李永強(qiáng) 趙占平 王靜怡 張夢(mèng)雨 王雪

?

大動(dòng)態(tài)范圍雙通道相機(jī)的光譜定標(biāo)

李永強(qiáng) 趙占平 王靜怡 張夢(mèng)雨 王雪

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

雙通道相機(jī)采用高亮度探測(cè)通道和低亮度探測(cè)通道動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)大輻亮度動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的成像；光譜定標(biāo)的目的是得到大動(dòng)態(tài)范圍雙通道相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)。文章分析了使用光柵單色儀對(duì)雙通道相機(jī)進(jìn)行光譜定標(biāo)時(shí)存在的問(wèn)題；通過(guò)光譜定標(biāo)光源功率調(diào)整和光譜定標(biāo)光源相對(duì)光譜分布的傳遞測(cè)量，克服了光譜定標(biāo)光源能量、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍、雙通道相機(jī)響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍三者不匹配的問(wèn)題，解決了低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)時(shí)弱單色光信號(hào)標(biāo)定的問(wèn)題；對(duì)光譜定標(biāo)光源的偏振態(tài)進(jìn)行了調(diào)制，減小了測(cè)量光束偏振態(tài)引入的測(cè)試誤差，分別實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)度差異大的兩個(gè)通道的光譜定標(biāo)。

光譜定標(biāo) 大動(dòng)態(tài)范圍 雙通道相機(jī) 光譜響應(yīng) 航天遙感

0 引言

隨著航天光學(xué)遙感技術(shù)的快速發(fā)展和微光增強(qiáng)型圖像傳感器技術(shù)的日益成熟[1-4]，在對(duì)地觀測(cè)方面提出了獲取白天、夜間和晨昏時(shí)刻遙感圖像產(chǎn)品的需求，這就要求光學(xué)遙感器在很大輻亮度范圍內(nèi)具備能清晰成像的能力。為了提高遙感圖像產(chǎn)品的定量化反演精度，需要開展相對(duì)光譜定標(biāo)[5-7]，國(guó)內(nèi)外關(guān)于可探測(cè)微光的大動(dòng)態(tài)范圍光學(xué)遙感器光譜定標(biāo)的文獻(xiàn)較少。

雙通道相機(jī)采用共用鏡頭、分光棱鏡分束的方式分成了低亮度探測(cè)通道和高亮度探測(cè)通道。低亮度探測(cè)通道目標(biāo)輻亮度范圍為1×10–9~1×10–4W/（cm2·sr），高亮度探測(cè)通道目標(biāo)輻亮度動(dòng)態(tài)范圍為2×10–5~ 4×10–2W/（cm2·sr），兩個(gè)探測(cè)通道動(dòng)態(tài)范圍結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)大輻亮度動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的成像。

雙通道相機(jī)成像光路如圖1所示，相機(jī)主要光學(xué)參數(shù)見表1。通過(guò)在鏡頭光學(xué)元件表面鍍分光膜實(shí)現(xiàn)濾光，成像光線經(jīng)分光棱鏡時(shí)，透射通道為低亮度探測(cè)通道，反射通道為高亮度探測(cè)通道，兩個(gè)探測(cè)通道工作光譜范圍均為450~1 000nm。高亮度探測(cè)通道采用線陣CCD作為探測(cè)器，低亮度探測(cè)通道采用面陣型EMCCD器件[8]，并選取EMCCD上與高亮度探測(cè)通道線陣CCD觀測(cè)視場(chǎng)重合的一行像元輸出作為低亮度探測(cè)通道成像[9]。

圖1 雙通道相機(jī)成像光路示意圖

表1 雙通道相機(jī)基本參數(shù)

Tab.1 Specifications of the dual-channel camera

雙通道相機(jī)光譜定標(biāo)的目的在于獲取兩個(gè)探測(cè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)度[10-11]，相機(jī)光譜定標(biāo)要求波長(zhǎng)精度優(yōu)于1nm。雙通道相機(jī)兩個(gè)通道的響應(yīng)度有很大差異，受光譜定標(biāo)光源調(diào)整能力、標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光譜定標(biāo)裝置在相同狀態(tài)下對(duì)兩個(gè)通道開展光譜定標(biāo),采用一般光譜定標(biāo)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高亮度探測(cè)通道的光譜定標(biāo)，但不適用于低亮度探測(cè)通道的光譜定標(biāo)。相機(jī)設(shè)計(jì)的成像光線在分光棱鏡分光面上有45°反射，光譜定標(biāo)光束經(jīng)分光面后偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化[12-13]，當(dāng)光柵單色儀經(jīng)準(zhǔn)直后的測(cè)量光束為橢圓偏振光時(shí)，光譜定標(biāo)中會(huì)引入誤差。因此，在大動(dòng)態(tài)范圍雙通道相機(jī)光譜定標(biāo)時(shí)，須解決低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍匹配和消除光源偏振引入測(cè)試誤差兩個(gè)主要難題[14]。

為提高光譜定標(biāo)精度，得到雙通道相機(jī)兩個(gè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)，本文提出基于相對(duì)光譜分布傳遞和偏振調(diào)制的光譜定標(biāo)方法，通過(guò)試驗(yàn)獲得了雙通道相機(jī)兩個(gè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)。

1 光譜定標(biāo)原理

航天遙感相機(jī)的光譜定標(biāo)一般采用單色光源作為傳遞系統(tǒng)，將被測(cè)相機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度進(jìn)行比較，得到相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度。

首先，采用光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)已知的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器對(duì)單色光發(fā)生裝置各波長(zhǎng)下輸出單色光的光譜輻射量進(jìn)行標(biāo)定，得到單色光的光譜分布；然后，采集大動(dòng)態(tài)范圍雙通道相機(jī)在各單色光輻射情況下的輸出，計(jì)算得到相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度[15-16]。

（1）單色光輻射量的標(biāo)定

在各個(gè)波長(zhǎng)下，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器接收的單色光輻射量e()的計(jì)算公式為

式中c()為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在波長(zhǎng)處的響應(yīng)輸出；c()為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在波長(zhǎng)處的光譜響應(yīng)度。

（2）相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)度測(cè)試

雙通道相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度()通過(guò)下式計(jì)算得到

式中 DN()為雙通道相機(jī)在單色儀輸出中心波長(zhǎng)處的單色輻射響應(yīng)輸出；DN0為雙通道相機(jī)在單色儀無(wú)光輸出時(shí)的響應(yīng)輸出。

根據(jù)式（2）計(jì)算得到遙感器的相對(duì)光譜響應(yīng)度，進(jìn)行歸一化處理可得到相機(jī)的歸一化相對(duì)光譜響應(yīng)度r()[17]，即

2 雙通道相機(jī)的光譜定標(biāo)方法

由于高亮度探測(cè)通道和低亮度探測(cè)通道的響應(yīng)度差異非常大，在相同測(cè)試狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍無(wú)法滿足兩個(gè)通道光譜定標(biāo)要求，因此，兩個(gè)通道的光譜定標(biāo)采取了不同的測(cè)試方法。

2.1 高亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)

高亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)所用測(cè)試裝置如圖2所示。采用輸出功率可控的鹵鎢燈作為測(cè)試光源，光源會(huì)聚于雙光柵單色儀入射狹縫處，經(jīng)單色儀分光后，單色光從單色儀出射狹縫輸出，經(jīng)平行光管后輸出為單色平行光，平行單色光經(jīng)偏振器和1/4波片后轉(zhuǎn)化為圓偏振光，單色光信號(hào)被已知光譜響應(yīng)度的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器接收?？刂茊紊珒x使輸出不同波長(zhǎng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在各波長(zhǎng)下響應(yīng)輸出和校準(zhǔn)已知的相對(duì)光譜響應(yīng)度，可計(jì)算得到單色平行光的相對(duì)光譜分布。

圖2 高亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)光源相對(duì)光譜分布測(cè)試

用待測(cè)雙通道相機(jī)代替標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，使單色平行光聚焦成像于高亮度探測(cè)通道像面，改變單色儀輸出波長(zhǎng)，相機(jī)采集各個(gè)波長(zhǎng)下的圖像數(shù)據(jù)，測(cè)試布局如圖3所示。

2.2 低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)

低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)所用測(cè)試裝置如圖4所示，通過(guò)將光源的供電功率調(diào)低直至單色光滿足低亮度探測(cè)通道測(cè)試需求，由于光源功率很小，為了測(cè)得單色儀輸出的光譜分布，采用將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器直接置于單色儀的出射狹縫處，對(duì)單色儀各輸出波長(zhǎng)下出射狹縫處的單色光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度進(jìn)行歸一化計(jì)算得到單色儀輸出的相對(duì)光譜分布。

圖3 高亮度探測(cè)通道相對(duì)光譜響應(yīng)度測(cè)試

圖4 低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)光源相對(duì)光譜分布的測(cè)試

低亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器置于單色儀的出射狹縫處的優(yōu)點(diǎn)在于：可以最大限度地收集探測(cè)出射狹縫處的光譜輻射功率，獲得更高的信噪比；缺點(diǎn)在于：與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器標(biāo)定單色光源時(shí)的狀態(tài)相比，標(biāo)定相機(jī)時(shí)，相機(jī)與單色儀之間增加了平行光管、偏振片和1/4波片光譜透過(guò)率的影響。為了消除標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器標(biāo)定單色光源的狀態(tài)和與標(biāo)定相機(jī)時(shí)光路狀態(tài)不一致，在光源功率較高時(shí)，測(cè)得平行光管的相對(duì)光譜透過(guò)率，也測(cè)得了偏振片和1/4波片綜合作用的光譜透過(guò)率，在計(jì)算相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)時(shí)將光譜透過(guò)率誤差代入計(jì)算，消除了儀器標(biāo)定狀態(tài)和相機(jī)測(cè)試狀態(tài)不一致的影響。

3 光譜定標(biāo)試驗(yàn)

試驗(yàn)用單色儀采用Gooch & Housego公司的OL750雙光柵單色儀，光柵刻線密度為1 200線/mm，當(dāng)出射狹縫寬度為1.25mm時(shí)，輸出單色光帶寬為2.5nm。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍為108∶1。

在進(jìn)行高亮度探測(cè)通道光譜定標(biāo)時(shí)，由于采用了雙單色儀，在測(cè)試光譜分辨率為2.5nm時(shí)，為了使標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器標(biāo)定時(shí)具有較好的信噪比，使光源工作于額定功率150W附近，以獲得最大的信噪比，并設(shè)置選擇合適的相機(jī)參數(shù)，使動(dòng)態(tài)范圍與光源光譜輻亮度相匹配。光譜定標(biāo)前，采用低壓汞燈對(duì)單色儀波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后單色儀輸出中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)誤差為0.3nm[18-20]。

由于低亮度探測(cè)用器件工作時(shí)通常都具有較大的暗信號(hào)輸出，且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不可避免地存在弱背景光，在測(cè)試過(guò)程中需測(cè)得通道對(duì)實(shí)驗(yàn)室背景光信號(hào)時(shí)的輸出，在數(shù)據(jù)處理時(shí)剔除背景輻射和暗信號(hào)的影響。圖5為測(cè)試得到的雙通道相機(jī)的歸一化相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。

采用低壓汞燈對(duì)單色儀進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了在450~1 000nm光譜范圍波長(zhǎng)精度優(yōu)于0.5nm。

圖5 相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

兩個(gè)通道相對(duì)光譜響應(yīng)曲線不完全相同的主要原因是：分光棱鏡的光譜透射比和光譜反射比在不同波長(zhǎng)位置處是有變化的。由于兩個(gè)通道共用鏡頭并具有相等的棱鏡內(nèi)光程，因此，在一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)兩個(gè)通道的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線波動(dòng)也有一定的相似性。

在進(jìn)行雙通道相機(jī)輻射定標(biāo)時(shí)，在光源相對(duì)光譜分布不完全相同情況下，兩個(gè)通道輸出DN值與入射等效輻亮度之間的響應(yīng)關(guān)系曲線的線性度均優(yōu)于99.9%，驗(yàn)證了相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍觀測(cè)的雙通道相機(jī)光譜定標(biāo)需求，使用基于雙光柵單色儀、消偏、差異化定標(biāo)光路的辦法，在光源和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍有限的情況下，保證了光譜定標(biāo)過(guò)程中用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器標(biāo)定光源和用光源標(biāo)定相機(jī)兩個(gè)過(guò)程的信噪比，獲得了兩個(gè)探測(cè)通道的歸一化相對(duì)光譜響應(yīng)，低亮度探測(cè)通道的光譜定標(biāo)結(jié)果為開展高精度微光輻射定標(biāo)工作打下了基礎(chǔ)。

[1] 周立偉. 關(guān)于微光像增強(qiáng)器的品質(zhì)因數(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2004, 33(4): 331-337.ZHOU Liwei. On Figure of Merit of Low Light Level Image Intensifiers[J]. Infrared and Laser Engineering, 2004, 33(4): 331-337. (in Chinese)

[2] 練敏隆, 王世濤. 基于ICCD的空間微光成像系統(tǒng)成像性能研究[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(3): 6-10.LIAN Minlong, WANG Shitao. Research on the Imaging Performance of Space Low Light Level Imaging System Based on ICCD[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(3): 6-10. (in Chinese)

[3] VEIGNE J L, SZARLAN T, TADTKE N. Calibration of a High Dynamic Range, Low Light Level Visible Source[C]. SPIE Vol.8014, Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing XXII, Orlando, 2011: 801415.

[4] CHANG J H, VYGRANENKO Y, NATHAN A. Two-dimensional Sensor Array for Low-level Light Detection[C]. SPIE Vol.5578, Photonic Applications in Astronomy, Biomedicine, Imaging, Materials Processing, and Education, Ottawa, 2004: 420-427.

[5] 顧行發(fā). 航天光學(xué)遙感器輻射定標(biāo)原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 150-151.GU Xingfa. The Radiometric Calibration Principle and Method of Space Optical Remote Sensor[M]. Beijing: Science Press, 2013: 150-151. (in Chinese)

[6] 陳世平. 空間相機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M]. 北京: 宇航出版社, 2003: 326-328.CHEN Shiping. Design and Test for Space Camera[M]. Beijing: The Astronautics Press, 2003: 326-328. (in Chinese)

[7] 白廷柱, 金偉其. 光電成像原理與技術(shù)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006: 347-350.BAI Tingzhu, JIN Weiqi. Photoelectric Imaging Principle and Technology[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2006: 347-350. (in Chinese)

[8] 安毓英, 曾曉東. 光電探測(cè)原理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004: 45-49.AN Yuying, ZENG Xiaodong. Photoelectric Detection Principle[M]. Xi’an: Xi’an Electronic Science and Technology University Press, 2004: 45-49. (in Chinese)

[9] 卜洪波, 陳瑞明, 張玉貴, 等. 基于電子倍增CCD的微光成像遙感器焦面電路設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(5): 47-54.BO Hongbo, CHEN Ruiming, ZHANG Yugui, et al. Focal Plane Circuit Design Based on Elcetron Multiplying CCD in Remote Sensor for Faint Light Imaging[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(5): 47-54. (in Chinese)

[10] MENDENHALL J A, PARKER A C. Spectral Calibration of the EO-1 Advanced Land Imager[C]. SPIE Vol.3750, Earth Observing Systems IV, Denver, 1999: 109-116.

[11] TEILLET P M, FEDOSEJEVS G, THOME K J. Spectral Band Difference Effects on Radiometric Cross-calibration between Multiple Satellite Sensors in the Landsat Solar-reflective Spectral Domain[C]. SPIE Vol.5570, Sensors, Systems, and Next-generation Satellites VIII, Maspalomas, 2004: 301-316.

[12] 史金輝, 王政平. 消偏振分光棱鏡的設(shè)計(jì)與性能分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(9): 1019-1022.SHI Jinhui, WANG Zhengping. Design and Characteristics Analysis of Non-polarizing Beem Splitters[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2008, 29(9): 1019-1022. (in Chinese)

[13] 姚啟鈞. 光學(xué)教程: 3版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002: 304-370.YAO Qijun. Optical Tutorial: 3rd ed[M]. Beijing: Higher Education Press, 2002: 304-370. (in Chinese)

[14] 康晴, 袁銀麟, 李健軍, 等. 通道式偏振遙感器偏振定標(biāo)方法研究[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 10(4): 343-349.KANG Qing, YUAN Yinlin, LI Jianjun, et al. Polarization Calibration Methods of Channel-Type Polarization Remote Sensor[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2015, 10(4): 343-349. (in Chinese)

[15] 金偉其, 胡威捷. 輻射度、光度與色度及其測(cè)量[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006: 51-65.JIN Weiqi, HU Weijie. Radiometry, Photometry and Chromaticity and Its Measurement[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2006: 51-65. (in Chinese)

[16] SCHOTT J R, GERACE A, RAQUENO N, et al. Calibrating the Landsat 8 Thermal Bands[C]. SPIE Vol.9218, Earth Observing Systems XIX, 2014: 92181A.

[17] 李曉杰, 任建偉, 劉洪興, 等. 面陣CCD光譜響應(yīng)測(cè)試及不確定度評(píng)估[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2014, 51(11): 111200.LI Xiaojie, REN Jianwei, LIU Hongjie, et al. Spectral Response Testing and Uncertainty Evaluation of Plan Array CCD[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(11): 111200. (in Chinese)

[18] DING L, COOPER J W, KOWALEWSKI M G, et al. Characterization of a Double Monochromator[C]. SPIE Vol.7826, Sensors, Systems, and Next-generation Satellites XIV, 2010: 782624.

[19] GRANGER E M. A Calibration Method for Radiometric and Wavelength Calibration of a Spectrometer[C]. SPIE Vol.3648, Device-independent Color Hardcopy and Graphic Arts IV, 1998: 237.

[20] MOUROULIS P, GREEN R O. Spectral Response Evaluation and Computation for Pushroom Imaging Spectrometers[C]. SPIE Vol.6667, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering VIII, 2007: 66670G.

（編輯：王麗霞）

Spectral Calibration of Large Dynamic Range Dual-channel Camera

LI Yongqiang ZHAO Zhanping WANG Jingyi ZHANG Mengyu WANG Xue

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The dual-channel camera includes two channels which are named as high-light-level detecting channel and low-light-level detecting channel. By combining the dynamic ranges of the two detecting channels, the image can be obtained for the scenes with a large dynamic range of radiance. The purpose of spectral calibration of the dual-channel camera is to acquire the relative spectral response. The problem for spectral calibration of the dual-channel camera with a grating monochromator was analyzed in this paper. The mismatch of dynamic ranges among the power of spectral calibration source, the response of the standard detector and the response of the dual-channel camera was resolved, then the spectral distribution of light source for spectral calibration of the low-light-level detecting channel was obtained. The error induced by polarization of the source was reduced by changing polarization state of beam. The spectral calibration was achieved for the two channels with large response difference.

spectral calibration; large dynamic range; dual-channel camera; spectral response; space remote sensing

TB96

A

1009-8518(2017)05-0044-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.05.006

李永強(qiáng)，男，1979年生，2014年獲西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器的系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)。E-mail：99yongqiang@163.com。

2017-04-18

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程