星载成像光谱仪杂散光测量与修正

　　1　引　言

　　星载成像光谱仪可在特定光谱域以高光谱分辨率同时获得连续的地物光谱图像,使遥感数据在光谱维进行展开得到高精度的光谱遥感数据,进而定量分析地球表层生物、物理、化学过程与参数,是成像技术和光谱技术的有机结合。高光谱分辨率成像光谱遥感起源于对地质矿物的识别,逐渐扩展到对植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。光谱遥感的探测目标是微弱的光谱信号,杂散光是影响光谱测量精度的重要原因之一,如白天云层散射、反射等背景辐射产生的杂散光常常会影响光谱测量精度,甚至把微弱的光谱信号淹没。当前,国内对光学遥感仪器中望远镜系统的杂散光分析、仿真、测量和抑制的研究已较为成熟[1-4],而对光谱仪器杂散光的研究较少,只有禹秉熙、于洵等人曾对单色仪和非单色仪的杂散光做了一些分析和测量工作[5-6];最近杜述松等人也对干涉成像光谱仪的杂散光进行了一定的分析和仿真研究[7],而对高分辨率成像光谱仪杂散光分析、测量和修正的研究在国内尚少有报道。在国外,以美国的CHRIS和德国的En-MAP为代表的新一代高分辨成像光谱仪都将杂散光的分析和测量作为一个重要的课题进行了深入研究[8-9]。

　　为了满足星载成像光谱仪杂散光测量和修正的工程需要,本文分析了此类光谱仪器杂散光的来源和危害,介绍了用矩阵法实现成像光谱仪杂散光测量和修正的理论依据,给出了杂散光测量和修正的具体方案,并通过实验验证了矩阵法测量和修正成像光谱仪杂散光的有效性,同时解释了杂散光修正效果与入射光波长有关的原因。

　　2　星载成像光谱仪杂散光分析

　　2.1　光学系统

　　成像光谱仪的杂散光与光学系统结构和分光方式密切相关,图1为本文研究的星载超光谱成像仪的光路简图。光学系统包括望远系统和光谱仪光学系统两部分:望远镜采用非球面主镜、次镜和第三镜构成离轴非球面三反射镜系统,光谱仪采用的非球面准直镜和成像镜也构成离轴非球面三反射镜系统,光谱仪的色散元件为棱镜。

　　离轴三反射镜结构望远镜系统对杂散光(特别是一次杂散光)抑制能力较强,且目前对望远镜系统的杂散光分析和遮光罩、挡光环、消杂散光涂料等消杂散光措施的研究也较为深入[1-3, 10-13],所以,望远镜系统的杂散光一般较低,本文将重点研究光谱仪系统的杂散光,并综合测量与修正反映到光谱仪像面上的整机杂散光。

　　2.2　杂散光分析及描述

　　杂散光是由非成像的光到达探测器形成的,杂散光水平是星载光学遥感仪器的重要技术指标之一。成像光谱仪的杂散光水平常用杂散光系数来描述[14-15],即在光谱仪标称波长上一定带宽内,除该波长以外所有其他波长的辐射能量之和与标称波长的辐射能量之比。