基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法及其适用系统

1.本发明涉及光谱定标技术领域，特别涉及一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法及其适用系统。


背景技术：

2.光谱定标是遥感定量化的重要前提之一，它可以确保遥感仪器测量到的光谱数据具有高精度、高可靠性和可重复性，从而实现精准的遥感数据处理和应用。光谱定标可以分为两部分内容：建立像元-波长函数以及光谱响应度定标。通常有三种光谱定标方案，其中包括线谱灯光谱定标法、单色准直光光谱定标方法和可调谐激光器光谱定标方法。对于线谱灯有限个特征峰值仅适用于建立波长-像元函数，光谱响应度定标通常采用的是单色准直光光谱定标法以及可调谐激光器光谱定标方法。
3.单色准直光光谱定标方法利用单色仪作为光源可以实现连续的单色光束输出，并且可以获取光谱仪器完整波段的光谱响应分布函数。单色仪是通过色散元件分光的光谱仪器，能够将一束复色光分离出波长带宽极窄的准单色光。根据不同的色散元件将单色仪分为棱镜单色仪以及光栅单色仪两大类。单色仪的光谱曲线定标是借助于波长已知的线谱灯来完成的。光源发出的光均匀地照亮单色仪入射狭缝处，经过棱镜/光栅等分光元件后在二次狭缝处出射，在色散元件的分光作用下，出射狭缝出射的光为准单色光，通过转动色散元件，可以实现光由短波至长波的连续输出。利用单色仪的光谱定标方法不仅能够建立波长与像元之间的对应关系，还可以计算出光谱仪器各通道的光谱响应分布函数。单色仪光谱定标的精度受限于以下因素：
4.a)光源的稳定性决定了谱线的稳定性，影响谱线的位置和强度，从而影响谱线的准确性和精度。
5.b)单色仪的光学系统包括入射狭缝、色散元件、输出狭缝等，光学系统质量会影响光的传输和分离，从而影响谱线的准确性和精度。
6.c)色散元件的色散率影响谱线的分离程度和分辨率，从而影响谱线的准确性和精度。
7.上述原因均影响单色仪定标精度，故不满足高精度光谱定标要求。
8.由于线谱灯在波段范围内仅含有限数量分立的特征谱线，更适用于像元序号与波长关系精确已知的光谱仪器，单色仪能够输出连续单色光，但存在输出能量和波长精度的限制问题。


技术实现要素：

9.本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法及其适用系统。
10.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
11.一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，包括以下步骤：
12.步骤1：建立像元-波长的函数关系；
13.步骤2：建立光谱响应函数。
14.在上述技术方案中，所述步骤1具体包括：利用可调谐固体激光器和/或可调谐液体激光器，进行离散点的波长精定位，调在上述技术方案中，所述步骤1具体包括：
15.利用探测器自带的暗参考列校正暗信号，然后在每个激光器标称波长下，利用响应有效信号随像元变化曲线进行高斯拟合，得到每个激光器标称波长对应的响应中心像元位置。
16.在上述技术方案中，所述步骤2具体包括：利用可调谐半导体激光器进行粗扫描，建立逐像元的光谱响应分布函数，再根据精定位的光谱信息进行波长修正，得到光谱响应函数。
17.在上述技术方案中，所述步骤2具体包括：利用像元-波长函数计算出每个准单色激光的准确波长；利用可调谐激光器标定出的准确波长代替激光器标称波长，完成可调谐激光器输出单色激光的波长校正；
18.对波长校正后的定标数据进行积分时间校正以及得到入射单色光的相对光强校正，得到各像元的响应有效信号随波长的变化的光谱响应分布函数。
19.一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法适用的系统，在光路方向上依次设有：可调谐激光器、积分球、激光消散斑装置、平行光管和光谱辐亮度计；
20.所述可调激光器输出一系列波长精确已知的单色光照明仪器，根据仪器探测器输出信号拟合得到与可调谐激光器波长对应的响应像元的中心位置，通过多项式拟合得到像元位置与波长的关系公式；
21.所述可调谐激光器输出高分辨率的单色倍频光，通过光纤耦合进入所述积分球，所述积分球输出单色激光经所述平行光管准直成平行单色激光；该平行单色激光由所述激光消散斑装置去散斑处理后，经扫描镜进入望远镜系统后均匀照明所述光谱辐亮度计，后经光谱成像系统最终汇聚在探测器焦面上，完成单个激光波长的光谱探测。
22.在上述技术方案中，所述激光消散斑装置包括毛玻璃和积分球振荡电机，通过旋转所述毛玻璃和所述积分球振荡电机振荡所述积分球进行去散斑处理。
23.在上述技术方案中，所述积分球开口位于所述平行光管的焦面处。
24.本发明具有以下有益效果：
25.本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，使用可调谐激光器进行高精度光谱定标。可调谐激光器作为一种理想的单色光谱定标光源，具有窄带宽、高功率、低波长不确定度等优点。本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，采用高精度离散点测量结合广域连续谱扫描的方法，能够实现亚像素级光谱定标，定标精度优于0.005nm。
附图说明
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
27.图1为本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法的步骤流程示意图。
28.图2为标称波长为350nm单色激光入射时仪器的响应曲线示意图。
29.图3为标称波长为450nm单色激光入射时仪器的响应曲线示意图。
30.图4为nt242可调谐激光器标称波长的偏差曲线示意图。
31.图5为探测通道1像元序号为150的光谱响应分布函数示意图。
32.图6为探测通道1像元序号为350的光谱响应分布函数示意图。
33.图7为探测通道2像元序号为150的光谱响应分布函数示意图。
34.图8为探测通道2像元序号为350的光谱响应分布函数示意图。
35.图9为偏振通道像元序号为50的光谱响应分布函数示意图。
36.图10为偏振通道像元序号为150的光谱响应分布函数示意图。
具体实施方式
37.本发明的发明思想为：
38.由高光谱探测仪获得的图像信息记录在探测器像元内，像元波长的函数关系是将已知光源的光谱信息传递给探测器像元，每个像元记录的能量值与光谱响应分布函数有关，每个波段对应一个中心波长以及一定的波段宽度。建立紫外高光谱臭氧廓线探测仪像元波长的函数关系并构建光谱响应分布函数是光谱定标的全部内容。
39.可调谐固体-染料激光器能够输出高稳定性和高准确性的准单色光，不能连续逐像元扫描，故只适用于分立点的高精度波长像元精定标，建立波长像元关系；半导体激光器的输出功率较高，能够实现较宽波长的连续调谐范围，但光谱定位精度不足，因此本发明提出分别利用固体-染料激光器和半导体激光器，采用粗扫描精定位插值验证的方法完成高精度光谱定标的方案。
40.下面结合附图对本发明做以详细说明。
41.在一种具体实施方式中，本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法的定标流程如图1所示。本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，光谱定标主要包括两部分：
42.1)建立像元-波长的函数关系：利用可调谐固体激光器和可调谐液体激光器的高精度及高稳定性等特点，进行大量离散点的波长精定位，调谐建立像元-波长的函数关系；
43.2)建立光谱响应分布函数：利用可调谐半导体激光器高效响应的特点进行粗扫描，建立逐像元的光谱响应分布函数，再根据精定位的光谱信息进行波长修正，进而得到高精度的光谱响应分布函数。
44.本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法适用的系统中，地面波长定标系统以t&d-scan可调谐激光器作为定标光源，谐波经前置耦合光光路，在仪器扫描镜折转后汇聚在入射狭缝时，聚焦光斑直径无法充满仪器的入射狭缝。未充满入射狭缝会使光源在经过仪器色散系统后造成光斑形状不均匀，导致激光器实际输出的准单色光波长与在探测器接收面接收到的波长值之间存在偏差。故地面波长定标装置设计如下，主要由内置波长计的紫外/可见波段t&d-scan可调谐激光器、积分球、激光消散斑装置、平行光管和光谱辐亮度计组成。利用t&d-scan可调激光器输出一系列波长精确已知的单色光照明仪器，根据仪器探测器输出信号拟合得到与可调谐激光器波长对应的响应像元的中心位置，进一步通过多项式拟合得到像元位置(序号)与波长的关系公式。可调谐激光器输出高分辨率的单色倍频光，通过光纤耦合进入积分球，积分球开口位于平行光管的焦面处，积分球输出单色激光经平行光管准直成平行单色激光。由于激光存在散斑现象会导致光谱定标数据的波
动，因此在积分球和平行光管之间增加了激光消散斑装置，激光消散斑装置由旋转毛玻璃和积分球振荡电机组成，通过旋转毛玻璃与所述积分球振荡电机振荡积分球的方法进行去散斑处理。经过激光消散斑装置去散斑处理的平行单色激光经扫描镜进入望远镜系统后均匀照明谱仪狭缝，后经光谱成像系统最终汇聚在探测器焦面上，完成单个激光波长的光谱探测。光谱辐亮度计的作用是标定出准直单色激光光束的相对光谱辐亮度分布，用于消除可调谐激光器系统自身光谱能力分布对光谱定标的影响。
45.在另外的一种具体实施方式中，为了实现高分辨率精细全工作波段的光谱响应分布函数标定，本发明采用立陶宛ekspla公司的nt242可调谐半导体激光器进行扫描，以获取探测器各像元光谱辐射能量分布。nt242可调谐半导体激光器输出单色激光，在290nm～500nm波段的光谱分辨率优于0.08nm，最小波长调节补偿小于0.03nm，波长精度约为0.2nm。nt242可调谐半导体激光器操作简单，更换波段时不需要调节内部元件，只需要通过软件控制即可实现290nm～500nm的波长扫描，利用nt242可调谐半导体激光器软件可控连续扫描的特点可实现光谱响应分布函数粗定标。
46.由于nt242可调谐半导体激光器输出准单色激光的标称波长精度约为0.2nm，故需要对其输出结果重构。首先，利用探测器自带的暗参考列校正暗信号，然后在每个激光器标称波长下，利用响应有效信号随像元变化曲线进行高斯拟合，得到每个激光器标称波长对应的响应中心像元序号。然后，利用像元-波长函数可以计算出每个准单色激光的准确波长。利用t&d-scan可调谐激光器标定出的准确波长代替激光器标称波长，即完成nt242可调谐激光器输出单色激光的波长校正。对波长校正后的定标数据进行积分时间校正以及利用积分球监测探测器得到入射单色光的相对光强校正，即可得到探测器各像元的响应有效信号随波长的变化曲线，即为光谱响应分布函数。
47.在又另外一种具体实施方式中，将本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法用于fy-3(06星)臭氧廓线探测仪，并验证该方法可行。并且在后续测试中，其光谱分辨率、信噪比均有显著提升。典型激光标称波长为350nm和450nm时，紫外高光谱臭氧廓线探测仪探测通道的响应有效信号随像元序号的变化曲线以及拟合结果，如图2和3所示。拟合得到响应中心像元序号分别为258.086和243.006，分别代入探测通道1和探测通道2的光谱定标公式，计算得到准确波长为349.86nm和449.75nm。nt242可调谐激光器在290-500nm波段内的标称波长与计算得到准确波长的差值曲线，如图4所示。最终经过校准后紫外高光谱臭氧廓线探测仪探测通道1、2及偏振通道典型像元的光谱响应分布函数曲线，如图5-10所示。
48.本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，使用可调谐激光器进行高精度光谱定标。可调谐激光器作为一种理想的单色光谱定标光源，具有窄带宽、高功率、低波长不确定度等优点。本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，采用高精度离散点测量结合广域连续谱扫描的方法，能够实现亚像素级光谱定标，定标精度优于0.005nm。
49.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立像元-波长的函数关系；步骤2：建立光谱响应函数。2.根据权利要求1所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：利用可调谐固体激光器和/或可调谐液体激光器，进行离散点的波长精定位，调谐建立像元-波长的函数关系。3.根据权利要求2所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：利用探测器自带的暗参考列校正暗信号，然后在每个激光器标称波长下，利用响应有效信号随像元变化曲线进行高斯拟合，得到每个激光器标称波长对应的响应中心像元位置。4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：利用可调谐半导体激光器进行粗扫描，建立逐像元的光谱响应分布函数，再根据精定位的光谱信息进行波长修正，得到光谱响应函数。5.根据权利要求4所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：利用像元-波长函数计算出每个准单色激光的准确波长；利用可调谐激光器标定出的准确波长代替激光器标称波长，完成可调谐激光器输出单色激光的波长校正；对波长校正后的定标数据进行积分时间校正以及得到入射单色光的相对光强校正，得到各像元的响应有效信号随波长的变化的光谱响应分布函数。6.一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法适用的系统，其特征在于，在光路方向上依次设有：可调谐激光器、积分球、激光消散斑装置、平行光管和光谱辐亮度计；所述可调激光器输出一系列波长精确已知的单色光照明仪器，根据仪器探测器输出信号拟合得到与可调谐激光器波长对应的响应像元的中心位置，通过多项式拟合得到像元位置与波长的关系公式；所述可调谐激光器输出高分辨率的单色倍频光，通过光纤耦合进入所述积分球，所述积分球输出单色激光经所述平行光管准直成平行单色激光；该平行单色激光由所述激光消散斑装置去散斑处理后，经扫描镜进入望远镜系统后均匀照明所述光谱辐亮度计，后经光谱成像系统最终汇聚在探测器焦面上，完成单个激光波长的光谱探测。7.根据权利要求6所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法适用的系统，其特征在于，所述激光消散斑装置包括毛玻璃和积分球振荡电机，通过旋转所述毛玻璃和所述积分球振荡电机振荡所述积分球进行去散斑处理。8.根据权利要求6所述的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法适用的系统，其特征在于，所述积分球开口位于所述平行光管的焦面处。

技术总结
本发明涉及一种基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法及其适用系统，该高精度光谱定标方法包括以下步骤：步骤1：建立像元-波长的函数关系；步骤2：建立光谱响应函数。本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，使用可调谐激光器进行高精度光谱定标。可调谐激光器作为一种理想的单色光谱定标光源，具有窄带宽、高功率、低波长不确定度等优点。本发明的基于双可调谐激光器的高精度光谱定标方法，采用高精度离散点测量结合广域连续谱扫描的方法，能够实现亚像素级光谱定标，定标精度优于0.005nm。于0.005nm。于0.005nm。


技术研发人员：李昊晨 王淑荣 李占峰 黄煜 林冠宇
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/24