星載成像光譜儀雜散光檢測技術

張軍強，吳清文，顏昌翔

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039）

星載成像光譜儀雜散光檢測技術

張軍強1，2，吳清文1，顏昌翔1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039）

介紹了星載成像光譜儀雜散光檢測技術在國內外的發展狀況，闡述了成像光譜儀雜散光的定義、來源和危害，分析了雜散光檢測的必要性。通過截止濾光片法、光譜法、譜雜散光系數法、級數透過率法、氧氣吸收光譜及參數擬合法、卷積計算法和矩陣修正法等7種光譜儀器雜散光檢測方法優缺點的對比，給出了星載成像光譜儀雜散光檢測技術的具體要求和發展趨勢，認為單一的檢測技術很難滿足工程研制的實際需要，針對各研制階段的組合檢測技術將是星載成像光譜儀雜光檢測的發展方向。

雜散光；雜散光檢測；成像光譜儀

1 引 言

近年來，高質量的遙感圖像在軍事、地質、環境、農業等各領域得到了廣泛的應用，人們對直接影響遙感儀器成像質量的雜散光也進行了大量的研究。羅伯特等人曾對雜散光做了較為深入的分析和總結［1～3］，史蒂芬等人對地基天文望遠系統的雜散光抑制方法進行了研究［4］，美國在深空探索望遠鏡SNAP（Super Nova/Acceleration Probe）［5，6］研制過程中也對雜散光做了深入的研究。在我國，早在80年代劉瑞祥等人就對雜散光進行了研究，并提出經典的“黑體法”測量望遠鏡的雜散光［7］。近年來，王平陽、李婷等人也對雜散光做了定量分析和數值模擬［8，9］，史光輝、鐘興、李欣耀等人則對消雜散光措施進行了詳細研究［10～12］。

當前，國內對光學遙感儀器的雜散光研究主要集中在望遠鏡系統，而對光譜儀器的雜散光研究較少［13］，只有禹秉熙、于洵等人在20世紀初對單色儀和非單色儀雜散光做了一些分析和測量工作［14，15］，而對高分辨率成像光譜儀雜散光的分析和檢測在國內尚少有報道。在國外，以美國的CHRIS（Compact High-resolution Imaging Spectrometer）和德國的EnMAP（EnvironmentalMapping and Analysis Program）為代表的新一代高分辨成像光譜儀都將雜散光的分析和檢測作為一個重要的課題進行了深入研究［16，17］。為了降低雜散光引起的光譜儀分光測量誤差，Yuqin Zong等人甚至用單色儀精確測量了光譜儀的雜散光并建立雜散光矩陣，通過軟件實現了雜散光的實時修正［18］。

總之，在70年代到90年代之間，人們對雜散光研究的重點由雜散光測量轉向雜散光分析，雜散光測量僅作為最終設計評估的手段。但90年代以來，人們對雜散光的研究又回到了雜散光的測量方向，而且是雜散光分析、測量和修正的統一，雜散光測量作為雜散光修正的前提和基礎，日益凸現出其重要性。

2 星載成像光譜儀雜散光分析

某星載成像光譜儀的光路如圖1所示，工作波段為400～2 500 nm，為了同時達到高分辨、大視場和較低的體積和重量，望遠鏡采用非球面主鏡、次鏡和第三鏡構成離軸非球面三反射鏡系統（Three-mirror Anastigmat，TMA），光譜儀采用的非球面準直鏡和成像鏡也構成離軸非球面系統，光譜儀的色散元件為復合棱鏡。

圖1 超光譜成像儀的光學結構

光譜儀器的雜散光大小與入射光源和探測器有關，通常用雜散光系數表示光譜儀器的雜散光水平，即在光譜儀標稱波長上，除該波長以外所有其他波長的輻射能量之和與標稱波長的輻射能量之比。

與普通光柵單色儀不同，本文研究的成像光儀的光學系統采用復合棱鏡分光，棱鏡表面鍍增透膜，沒有光柵光譜儀中零級和高級光譜干擾及光柵刻劃鬼線等雜散光［19］。此外，針對接受器件獨立設計的入射狹縫有效避免了光線相混現象，也大大降低了望遠鏡系統雜散光對光譜儀系統的影響。光譜儀雜散光的來源主要有以下兩個方面：

1）反射鏡、棱鏡等光學器件表面灰塵及缺陷引起的雜散光；

2）框架內壁、反射鏡邊緣的反射引起的雜散光。

光譜儀的雜散光會造成一定的背景，降低系統信噪比，直接導致光譜儀分光測量誤差增大，大大降低光譜儀測量精度［14，15］。美國、德國等也將雜散光的分析和檢測納入新一代高分辨成像光譜儀的研制計劃中［16，17］。

隨著星載成像光譜儀的光譜分辨率和光譜測量精度的不斷提高，雜散光將逐漸成為制約星載成像光譜儀發展的重要因素之一，必須引起足夠的重視。

3 光譜儀器雜散光檢測的常用方法

關于光譜儀器雜散光的檢測，人們已經做過許多研究工作。在國外，截止濾光片測其透過率法［20］、光譜法［21］、級數透過率法［22］、卷積計算法［23］等早已應用于單色儀的雜散光測量，矩陣修正法［18］也被用于成像光譜儀的雜散光修正；在國內，譜雜散光系數法［14］、光學玻璃截止濾光片法［15］、氧氣吸收光譜及參數擬合法［24］等也被應用于單色儀和非單色儀的雜散光檢測。

3.1 截止濾光片法

國內外均有學者曾使用截止濾光片法檢測光譜儀器的雜散光。截止濾光片法的基本原理是選擇合適光譜透過率的濾光片，將其放在被測光譜儀器入射狹縫前進行測量，并與不加濾光片時的測量結果比較，再由其光譜透過率值計算雜散光。

截止濾光片法的優點是檢測設備簡單、效率高，適合光譜儀器裝調的過程檢測。但是，由于只能檢測截止濾光片起始波長一側的雜散光，另一側的雜散光沒有檢測出來，所以檢測結果較實際值小，且與光源特性有關。此外，短波帶通長波截止的濾光片不宜制作，這也成為制約窄帶濾光片應用范圍的原因之一。

3.2 光譜法

光譜法是利用單色光照射光譜儀器的入射狹縫，測量光譜儀器輸出的光譜分布，進而分析光譜儀器雜散光的一種測量方法。

光譜法測得的光譜分布即入射單色光經過光譜儀器后的點擴散函數，能真實反映儀器雜散光特性，后來還被廣泛應用于光譜儀器的光譜標定領域。但是，這種方法需要較強的單色光源，并且探測器的信噪比要求較高。

3.3 譜雜散光系數法

禹秉熙在90年代初提出了用譜雜散光系數來表示單色儀的雜散光，其原理是首先不放被測單色儀，用探測器測量測試用單色儀（用于產生單色光）的光譜輻射通量E（λ），探測器的信號輸出為：

然后，把被測單色儀放入測試用單色儀的出射光路上，通過被測單色儀出射的光譜輻射通量為E（λ）τj（λ），探測器的信號輸出為：

式中，α為光電轉換放大系數，R（λ）為探測器的光譜響應，△λ為帶寬，τj（λ）為標稱波長λj上被測單色儀的光譜透過率。

由式（1）、式（2）可得出被測單色儀在標稱波長上的光譜透過率，即譜雜散光系數：

譜雜散光系數法的檢測結果與光源、探測器等測試條件無關，能較真實地描述儀器的雜散光特性，但是操作較復雜，應用也不夠簡便。

3.4 級數透過率法

級數透過率法最早是由C.Mirand和P.Conte等人提出來的，其基本原理是利用某種滿足Beer定律的溶液，將其配成幾種不同的濃度，并且使其濃度成等差級數，即Ci＝iC1（其中，C為溶液的濃度，mol/L；i＝1，2，3，…，n），然后用光譜儀測量這n種溶液的透過率Ti，通過計算（不考慮溶液對雜散光的吸收）可知，各透射率之間存在以下關系：

式中，α＝10-εCil（ε為摩爾吸收系數，l為光程長度）；β＝（1-α）S/（1+S）（S為雜散光系數）。

由Ti+1和Ti的線性關系，通過直線的斜率和截距即可得到S。

由于級數透過率法要使用不同濃度的溶液進行檢測，溶液濃度準確性直接影響檢測結果。此外，溶液也有污染光學器件的風險。

3.5 氧氣吸收光譜及參數擬合法

氧氣吸收光譜及參數擬合法最早是由陳之宜提出來的，并成功用于測量真空紫外單色儀的雜散光。其基本原理是，由于單色儀存在雜散光，當單色儀輸出的“單色光”入射到充滿氧氣的吸收室時，測得的氧氣的透過率并不滿足Beer定律，此時氧氣的透過率T與吸收系數和雜散光的關系近似表示為（不考慮氧氣對雜散光的吸收）：

式中，μ為氣體的吸收系數，Θ為氣體的絕對溫度，p為氣體的壓強，l為氣體的幾何吸收長度，S為雜散光。

當改變吸收室中氧氣的壓強p時，同時測出氧氣的透過率T，即可得到：

式中，n為測量次數。

采用參數擬合的方法求S和μ，利用LMF算法求解：

S和μ為最小值時的S即為雜散光。

氧氣吸收光譜及參數擬合法檢測設備和檢測過程較復雜，只在有特殊需要時（如紫外波段雜散光測量等）才使用。

3.6 卷積計算法

卷積計算法的基本原理是通過卷積計算求解單色儀的雜散光。若把離開標稱波長L單位以外的光輻射定義為雜散光，則雜散光為：

式中，K為常數，P（λ）＝E（λ）D（λ）M（λ）（E（λ）為光源的光譜分布，D（λ）為探測器的靈敏度，M（λ）為單色儀的效率），F（λ，λ′）為單色儀的儀器函數，λ′為單色儀標稱的波長，λ1、λ2為光源發出光的波段范圍。

通過測量單色儀的儀器函數F（λ，λ′）和光源強度分布P（λ），即可通過式（8）計算單色儀的雜散光。

卷積計算法對于檢測確定光源的單色儀雜散光有一定的應用價值，但是由于其檢測結果與光源、探測器等有關，不能獨立表示儀器自身雜散光水平。

3.7 矩陣修正法

矩陣修正法是由Yuqin Zong等人最新提出來的，其基本原理是通過測量光譜儀器的雜散光后建立雜散光影響因子矩陣D，光譜儀器譜面的光譜輻射可以表示為：

式中，Y為光譜儀器譜面所有像元的光譜輻射實測值組成的列向量；YIB為光譜儀器譜面所有像元光譜輻射的有效值組成的列向量。

由式（9）可求解光譜儀器的雜散光修正矩陣：

式中，C為光譜儀器雜散光修正矩陣，它反應了光譜儀的雜散光水平。若已知光譜儀器的雜散光修正矩陣C，即可利用式（10）對測量結果進行修正。

矩陣修正法的優點是能在檢測雜散光的同時對測量結果進行修正，提高光譜儀器的光譜分辨率；但這種方法需要較強的單色光源，并且CCD的信噪比要足夠高，一般用于成像光譜儀研制后期雜散光的修正，不便于裝調過程中雜散光的檢測。

通過對7種光譜儀器雜散光檢測常用方法的歸納，可以發現，這些方法均不能滿足星載成像光譜儀雜散光檢測在工程研制過程中的需要。

4 星載成像光譜儀雜散光檢測要求

現有雜散光檢測技術研究和某星載成像光譜儀研制的工程實踐表明，星載成像光譜儀雜散光檢測方法應滿足以下條件：

1）雜散光檢測方法應滿足儀器裝調過程中雜散光檢測的需要。在儀器裝調過程中及時發現雜散光，可為采取措施降低雜散光提供可能；

2）雜散光檢測方法應滿足儀器研制后期雜散光修正的需要。雜散光分析和消除工作應在系統設計和裝調過程中進行，在儀器裝調完畢后，再想降低雜散光水平、提高儀器光譜分辨率，就必須對雜散光進行修正。

3）任何雜散光檢測方法都應滿足檢測設備簡單、檢測過程簡便、檢測效率較高的要求，這直接影響檢測方法的工程應用范圍。

4）描述雜散光的物理量應能獨立反映儀器的雜散光水平，不能因檢測光源、探測器等檢測條件影響檢測結果，這是星載成像光譜儀雜散光檢測的本質要求。

5 結束語

綜上所述，雖然人們對光譜儀器的雜散光檢測技術進行了大量的研究，但這些檢測方法絕大部分僅適用于單色儀的雜散光檢測，尚不能完全滿足星載成像光譜儀研制過程中對雜散光檢測的要求。隨著更多光譜通道、更高光譜分辨率的星載成像光譜儀發展，雜散光檢測技術必須引起足夠的重視。為了滿足工程研制不同階段對雜散光檢測的不同需求，單一的檢測技術將很難滿足工程研制的實際需要，針對各個研制階段的組合檢測技術必將成為此類成像光譜儀雜散光檢測的發展趨勢。

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Stray lightmeasurement technologies for space-borne imaging spectrometer

ZHANG Jun-qiang1，2，WU Qing-wen1，YAN Chang-xiang1
（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

The current international levels of stray lightmeasurement technologies for a space-borne imaging spectrometer are introduced and the definition of stray lightand it′s source and harmfulness are discussed.The cut-off filtermethod，spectrum method，spectral stray light factormethod，series transmissionmethod，oxygen absorption spectra and parameter fitmethod，convolutionmethod and correctingmatrixmethod are described to compare their advantages and disadvantages in the stray lightmeasurement，then the specific requirement of the stray lightmeasurement of space-borne imaging spectrometer are given.Finally，the trends of development of stray lightmeasurement for space-borne imaging spectrometers are summarized，which point out that the independentmeasuring method for stray light can not meet the needs of practical engineering and the compound measuring technologies will be a developing direction for stray lightmeasurements of space-borneimaging spectrometers.

stray light；stray lightmeasurement；imaging spectrometer

TP73；V243.5

A

1674-2915（2010）04-0337-06

2010-01-11；

2010-03-13

國防預研基金資助項目（No.O5001SA050）

張軍強（1981—），男，江蘇泰州人，博士研究生，助理研究員，主要從事空間光學遙感儀器研制方面的研究。

E-mail：zjq1981_81＠163.com

顏昌翔（1973—），男，湖北洪湖人，博士后，研究員，主要從事空間光學遙感技術方面的研究。

E-mail：yancx＠ciomp.ac.cn

吳清文（1968—），男，四川簡陽人，博士生導師，研究員，主要從事光學精密儀器CAD/CAE和空間光學遙感器熱控技術等方面的研究。E-mail：wuqw＠ciomp.ac.cn