出分布變化規(guī)律基本一致，所以，不同積分時間響應(yīng)曲線擬合拼接可采用統(tǒng)一處理方法進(jìn)行，合并后進(jìn)行歸一化處理。

以光譜維1號像元位置為例，將不同空間維測試點(diǎn)歸一化后的響應(yīng)分布曲線繪制于圖5。在數(shù)據(jù)處理至該階段后即可獲得探測儀空間維串?dāng)_量數(shù)據(jù)。將圖5中所示各測試點(diǎn)歸一化響應(yīng)分布曲線進(jìn)行信號峰值刪除后即為各測試點(diǎn)相應(yīng)的串?dāng)_影響因子。

圖4 空間維測試點(diǎn)1在220ms時所有光譜維像元位置響應(yīng)曲線

圖5 不同空間維測試點(diǎn)歸一化后的響應(yīng)分布曲線（光譜維1號像元位置）

式（2）所示空間維雜光分布因子矩陣中，各列數(shù)據(jù)分別為空間維各像元對其他像元的響應(yīng)影響分布因子。對空間維所有像元位置進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理，工作量巨大，可操作性不強(qiáng)。通過比較46個空間維視場點(diǎn)的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們的分布相似，因此，可以認(rèn)為雜散光分布是空間移不變的。基于此，本文根據(jù)所測試的46個空間維視場點(diǎn)數(shù)據(jù)來擬合所有空間維視場點(diǎn)的空間分布影響因子數(shù)據(jù)。基于46個空間維測試點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)和雜散光校正模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，獲得探測儀各成像模式下的雜光校正矩陣，再利用雜光校正矩陣分別對6像元合并模式、12像元合并模式下去暗電平處理后輸出的探測儀狹縫目標(biāo)采集圖像進(jìn)行雜散光校正，獲得校正后的狹縫目標(biāo)采集圖像，結(jié)果如圖6所示，圖中除去狹縫信號以外部分為雜散光響應(yīng)。校正前和校正后圖像中DN值急劇升高之前部分的面積比，即是雜散光校正量。理想無雜光的狹縫目標(biāo)圖像應(yīng)該為除了狹縫位置其余部分均為0。

圖6 校正前后效果比對

探測儀基于本文所述測試方法和數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于60%的雜散光校正量，校正后雜散光比可達(dá)10–4量級。

5 結(jié)束語

本文介紹了超光譜探測儀雜散光的來源、定義及危害，闡述了視場內(nèi)雜光擴(kuò)散函數(shù)測量方法，并建立了雜光校正模型。以探測儀空間維為例，給出了實(shí)測結(jié)果及雜光校正效果，前后比對結(jié)果顯示校正效果明顯。利用該測試方法的思路和數(shù)學(xué)模型，同樣可實(shí)現(xiàn)該類光譜儀載荷的光譜維雜散光分布測試及光譜雜散光校正。

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Stray Light Measurement and Correction Technology of the Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging

GUO Yongxiang KE Junyu WANG Muqing WANG Weigang FU Ruimin LI Yongqiang

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

Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer has higher spectral resolution and more spectral channels. Stray light is one of the key factors affecting the spectral measurement accuracy of the hyperspectral detector. The detector is a grating spectrograph，and the existence of entrance and exit slits is beneficial to stray light suppression. Therefore, stray light mainly comes from the field of view. This paper describes the performance of this kind of stray light, and gives the definition and physical meaning of crosstalk. Finally, taking the spatial dimension of the detector as an example, the mathematical model of stray light correction is established. The measurement method, measurement procedure and correction effect of stray light distribution are introduced. The results show that the stray light distribution factorand the stray light distribution factor matrixcan correctly characterize the stray light characteristics of the spectrometer.

stray light measurement; stray light correction; stray light in the field of view; solar-induced chlorophyll fluorescence imaging spectrometer; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite

O433.1

A

1009-8518(2022)06-0079-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.008

2022-10-27

國家重大科技專項工程

郭永祥, 柯君玉, 王牧卿, 等. 日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀雜散光測試與校正技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 79-84.

GUO Yongxiang, KE Junyu, WANG Muqing, et al. Stray Light Measurement and Correction Technology of the Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 79-84. (in Chinese)

郭永祥，男，1985年生，2010年獲中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向為遙感器雜散光測試技術(shù)、星座探測能力測試技術(shù)、輻射定標(biāo)與光譜定標(biāo)技術(shù)、色彩校正技術(shù)。E-mail：gyxllr605@163.com。

（編輯：夏淑密）