夜晚天空光谱辐射测量研究及光谱去噪分析

， 定 的影 响 。 １ ●一
此 ，得种 环境 下夜 天光的光谱测 量很 难 ， 本 作采
Ｊ 体 秋 的制 冷式 的 Ｃ Ｄ光纤 光谱仪 ，仅埘 尤城 市灯 光影 Ｉ Ｈ＇ Ｃ
响的川 不 晴朗艰 的夜火光 谱辐射进行 测 。同时，仪 ＿ １ Ｉ 人
光 常 微 弱 ，兀 川 晴 朗 足 的 照 度 仪 为 ｌ ｌ，光 信 号会 被 ０ ｘ 光 子 噪声 、热 噪 声 等 噪 声 淹 没 ， 以 为 ｒ业 进 一 步 消 除 噪 声 所
数 ， 据 转 化 函 数 ＿ Ａ 用 来 将 仪 器 的 Ａ／ 计‘ 值 数 ， ） （ Ｄ 数 函数 ， 要 一 个 已知 输 出的 光 谱 辐 亮 度 标 准 光 源 。 需 Ｃ ｕｔ ｏ ｎ 值 转 化 为 光 谱 辐 亮 度 （ ｗ／ｍ。ｓ／ ｍ） ｔ ｃ ／ｒｎ 。为 了能 够 计 算 转 化 ｔ
ｌ ０ ０ ０ ０ ０ ５ １ ０ ｌ ５ ２ ０ ２ ５ ３ Ｏ ３ ５ Ｌｕ ｉ ａ ｃ ￣ ｍ ｎ ｎ ｅＩ ｘ
由于每个 Ｃ Ｄ像元 的暗 电流值 存 在差 异 ，而且 暗 电流 Ｃ 值随积分 时间的不同而不 同，所以我们测量光谱 时不能 采用 周定的暗 电流值 ，而必 须 在每 次测 量 前先 进行 暗 电 流的 扣 除 。 果暗电流 的扣除采用从原始 光谱 数据 中减 去平均 暗电 如 流值来扣除会产生一定 的误 差 。冈此光谱 暗电流 的扣除应采
文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３６ ／．ｓｎ １０ —５ ３ ２ １ ）６１ ５—４ Ｏ ：１． ９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—４ ６０ ｓ
中 图分 类 号 ： ９ ＴＢ ６
对光谱 的影响 ，采用移 动平滑 、 Ｇ卷积平 滑 、 咀叶变换 傅
滤波小波变换滤波等滤波方法对所测夜灭光光谱数据进行厶
空辐射光 进行数据 采集 时 常采用 不 同的积 分时 间 ，冈此 ， 在 对测 量的数据进行归一化 时 ， 就必须 明确 光谱仪 的线 性特 性 。同时 ， 实际夜天空 的环境 照度远远 低于 实验室定标 ， 的 １ ｜
当用 标定灯作 为光 源进 行 标定 时 ，保存 获得 的 Ａ Ｄ计 ／ 数值 后 ， 就得到了 Ａ Ｄ计 数值 和辐亮度 （ｔ ｃ ／ｒｎ 之 ／ ｒ ｍｚ ｓ／ｍ） ｗ／ 间的转化关 系 ， 转化函数表示为
分时 闸。
Ｉ ｔｇ ａｉ ｎｔｍ ｅｍ ｓ ｎ ｅ ｒ ｔ ｉ ／ ｏ
按 以 Ｉ 理 完 成 光 谱辐 亮 度 定 标 后 ，对 标 准 光 源 的 光 谱 ： 原 辐 亮 度 进 行 了测 试 ， 最 曲 线 和 标 准 ｄ 线 如 ４所 永 。町看 测 ｎ
端 而 『 心 ， 节 积分 时 问 从 ０ ｌ ０ 以 ｉ ０ｍｓ 间 隔 记 Ｉ 】 调 ～ ０ｍｓ ８ ０ 为
其 中 ， 为 标 准灯 在 波 长 为 时 的光 谱辐亮 度 位 （ｗ／ｒ＇ ｓ Ｓ ｔ ｃ２ ｒ ， ｎ／ ／ ｎ ， ｍ） 为仪 器 测 量 标 准 灯 时 在 波 长 』 的 Ａ Ｄ 计‘ 值 ，ｎ － ／ 数 ａ
为关闭标准灯时在波长 ＿测 的暗背景 Ａ Ｄ计数仇。 Ｌ ／ 当用光谱仪 测 量其他 光 源 时，符 波 长 ｝ ： 测得 的 Ａ／ Ｄ 计数值为 ，当关 闭光 源时 ，波 长 ｌ测得 的 暗背景 Ａ／ ＿ Ｉ Ｄ 计数值 为 ， 则被测光源 的光谱辐射亮度 Ｐ（） ／ ／ｍｅ ｓ／ Ａ （ｗ ｃ ／ｒ ￣
如果在辐亮度定标 时和实 际使用时 的积分 时问 一 样 ， 那 么 ， 以 上 方 程 中需 要 乘 』一 个 子 来 补 偿 筹 ，该 子 在 二
可 表 示 为
一
等
（ ３ ）
其 ｆ， 和 ｆ ｆ 】 分别为测 标准光源和样 本光 源时所 没定 的
０ ５ ０ ０ １０ ０ ０ １５ ０ ０ ２０ ０ ０
卒 『ｌ 人 光 的 主 要 来 源 足 光 和 大 气 辉 光 ， 阴 灭情 ｛ ｌ 彼 在 况 下 ，ｆ 于 受 大 中 物质 微粒 的 影 响 ，到 达 地 面 的 夜 天 光 与 ｝ １ ‘ 朗 仪 的夜 人 光 会 有 所 不 同 ；在 城 市环 境 中 ，仅 天 光 的 组
噪预处理 。
仪 问成像 系统 如微 光像增 强器 、Ｓ— Ｃ ｉ Ｄ成像 器件 等实 Ｃ
际 Ｉ 照 明光 源 的夜 灭 光 光 谱分 布 标 准 光 源 光 谱 分 布 差 异 ： 作
１ 便携式光谱仪实验室定标
野外夜天空光 谱测 量要求光 谱仪具有 灵敏度 离、光 谱响 应宽 、操作 简单 、 易于携带等特点 ，随着 Ｃ Ｄ阵列探 测器技 Ｃ 术、光纤技 术 、 光栅技术等的发腱 Ｃ Ｄ光纤光 谱仪 达 到实 Ｃ 厢化 水平 ，本 ＿作 选川具 ＿ 高 敏度的热 电制冷 式 Ｃ Ｄ光 ｌ ｒ 仃 Ｃ
（） １
标 准光源的照度 ，只有 良好的线性特性 能 保证测 量结果 的
准 确 呵靠 。
分别对光潜仪积分 时问 、 光源照度 与输 出计数值 的线性 关 系进行 ｌ测试 。 『 标定 中 ， 用有 可凋光 阑的积分 球光源 作为 标 准光源 ， 定好光纤并 让光纤输入端对准 积分球光源 输 出
纤 光 谱 仪 进 行 实 际仪 １ 光 谱辐 射 测 最 。 人
１１ 结 构 及 工 作 原 理 ．
较 大 ，｝于光 电探测器的光谱响应度上 照 明光 源的光谱 匹配 ｛ ｊ ｊ ／ ¨而导敛夜 问成像 系统的分辨力 、亮度增 等 性能参数实 ｆ 验窜测 精 野外 实测存 在一定 的差距 。为 ｒ定量 地研究这种 ｊ 误蔗 ， 作为 中目计幂科学研究院“ 光夜 视仪校准装 置” 微 的研
究 之 一 ， 夜 火 光 的光 谱 辐 射 测 量 方 法 及 夜 天 光 谱 去 噪 对 法进 行 ｒ详 细 地 分 析 研 究 ， 仪 火 光 光 源模 拟 提 供 ｌ靠 为 】 『
的依 据 ， 为夜间成像 系统性能评价捉供更真实的使用环境 。 仪视成像系统的实际使Ｊ 环境复杂多变 ，其光谱分 布根 ｌ ｊ 据天气情况及地理位 的不 同而发生改变 ，受环境 素的影 响 比较大 。 有 Ｊ仪 窄巾仪天 光的主要来 源是川光 ， ｊ 在元 月
收 稿 日期 ：２ １ ８ｌ 。 订 日期 ：２ １ ２Ｏ Ｏ 】Ｏ 一５ 修 ０ ｌｌ 一８
Ｆｉ．１ Ｃｏｎ ｔ ｕ ｔｏ ｏ ｉｅ ｐ ｃ ｒ ｍ ｅ ｅ ｇ ｓｒ ｃ ｉｎ ｆｆｂ ｒｓ ｅ ｔｏ ｔｒ
基金项 目： 技部质检公豁行业科研 々项 金项 目（０ ８ （Ｏ ） 科 ２ Ｏ ｌ０ ８ 和国家 自然科学 基金项 日（Ｏ ７ ｌ３ 资助 ） １７ ４ ４ ） 作者简介 ： 英麓 ，女 ，１７ 年生 ，中同讣 翳科学研究院光学所剐研究员 徐 ９７ ｅｍａ ： ｕ ｙ ｉ ａ． ｎ — ｉ ｘ ｙ＠ｎｍ．ｃ ｃ ｌ
夜 晚 天 空 光 谱 辐 射 测 量 研 究 及 光 谱 去 噪 分 析
徐英 莹 ，金伟其 ，马文文 ，卢利根。 ，穆生博。 ，倪俊 熊。
ｌ Ｊ中 国 汁量 科 学 研 究 院 光 学 所 。北 京 １０ １ ００３
２ ．北 京 理 １大学 光 电学 院 ，北 京 １０ ８ ＝ ００ １ ３ ．北 京 师 范 大学 天 文 系 ，北 京 １０ ７ ０８５
第 ６期
光谱学 与光谱分析
光谱测量需求 。
８ｏ Ｏ ｏ
７０ ０ ０ ６０ ０ ０ ５０ ０ ０
４ Baidu Nhomakorabea
１５ ４７
称 式 Ｃ ｅｎ － ｒｅ 结构 ， ｚｒｙＴｕｎ ｒ 焦距 为 ７ ５ｍｍ； Ｃ Ｃ Ｄ像 元 数 日为
２０ ８ 积分时 问设 为 １ｒｓ ０ｍｉ， ４ ， ￣１ ｎ 制冷温度可 比环境 温度 ｎ 降低 ， 光纤 芯径根据实际情况更换 。 由于 Ｃ Ｄ探 测器 的像素 是热敏感 单元 ，所 以 即使 是在 Ｃ
测精Ｊ 的光 纤 光 ｝ 仪 …输 入 光纤 、准 镜 、分 光 什 Ｔ Ｊ ｝ 孚 已
（ 栅 ） 聚 焦 光 学 系 统 、 测 器 （ 阵 Ｃ Ｄ） 热 电 制 冷 器所 光 、 探 线 Ｃ 和
组成 ， 结构如 １ Ｊ。 所， 光信 号ｌ光纤接 ¨进入 色器部分 ， ÷ ｆ 】
朋各对应像元 暗电流分 别扣除的方法 。在每次光谱 测量前都
要进行各像元 暗 电 流的存 储 ，再 将 其从 原 始光 谱 数据 中扣
除 。 样 才 能 最 大 消 除 暗 电流 对 测 鼍 光 谱 数 据 的 影 响 。 这 １３ 线 性 特 性 ． 为 ｒ提 高 光 谱 数 据 的 信 噪 比 ， 对 不 同 能 量 等 级 的 夜 天 在
ｎ 可 表 示 为 ｍ）
Ｐ（ ）一 ＿（ ）× （ 一 以 ） ，Ａ Ｄ （） ２
录数据 ， ２为光源输出为 ３ 图 Ｏｌ ｘ下所测得的不同波 长、 同 积分 时问下输出值对应 的关 系 ， 从图 中町以看 出光 谱仪积 分时 间 输 ｝ 数值之问具有很好 的线性关 系。 ： Ｊ ｊ
摘
要
光 电成 像 器 什 在 实 现 夜 问光 辐 射 探 测 时 ，由 于 其 探 测 环 境 的 光 谱 特 性 标 准 光 源 完 伞 ／ 同 ，势 必 ｊ 卜
成像 特性 分析 ｌ，¨于光谱匹配带来较大误差 。采用便 携式 Ｃ Ｄ光纤光谱仪对 晴朗月 空、晴朗星空进行 １ Ｃ 夜晚天光的光谱 辐射特性 测是 。 并进行光谱分析从而为正确评价光 电成像器件 的成像特性提供参考 。 关键词 Ｃ Ｄ光纤光谱仪 ；夜天光谱 ； Ｃ 光谱测量 ；光谱 去噪处理
ｕ ０ ３０ ０
２０ ０ ０
倍 。因此 ，在夜天光光谱 测量 中暗 电流的影 响不容 忽视 。暗 电流测试 时 ， 动光 谱仪和计算机 ，用黑 色胶套把 光纤 输入 启 端遮住 ，测试在无信 号输入 时 ， 谱仪 的输 出特性 ，即 暗电 光
流特性 。
１ ２ 暗 电 流 扣 除 ．
在 被 一 个 球 ｌ镜 准 后 ｌ 一 块 平 ｌ光 栅 色 散 ，然 ｝第 二 块 ｆ ｌ ｉ ｉ ｔ ｆ ｌ Ｉ ｌ ｊ
球 ｉ镜聚焦至线阵 Ｃ Ｄ探 测器 ｝。其・ ， ＿ ｆ ｉ ｉ Ｃ ： ｛ 单色器光路采 埘 Ｉ Ｉ Ｊ
成成分除 ＇ ｊ 厂［然辐射源发 ｛ 的光 以外还包含有大最的城 市辉 ｆ Ｉ 光 ；， 外 ， ｊ 海拔 高低 、大气湿度都 会对夜 ＿ 光 的光谱分 布产 火
第３卷 ， ６ ２ 第 期 ２０ ｌ２年 ６川
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ ２Ｎ ． ，ｐ ４６１５ ｏ ３ ， ｏ６ ｐ１５—４ ９ ．
Ｊ ｎ ，２ １ ｕｅ ０ ２
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ ｌ ａｙ ｉ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ Ａｎ ｌｓｓ
没 有 光 辐 射 的 情 况 下 ， 会 产 生 暗 电 流 。 阵 Ｃ Ｄ 的暗 电流 也 线 Ｃ 埘 温 度 非 常 敏 感 ，温 度 每 增 加 （ ～ ７ 。 ５ ）Ｃ，暗 电 流 会 增 加 一
嚣量ｌ ０
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１４ 光 谱 仪 辐 亮度 定 标 ．
由于夜天空光谱辐射功率非常弱 ， 测量光 谱辐照 度时 的余 弦校正器会带来进一步的衰减 ，所 以在实 际测 量前 ， 选 择对光谱仪进行光谱辐射亮度定标从而避免光路结 构上对入 射能量的衰减 。 光谱辐射定标包 含 ｌ每个像 素的数据转 化函 ｒ