星載成像光譜儀雜散光檢測技術(shù)

張軍強(qiáng)，吳清文，顏昌翔

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

星載成像光譜儀雜散光檢測技術(shù)

張軍強(qiáng)1，2，吳清文1，顏昌翔1

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)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(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，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(shù)法、級數(shù)透過率法、氧氣吸收光譜及參數(shù)擬合法、卷積計(jì)算法和矩陣修正法等7種光譜儀器雜散光檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比，給出了星載成像光譜儀雜散光檢測技術(shù)的具體要求和發(fā)展趨勢，認(rèn)為單一的檢測技術(shù)很難滿足工程研制的實(shí)際需要，針對各研制階段的組合檢測技術(shù)將是星載成像光譜儀雜光檢測的發(fā)展方向。

雜散光；雜散光檢測；成像光譜儀

1 引 言

近年來，高質(zhì)量的遙感圖像在軍事、地質(zhì)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，人們對直接影響遙感儀器成像質(zhì)量的雜散光也進(jìn)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(jié)［1～3］，史蒂芬等人對地基天文望遠(yuǎn)系統(tǒng)的雜散光抑制方法進(jìn)行了研究［4］，美國在深空探索望遠(yuǎn)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(jìn)行了研究，并提出經(jīng)典的“黑體法”測量望遠(yuǎn)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(shù)值模擬［8，9］，史光輝、鐘興、李欣耀等人則對消雜散光措施進(jìn)行了詳細(xì)研究［10～12］。

當(dāng)前，國內(nèi)對光學(xué)遙感儀器的雜散光研究主要集中在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，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(jì)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(nèi)尚少有報(bào)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(gè)重要的課題進(jìn)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(shí)現(xiàn)了雜散光的實(shí)時(shí)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(diǎn)由雜散光測量轉(zhuǎn)向雜散光分析，雜散光測量僅作為最終設(shè)計(jì)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(tǒng)一，雜散光測量作為雜散光修正的前提和基礎(chǔ)，日益凸現(xiàn)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(shí)達(dá)到高分辨、大視場和較低的體積和重量，望遠(yuǎn)鏡采用非球面主鏡、次鏡和第三鏡構(gòu)成離軸非球面三反射鏡系統(tǒng)（Three-mirror Anastigmat，TMA），光譜儀采用的非球面準(zhǔn)直鏡和成像鏡也構(gòu)成離軸非球面系統(tǒng)，光譜儀的色散元件為復(fù)合棱鏡。

圖1 超光譜成像儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)

光譜儀器的雜散光大小與入射光源和探測器有關(guān)，通常用雜散光系數(shù)表示光譜儀器的雜散光水平，即在光譜儀標(biāo)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(biāo)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(xué)系統(tǒng)采用復(fù)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(dú)立設(shè)計(jì)的入射狹縫有效避免了光線相混現(xiàn)象，也大大降低了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)雜散光對光譜儀系統(tǒng)的影響。光譜儀雜散光的來源主要有以下兩個(gè)方面：

1）反射鏡、棱鏡等光學(xué)器件表面灰塵及缺陷引起的雜散光；

2）框架內(nèi)壁、反射鏡邊緣的反射引起的雜散光。

光譜儀的雜散光會(huì)造成一定的背景，降低系統(tǒng)信噪比，直接導(dǎo)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(jì)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(fā)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(guān)于光譜儀器雜散光的檢測，人們已經(jīng)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(shù)透過率法［22］、卷積計(jì)算法［23］等早已應(yīng)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(nèi)，譜雜散光系數(shù)法［14］、光學(xué)玻璃截止濾光片法［15］、氧氣吸收光譜及參數(shù)擬合法［24］等也被應(yīng)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(nèi)外均有學(xué)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(jìn)行測量，并與不加濾光片時(shí)的測量結(jié)果比較，再由其光譜透過率值計(jì)算雜散光。

截止濾光片法的優(yōu)點(diǎn)是檢測設(shè)備簡單、效率高，適合光譜儀器裝調(diào)的過程檢測。但是，由于只能檢測截止濾光片起始波長一側(cè)的雜散光，另一側(cè)的雜散光沒有檢測出來，所以檢測結(jié)果較實(shí)際值小，且與光源特性有關(guān)。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(yīng)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(jìn)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(jīng)過光譜儀器后的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，能真實(shí)反映儀器雜散光特性，后來還被廣泛應(yīng)用于光譜儀器的光譜標(biāo)定領(lǐng)域。但是，這種方法需要較強(qiáng)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(shù)法

禹秉熙在90年代初提出了用譜雜散光系數(shù)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(chǎn)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(zhuǎn)換放大系數(shù)，R（λ）為探測器的光譜響應(yīng)，△λ為帶寬，τj（λ）為標(biāo)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(biāo)稱波長上的光譜透過率，即譜雜散光系數(shù)：

譜雜散光系數(shù)法的檢測結(jié)果與光源、探測器等測試條件無關(guān)，能較真實(shí)地描述儀器的雜散光特性，但是操作較復(fù)雜，應(yīng)用也不夠簡便。

3.4 級數(shù)透過率法

級數(shù)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(shù)，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(jì)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(guān)系：

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

由Ti+1和Ti的線性關(guān)系，通過直線的斜率和截距即可得到S。

由于級數(shù)透過率法要使用不同濃度的溶液進(jìn)行檢測，溶液濃度準(zhǔn)確性直接影響檢測結(jié)果。此外，溶液也有污染光學(xué)器件的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 氧氣吸收光譜及參數(shù)擬合法

氧氣吸收光譜及參數(shù)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(dāng)單色儀輸出的“單色光”入射到充滿氧氣的吸收室時(shí)，測得的氧氣的透過率并不滿足Beer定律，此時(shí)氧氣的透過率T與吸收系數(shù)和雜散光的關(guān)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(shù)，Θ為氣體的絕對溫度，p為氣體的壓強(qiáng)，l為氣體的幾何吸收長度，S為雜散光。

當(dāng)改變吸收室中氧氣的壓強(qiáng)p時(shí)，同時(shí)測出氧氣的透過率T，即可得到：

式中，n為測量次數(shù)。

采用參數(shù)擬合的方法求S和μ，利用LMF算法求解：

S和μ為最小值時(shí)的S即為雜散光。

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

3.6 卷積計(jì)算法

卷積計(jì)算法的基本原理是通過卷積計(jì)算求解單色儀的雜散光。若把離開標(biāo)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(shù)，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(xiàn)（λ，λ′）為單色儀的儀器函數(shù)，λ′為單色儀標(biāo)稱的波長，λ1、λ2為光源發(fā)出光的波段范圍。

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

卷積計(jì)算法對于檢測確定光源的單色儀雜散光有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是由于其檢測結(jié)果與光源、探測器等有關(guān)，不能獨(dú)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(shí)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(yīng)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(jié)果進(jìn)行修正。

矩陣修正法的優(yōu)點(diǎn)是能在檢測雜散光的同時(shí)對測量結(jié)果進(jìn)行修正，提高光譜儀器的光譜分辨率；但這種方法需要較強(qiáng)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(diào)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)有雜散光檢測技術(shù)研究和某星載成像光譜儀研制的工程實(shí)踐表明，星載成像光譜儀雜散光檢測方法應(yīng)滿足以下條件：

1）雜散光檢測方法應(yīng)滿足儀器裝調(diào)過程中雜散光檢測的需要。在儀器裝調(diào)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)過程中進(jìn)行，在儀器裝調(diào)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(jìn)行修正。

3）任何雜散光檢測方法都應(yīng)滿足檢測設(shè)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(yīng)用范圍。

4）描述雜散光的物理量應(yīng)能獨(dú)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(jié)果，這是星載成像光譜儀雜散光檢測的本質(zhì)要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，雖然人們對光譜儀器的雜散光檢測技術(shù)進(jìn)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(fā)展，雜散光檢測技術(shù)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(shù)將很難滿足工程研制的實(shí)際需要，針對各個(gè)研制階段的組合檢測技術(shù)必將成為此類成像光譜儀雜散光檢測的發(fā)展趨勢。

［1］ROBERT PB.Problems and techniques in stray radiation suppression［J］.SPIE，1977，107：1-2.

［2］ROBERT PB.Current technology of stray light［J］.SPIE，1986，675：2-12.

［3］ROBERT PB.Stray light technology overview of the 1980 decade（and a peek into the future）［J］.SPIE，1990，1331：2-3.

［4］STEPHEN M P.A stray light analysis of the apache point observatory 3.5-meter telescope system［J］.SPIE，2003，4842：128-138.

［5］LAMPTONFM，AKERLOFB C，ALDERINGA G，et al..SNAP telescope［J］.SPIE，2002，4849：215-226.

［6］SHOLLM J，GROCHOCKIF S，F(xiàn)LEMING JC，et al..Stray light design and analysis of the SNAP telescope［J］.SPIE，2007，6675：66750C/1-66750C/12.

［7］劉瑞祥.雜光系數(shù)及其測量［J］.光學(xué)精密工程，1977，（5）：11-16.LIU R X.Stray light factors and itsmeasurement［J］.Opt.Precision Eng.，1977，（5）：11-16.（in Chinese）

［8］王平陽，夏新林，談和平，等.CCD相機(jī)的雜散光模擬計(jì)算與分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31（5）：55-59.

WANG PY，XIA X L，TAN H P，et al..Simulation and analysis of stray light in CCD camera［J］.J.Harbin Institute Technol.，1999，31（5）：55-59.（in Chinese）

［9］李婷，楊劍鋒，阮萍，等.月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡（LOT）的雜散光分析［J］.光子學(xué)報(bào)，2007，36，137-142.

LIT，YANG JF，RUAN P，et al..Stray light analysis of the lunar-based optical telescope［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36：137-142.（in Chinese）

［10］史光輝.消除卡塞格林系統(tǒng)雜光的措施［J］.光學(xué)精密工程，1997，5（5）：10-16.

SHIG H.Methods preventing stray light emergences in Cassegrain systems［J］.Opt.Precision Eng.，1997，5（5）：10-16.（in Chinese）

［11］鐘興，張雷，金光.反射光學(xué)系統(tǒng)雜散光的消除［J］.紅外與激光工程，2008，37（2）：316-318.

ZHONG X，ZHANG L，JIN G.Stray light removing of reflective optical system［J］.Infrared and Laser Eng.，1997，37（2）：316-318.（in Chinese）

［12］李欣耀，原育凱，裴云天，等.風(fēng)云二號掃描輻射計(jì)可見雜光分析與抑制［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（12）：1605-1608.

LIX Y，YUAN Y K，PEIY T，et al..Analyzing and suppressing visible stray light of scanning radiometer for FY-2 meteorological satellite［J］.Sci.Technol.and Eng.，2006，6（12）：1605-1608.（in Chinese）

［13］郝云彩，肖淑琴，王麗霞.星載光學(xué)遙感器消雜光技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國空間科學(xué)技術(shù)，1995，3：40-50.

HAO Y C，XIAO SH Q，WANG L X.Status and development of stray light elimination technology for space borne optical sensors［J］.Chinese Space Sci.and Technol.，1995，3：40-50.（in Chinese）

［14］禹秉熙.單色儀的雜光及其測量［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，1991，16（3）：177-180.

YU B X.The stray light inmonochromator and itsmeasurement［J］.Acta Metrologica Sinica，1991，12（3）：177-180.（in Chinese）

［15］于洵，候西旗.非單色光譜儀雜散光分析和測量［J］.應(yīng)用光學(xué)，1991，12（5）：53-56.

YU X，HOU X Q.Analysis andmeasurementof stray light in non-monochromatic spectrometer［J］.Appl.Opt.，1991，12（5）：53-56.（in Chinese）

［16］CUTTER M A，LOBB D R，WILLIAMST L，et al..Integration＆testing of the Compact High-Resolution Imaging Spectrometer（CHRIS）［J］.SPIE，1999，3753：180-191.

［17］STUFFLER T，KAUFMANNB C，HOFEREA S，et al..The EnMAP hyperspectral imager-an advanced optical payload for future applications in earth observation programmers［J］.Acta Astronaut.，2007，61：115-120.

［18］ZONG Y Q，STEVENW B，JOHNSON BC，et al..Correction of stray light in spectrographs：implications for remote sensing［J］.SPIE，2005，5882：588201-588208.

［19］汪逸群，顏昌翔，苗春安.星載高分辨率超光譜成像儀分光方式的選擇［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2（4）：304-308.

WANG Y Q，YAN CH X，MIAO CH A.Choice of spectral-splitting modes in space-borne hyper-spectral imager［J］.Chinese J.Opt.and Appl.Opt.，2009，2（4）：304-308.（in Chinese）

［20］MIELENZ K D，WEIDNER V R，BURKE RW.Heterochromatic stray light in UV absorption spectrometry［J］.Appl.Opt.，1982，21（18）：3354-3356.

［21］TARRANT AW S.Optical techniques for studying stray light in spectrophotometers［J］.J.Mod.Optic，1978，25（12）：1167-1174.

［22］MIRANDA C，CONTE P.Stray light in absorption spectrophotometryⅢa survey ofmethod for evaluating stray light level and stray light corrections［J］.Appl.Spectrosc.，1971，（25）：557-563.

［23］KAYEW.Stray Radiation in Spectrophotometers［M］.Califermia American Laboratory，1983.

［24］陳之宜.單色儀雜散光的一種測量方法［J］.湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15（3）：66-68.

CHEN ZH Y.Measuring the stray light in monochromator［J］.J.Hubei Polytechnic University，2000，15（3）：66-68.（in Chinese）

Stray lightmeasurement technologies for space-borne imaging spectrometer

ZHANG Jun-qiang1，2，WU Qing-wen1，YAN Chang-xiang1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine 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(yù)研基金資助項(xiàng)目（No.O5001SA050）

張軍強(qiáng)（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(xué)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(xué)遙感技術(shù)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(dǎo)師，研究員，主要從事光學(xué)精密儀器CAD/CAE和空間光學(xué)遙感器熱控技術(shù)等方面的研究。E-mail：wuqw＠ciomp.ac.cn