成像光谱仪辐射定标影响量的测量链与不确定度

　　1　引　言

　　在可见到短波红外光谱范围(0.4~2.5μm)工作的成像光谱仪的辐射定标,需要光谱辐射亮度标准、积分球大口径光源、光谱辐亮度计等仪器设备,还要在成像光谱仪中设置星上辐射定标光源装置,并且经过多级测量链的测试过程才能实现对遥感对地观测数据的辐射定标。

　　光学成像遥感器的星上定标装置(只讨论0.4~2.5μm光谱范围的光学成像仪)是通过星载仪器上设置的光源及其投影系统,把它的光辐射引进遥 感器的光路,照射遥感器成像面上的探测器件,使焦平面器件有输出信号响应。用星上辐射定标装置产生一个遥感器光瞳前的等效光谱辐亮度。光学遥感器星上辐射 定标装置有内定标和外定标两种,辐射定标用的光源有定标灯、积分球光源或太阳等自然界光源[126]。

　　美国上世纪80年代末研制的机载可见红外成像光谱仪AVIRIS的绝对定标精度为≤10%[7];中分辨率成像光谱辐射计MODIS的绝对定标精度为≤5%(0.4~2.5μm)[6],在EO21卫星上HyPerion超光谱成像仪的绝对定标精度为≤6%[8]。

　　本文分析了成像光谱仪遥感观测数据的信息结构,研究了辐射定标物理过程和被测量—光谱辐射亮度定标的影响量及其测量链。根据1993年国际标准 化组织(ISO)颁布的《测量不确定度表示指南》,研究了被测量在辐射定标中的影响量的数学模型与合成标准不确定度即绝对精度。

　　2　成像光谱仪数据的信息结构

　　成像光谱仪获取的光谱图像数据是地面二维(2D)空间和一维(1D)光谱(由波长上相邻接采样的超多波段窄带光谱通道提供)构成的三维(3D)图像立方体(Image Cube),其数据结构如图1所示。

　　成像光谱仪焦平面器件采集的一帧光谱图像数据(图1中图像切片)V(Pj,λi)为一组m×n行列式矩阵:

　　卫星遥感对地观测的物理过程如图2所示。根据遥感对地观测信噪比(SNR)方程[9],有

　　其中,FN=f/D—光学系统焦比,f—焦距,D—光学孔径

　　Ad:探测器像元面积

　　KN(α):渐晕系数,它同视场角α和FN有关,焦平面器件的不同像元Pj对应不同的视场角α

　　Ns:噪声信号Ef(λ):仪器内部的杂散光在探测器像元上的辐照度,杂散光具有光谱分布,因此在探测器上照射产生的光电信号应该是对波长的积分

　　成像光谱仪光瞳前的视辐亮度LV(x,y,λ)为

　　辐射定标的目的是从遥感观测的成像光谱仪数据V(Pj;λ)获取地物光谱ρ(x,y,λ)或L(x,y,λ)的信息。