ASD光譜儀間相對定標方法介紹

董毅 呂佳彥 宋青濤

摘 要：雙光譜儀法測量場地反射率過程中需要使用多臺ASD光譜儀，這就引入了光譜儀間的相對差異，這些差異會對場地反射率的測量精度造成影響，因此需要組織試驗進行儀器間的相對輻射校正。本文介紹了試驗方法并給出了試驗結果，可見ASD光譜儀間相對定標的必要性。

關鍵詞：雙光譜儀法；ASD光譜儀；相對定標

雙光譜儀法測量場地反射率過程中需要使用多臺ASD光譜儀，這就引入了光譜儀間的相對差異，這些差異會對場地反射率的測量精度造成影響，因此需要組織試驗進行ASD光譜儀間的相對輻射校正。

1 方法介紹

由于多臺光譜儀間輻射響應不一致，在衛星同步定標試驗中，多臺光譜儀采集的數據需要進行協同計算，因此必須對各光譜儀的輻射響應進行相對標定，否則ASD FR光譜儀定標系數的漂移將會給地面反射率的測量引入誤差。

在光譜儀之間相對定標時，將試驗用到的多臺光譜儀的探頭并排放置，固定于三腳架，調整角度使之垂直向下觀測同一參考板（標準參考板），連續進行數據測量，從正午持續到傍晚太陽落山，獲得各波段連續不同輻射條件下的反射輻亮度數據序列，以某一ASD FR光譜儀為標準，通過比值計算光譜儀間相對定標系數，計算方法如下：

式中，R標準參考板為標準參考板反射率；

L標準光譜儀，L光譜儀1，L光譜儀2分別為標準光譜儀和校正光譜儀的反射輻亮度；

C1，C2分別為校正光譜儀的校正系數；

E為參考板的入射輻照度，以上各參量均為波長的函數。

2 ASD光譜儀間相對定標試驗

1）試驗目的：減少多臺光譜儀間輻射響應不一致造成的影響，測量計算得到光譜儀間相對定標系數；

2）試驗時間：2013年6月20日12：00-19：30；

3）試驗地點：敦煌光伏電站對面戈壁灘；

4）試驗儀器：ASD FR光譜儀4臺：ASD16563、ASD16582、ASD16479、ASD18053；參考板1塊：MFB99-48-09；

5）試驗步驟：測量方法如圖1所示：將4臺光譜儀的探頭并排放置，固定于三腳架，調整角度使之垂直向下觀測參考板MFB99-48-09，連續進行數據測量，獲得不同輻射條件下的反射輻亮度數據。

以ASD FR光譜儀16563為標準光譜儀，進行其他光譜儀相對系數的計算。

同時，在測量過程中，會定時對4臺ASD FR光譜儀鏡頭進行遮擋，目的是對4臺ASD FR光譜儀時間進行校正。

3 數據處理及分析

測量數據包含ASD FR光譜儀相對定標試驗、參考板相對定標試驗和反射率同步測量試驗三個試驗的測量結果，其中反射率同步測量試驗中心區和高反區均采用雙光譜儀法進行。

3.1 試驗數據

在ASD FR光譜儀間相對定標試驗中，其試驗數據主要包括4臺ASD FR光譜儀測量參考板的DN序列DNi（λ，ti），數據是包含光譜維和時間維的二維數據，其中i為ASD FR光譜儀編號，i∈[16563，16582，16479，18053]；ti為ASD FR光譜儀測量的時間序列；λ為波長，λ∈[350，351，...，1050nm]。

3.2 預處理

預處理過程主要包括以下幾個部分：

1）使用各儀器配套的絕對定標系數，將所有的DN值DNi（λ，ti）轉化為輻亮度值，得到不同ASD FR光譜儀測量參考板的反射輻亮度值Li（λ，ti），其中為ASD FR光譜儀編號，i∈[16563，16582，16479，18053]；ti為ASD FR光譜儀測量的時間序列；λ為波長，λ∈[350，351，...，1050nm]。此過程是采用中科院電子所趙永超博士開發的zyc_spec_prepro軟件進行，可進行批處理。

2）測量過程中，由于要對4臺ASD FR光譜儀間測量時間進行統一，在測量過程中部分時間點對鏡頭做了遮擋處理，由于遮擋時間較短，將遮擋部分數據通過遮擋前后數據插值得到，一般采用線性插值進行處理。

3）在時間維度對輻亮度進行重采樣，由于4臺ASD FR光譜儀測量光譜的時刻和間隔都不完全一樣，需要將輻亮度時間序列進行重采樣。采用將時間間隔短的時間序列重新采樣到時間間隔長的序列上，一般采用線性采樣即可，最后將4臺ASD FR光譜儀的時間序列重新采樣到相同的時間序列上。

3.3 結果及分析

將原始數據經過預處理，對時間維度進行重采樣，可得4臺ASD FR光譜儀測量同一參考板的反射輻亮度值。

從中統一截取其中1000個時間點，如圖2-圖5所示，右側圖例代表反射輻亮度值，單位是W/（m2·sr），其中sr為球面度。每個時間間隔為1s，持續時間從16：27-16：43共計1000s。

從圖2-圖5可以看出，4臺ASD FR光譜儀測量參考板時，不同波長測量的反射輻亮度存在差異，在可見光近紅外波段，峰值在450-550nm出現，最低值則出現在950nm左右。隨著時間的推移，反射輻亮度值有減小趨勢，不同光譜儀測量參考板反射輻亮度也存在差異。

在16：27-16：43共計1000s時間內，ASD FR光譜儀測量參考板反射輻亮度值便發生變化，單光譜儀法交替測量過程中，不可避免出現測量場地和參考板的時間差異，可見雙光譜儀法測量場地反射率的優越性。

對經過預處理后的4臺ASD FR光譜儀測量參考板反射輻亮度值進行處理，可得到4臺ASD FR光譜儀的反射輻亮度值Li（λ，ti），其中i為ASD FR光譜儀編號，i∈[16563，16582，16479，18053]；t為重采樣后的時間范圍，t∈[1，2，...，1000]；λ為波長，λ∈[350，351，...，1050nm]。

每臺ASD FR光譜儀的測量值均有1000個時間點反射輻亮度曲線，將1000個時間點的輻亮度值進行平均，可得到不同光譜儀間整體的響應差異。

根據公式（4）計算可得時間序列的ASD FR光譜儀間相對定標系數Ci（λ，t），再對時間取平均后可得光譜儀間相對定標系數。

如圖7所示，在可見光近紅外波段，3臺光譜儀與標準光譜儀間各波段間測量輻亮度值存在差異，相對定標系數基本在1附近，在個別波長處有較大的波動，各光譜儀間部分波段光譜響應有較大差異，可見光譜儀間相對校正的必要性。

4 總結

本文介紹了ASD光譜儀間相對定標試驗和試驗流程，通過試驗可得光譜儀間相對定標系數，在可見光近紅外波段，3臺光譜儀與標準光譜儀間各波段間測量輻亮度值存在差異，相對定標系數基本在1附近，在個別波長處有較大的波動，各光譜儀間部分波段光譜響應有較大差異，可見光譜儀間相對校正的必要性。

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