长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

袁小春，杨智雄，余春超，郑为建，雷正刚，严 敏

长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

袁小春，杨智雄，余春超，郑为建，雷正刚，严 敏

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术，对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。采用自行研制长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置（简称CHIPED-I）进行验证，用黑体对实验装置进行了两点线性定标，将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱，采用亮温法算出标定后的亮温光谱。结果表明，这种辐射定标方法用于长波红外高光谱成像光谱仪方法可行，这对进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义。

长波红外；高光谱成像光谱仪；线性定标；黑体辐射；亮温法

0 引言

长波红外高光谱成像光谱技术是20世纪80年代兴起的光谱学方法，目前，它已经被应用于化工、石油、地质、环境、煤炭、农业、医药、气象、空间技术等领域，并在各领域的科研，教学与生产中发挥重大作用[1-3]。长波红外高光谱成像光谱仪已经成为这些领域的一个重要工具。本文着重介绍长波红外高光谱成像光谱仪辐射定标方法。

长波红外高光谱成像光谱仪探测器应用最小二乘法进行多点定标[4]。本文给出了线性定标具体算法，并且应用已研制的实验装置（CHIPED-I）测试黑体在几种不同温度下的辐射谱，用其中的一个特定温度下的辐射谱来检验定标结果。

1 长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

图1是本团队设计的长波红外时空调制高光谱成像实验装置CHIPED-I框图。红外探测器采用了320×256面阵甚长波（7.7～11.5mm）光伏探测器组件，由集成式斯特林制冷机进行低温制冷，红外视频图像通过Camerlink数字接口导入数据处理计算机。

按照定标时所采用的采样点数来划分[5-6]，可分为两点定标和多点定标；按照标定系统的响应函数来划分，可分为线性定标和非线性定标[7-9]。对于长波红外高光谱成像光谱仪，本文中采用CI公司的SR800-R面源黑体进行实验室两点线性定标。如图2所示为实验室辐射定标原理图。为减少空气中水分和二氧化碳的吸收，将黑体放置在摆镜前端，通过调节控温黑体来定标。图3为采集到的干涉图。

对于长波红外高光谱成像光谱仪，本文采用两点定标方法。算法如下：

理想黑体的辐射亮度由Planck函数给出：

式中：()是光谱辐射亮度，W×cm－2×sr－2×cm；是波数，cm－1；是绝对温度，K；1是第一辐射常数，1＝1.191×10－12W×cm2×sr－1；2是第二辐射常数，2＝1.439×104K×mm。式(1)是Planck函数用波数表达的形式，用波长表示的形式为：

式中：()是光谱辐射亮度，W×cm－2×sr－1mm－1；是波长，mm。

探测器的辐射功率包括目标辐射功率和仪器自身热辐射两部分。

一个带标定的测量值可表示为：

Measured()＝()Source()＋Stray() (3)

式中：Measured()是光谱仪测量的原始光谱值；Source()是目标光谱辐射亮度；()是仪器的相应函数；Stray()是仪器内自身热辐射引起的辐射偏置量。

从式(3)中，想要求出响应函数()和辐射偏置量Stray()，至少需要在两个温度下进行测量，即高温黑体测量和低温黑体测量。两次测量得到的光谱值为：

图2 辐射定标原理图

图3 采集到干涉图

由(4)和(5)式，则有响应函数()和辐射偏置量Stray()。

标定后的目标光谱辐射亮度为：

标定后的亮温光谱BT如下式（单位K）：

2 实验与数据处理

我们使用本实验室自行研制出的长波红外高光谱成像光谱仪（GPTC-Ⅰ）探测不同温度时的黑体辐射谱。实验所用制冷型MCT长波红外探测器的响应波段1075～1298cm－1，对应波长为7.7～9.3mm，焦平面为320×256。实验中分别测量了温度为35℃、65℃时的黑体相对强度谱，如图4所示。

图4 35℃和65℃的黑体辐射实测谱

使用35℃和65℃时的实测光谱分别作为低温黑体辐射谱和高温黑体辐射谱，对长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置进行两点线性定标，如图4所示。并由式(7)和(8)计算仪器的响应函数()和辐射偏置Stray()，如图5所示。由式(9)得出标定后的实验室背景辐射亮度谱和实验室背景下乙醚的辐射亮度谱，如图6所示。通过标定得到65℃黑体辐射亮度谱和65℃黑体背景下聚丙烯时的辐射亮度谱，如图7所示。

从图6和图7中可得，分别是实验室背景下乙醚的辐射亮度谱和65℃黑体背景下聚丙烯的辐射亮度谱。并由式(10)中亮温法解算出亮温谱。如图8所示，在室温下，德国BRUKER OPAG33傅里叶红外光谱仪所测得乙醚亮温谱与CHIPED-I所测得乙醚亮温谱相符合。同时如图9所示，在65℃黑体下，德国BRUKER OPAG33傅里叶红外光谱仪所测得聚丙烯亮温谱与CHIPED-I所测得聚丙烯亮温谱相符合。

结果表明，由本实验室已研制出的长波红外高光谱成像光谱仪所测得乙醚和聚丙烯的特征峰辐射亮度谱和辐射亮温谱与德国BRUKER OPAG33所测得的乙醚和聚丙烯特征峰差谱能够很好地吻合。

3 结果和讨论

从上述实验结果可以表明，通过两点线性定标法，可以有效地把已研制的长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置探测到的数据反演到具有实际物理意义的绝对辐射亮度谱，定标后的结果与德国BRUKER OPAG33测得的结果吻合得好。这对于进一步分析遥测气体具有实际意义。

图5 仪器的响应函数K(n)和辐射偏置MStray(n)

图6 实验室背景下室温辐射亮度和乙醚的辐射亮度

图7 测得65℃黑体下聚丙烯的辐亮度

图8 实验室下德国BRUKER OPAG33和CHIPED-I分别所测得乙醚的等效辐射亮温谱

图9 65℃黑体背景下德国BRUKER OPAG33和CHIPED-I 分别所测得乙醚的等效辐射亮温谱

[1] 吴谨光. 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用[M]. 北京: 科学技术文献出版社, 1994.

[2] 尤晓明, 李志豪, 郑为建. 被动红外技术用于易制毒化学品蒸气团的探测[J]. 红外技术, 2011, 33(11): 674-677.

[3] Otsu N. A threshold selection method from gray-level histogram[J].,,, 1979, 9(1): 62-66.

[4] 连晨舟, 吕子安, 季春生, 等. 一种标定新方法在FTIR定量分析中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2006, 26(3): 430-433.

[5] Efros A A, Leung T K. Text tire synthesis by nonparametric sampling[C] //, IEEE Press, 1999: 1033-1038.

[6] Revercomb H E, Buijs H, Howell H B. Radiometric calibration of IR Fourier transform spectrometers: Solution to a problem with the high-resolution interferometer sounder[J]., 1988, 27(15): 3210-3218.

[7] Villemaire A, Chamberland M, Giroux J. Radiometric calibration of FT-IR remote sensing instrument[C]//II, 1997, 3082: 83-91.

[8] 殷世民, 应小凡, 陈洪波, 等. 傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性在线定标与校正研究[J]. 红外技术, 2014, 36(7): 567-572.

[9] 高志良. 高光谱成像仪等效焦面装调模组设计[J]. 中国光学, 2014, 7(4): 644-650.

Study of Radiation Calibration for LWIR Hyperspectral Imager Spectrometer

YUAN Xiao-chun，YANG Zhi-xiong，YU Chun-chao，ZHENG Wei-jian，LEI Zheng-gang，YAN Min

（,650223,）

Infrared radiometric calibration is of critical importance for information quantification of remote sensing of environment in infrared spectrum. In the quantitative analysis, the calibration of the measured spectra is very imporant. LWIR Interferometric Hyperspectral imager Spectrometer Prototype（CHIPED- I） is developed for studying Radiation Calibration. Two-point linear calibration method is carried out for the spectrometer by using blackbody respectively. Firstly, relative intensity is converted to the absolute radiation lightness of the object. Then,radiation intensity of the object is converted into the brightness temperature spectrum by the method of brightness temperature. The result indicats that such method of Radiation Calibration calibration is very good，which is of significance to the further analysis of atmospheric transmission and the retrieval of the concentration of infrared active gas in atmosphere.

LWIR，hyperspectral imageing spectrometer，linear calibration，blackbody radiation，brightness temperature

TH744.1

A

1001-8891(2015)05-0431-04

2014-10-24；

2015-02-13.

袁小春（1980-），男，高级工程师，主要从事光谱技术及电路设计。E-mail：yuan981111@163.com。