干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析

引言

干涉成像光谱仪获取的原始数据是干涉信息,对干涉信息进行光谱复原得到光谱数据.记录的干涉信息是有限光程差范围内的信号,这使得复原光谱存在旁瓣效应[1],旁瓣的存在严重影响邻近光谱尤其是较弱光谱的准确测定.为了提高复原光谱的精度,光谱复原中采用切趾函数来抑制这种旁瓣效应[1].

经典的切趾函数主要是信号处理中的各种窗函数[1],在此基础上,研究者们提出了一些新的切趾函数.其中, Filler提出了两大切趾函数族[2],Norton&Beer也提出了新的切趾函数族[3~4].但切趾函数处理对复原光谱及其应用的影响分析很少,Amato等指出切趾函数处理对于利用红外波段反演地球物理参数没有效果[5],该研究针对的干涉成像光谱仪是最大光程差较大的时间调制型.而由于制造工艺的限制,空间调制型干涉成像光谱仪的最大光程差通常较小,此时切趾函数作用对复原光谱的影响极有可能不同.随着空间调制型干涉成像光谱仪HJY20-1-A即将投入使用,切趾函数对复原光谱的影响分析显得更加迫切.

以24种典型地物光谱为例,本文首先分析了不同切趾函数对四种最大光程差(包括HJY20-1-A)、四种切趾函数作用下复原光谱的影响,得出切趾函数的应用可以提高复原光谱精度的结论,同时发现当最大光程差较小时,切趾函数作用下的复原光谱精度仍然不高,尤其是对于HJY20-1-A.在此基础上,本文提出了基于仪器线型函数标准化的光谱复原改进算法,试验结果证明该方法可以显著提高复原光谱精度.最后就HJY20-1-A复原光谱求解了三种典型植被指数,进一步证明了方法的有效性.

1　试验数据准备

1. 1　地面光谱数据

本文中所采用的24种典型地物的光谱数据是于2006年11月在中科院千烟洲生态试验站通过野外试验测量获得,测量仪器为ASD地面光谱仪(350~2500nm).在光谱测量过程中,先测量白板光谱,后测量地物光谱,各测量10次以上,测量时天空晴朗无云,大气条件稳定.在数据后期处理中剔除了异常光谱,并对同一地物的多条反射率光谱数据取算术平均,将得到的结果作为该地物的反射率光谱曲线.

地物光谱数据涵盖了自然界的主要地物类型,主要有水体、干土、水泥地、河滩、瓦屋顶、草地、竹子以及多种植物.如图1所示,图中地物类型丰富,光谱差异大.图1(a)为各种典型树种和竹子的光谱曲线,图1(b)中为其他各种典型地物和草地的光谱曲线,其中, 3种水泥地分别是不同粗糙度下的光谱数据.

1. 2　入瞳辐亮度计算

本文旨在分析切趾函数处理对光谱复原的影响,因此假设干涉成像光谱仪的数据获取直接在地面进行,不考虑成像几何和大气等因素的影响,所以干涉成像光谱仪的入瞳辐亮度B(σ)为: