凸面光栅成像光谱仪的光谱定标

　　1　引　言

　　凸面光栅成像光谱仪采用基于Offner同心结构的离轴叁反式凸面光栅色散结构，该结构由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成，所有光学表面均为反射球面且所有球面的球心为同一点[1]。与传统成像光谱仪相比，同心系统使凸面光栅成像光谱仪具有谱线弯曲和色畸变小、无像散、结构简单、无移动部件等优点[2-3]，这种前沿技术在军事侦察、资源勘查、自然灾害监控、环境污染评估、医学诊断治疗等诸多领域具有广阔的应用前景[4-7]。近年来，随着光栅制造技术的发展以及凸面光栅制造工艺不断提升，凸面光栅成像光谱仪已经从最初的理 论研究 逐渐走向实 际应用[8-11]。

　　凸面光栅成像光谱仪的定标是确定其探测单元输出数字量与其接收到的电磁波信号间定量关系的过程。定标为不同遥感仪器在不同时间、不同地点测得的成像光谱数据提供统一的参照，是对成像光谱数据进行定量化分析的前提。凸面光栅成像光谱仪的定标包括光谱定标和辐射定标，其中光谱定标是确定系统光谱特性指标的重要手段，是系统进行辐射定标的前提，也是提高成像光谱测量数据可信度的重要依据。

　　常用的光谱定标方法主要有标准谱线法和单色准直光定标法。标准谱线法利用汞灯、钠灯等标准灯的发射谱线对仪器进行标定，具有结构简单、易操作的优点，但标准谱线法只能实现光谱分辨率较高且线性色散仪器的中心波长标定，不能对光谱带宽进行标定。单色准直光定标法利用连续输出的单色准直光作为定标光源对仪器的光谱响应进行标定，该方法可同时实现宽光谱范围的中心波长和光谱分辨率的标定，具有定标精度高，实用性强的优点。单色准直光定标法弥补了传统标准谱线定标法不能进行光谱带宽标定的不足，目前国内外典型的成像光谱仪如AVIRS、MO-DIS、Hyperion、COMPASS、OMIS、PHI以 及FISS等，均采用该方法进行光谱定标[12-18]。

　　为了对自主研制的凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标，本文设计了由单色仪和平行光管组成的单色准直光定标系统，利用该系统对凸面光栅成像光谱仪进行了光谱定标，并对光谱定标数据进行了分析处理。结果表明：该定标系统具有较高定标精度，能够满足实际的定标要求，检测的凸面光栅成像光谱仪的光谱分辨率、光谱范围等光谱特性指标均优于设计值要求。

　　2　系统组成及光谱定标塬理

　　2.1　凸面光栅成像光谱仪的基本塬理

　　凸面光栅成像光谱仪由前置望远光学系统和凸面光栅分光系统两部分组成，这两部分通过狭缝有机连结。图1所示为凸面光栅成像光谱仪进行遥感探测地物目标的塬理图。太阳光经目标表面反射后进入前置望远光学系统，前置系统将目标成像在狭缝上;狭缝像经分光系统分光后在面阵探测器上形成一系列的光谱像，即一维空间信息及一维光谱信息，再经空间维推扫得到另一维空间信息，形成叁维的数据立方体，数据立方包括二维空间信息(x，y)和一维光谱信息(λ)，对于空间维中的任意一点，均能沿光谱维提取出完整的光谱曲线，用于对目标成分进行分析识别。