一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，提供了一种连续高效的获取地物高光谱和超光谱信息的方案，通过分叉光纤和光路切换开关，交替获取太阳入射光谱和地物反射光谱，保证所观测太阳光谱和地物光谱的采集在同一光强条件下进行，避免光强的变化造成所计算的地物反射率存在误差，可自动连续高质量的地物高光谱和超光谱反射率数据产品。

A hyperspectral high frequency observation system for ground objects and its spectrum observation method

【技术实现步骤摘要】
一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法
本专利技术涉及一种地物超光谱高频观测系统及光谱观测方法，属于光谱仪观测

技术介绍
自然界各种地物都有各自的光谱特征，具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性。在地物反射、吸收和透射等物理性质中，使用最普遍最常用的是地物的反射特征。通过遥感手段获取地物反射光谱信息，是定性和定量研究地物特征的重要方式。收集和积累各种典型地物的光谱数据信息历来是遥感基础研究和应用研究中不可缺少的一个重要环节。随着遥感信息获取技术水平的提高,早期使用的波段式的低光谱分辨率的光谱仪已逐渐被具有高光谱分辨率乃至超光谱分辨率的光谱仪所替代，同时极大的促进了利用高光谱数据进行定量化研究的发展。定量遥感是利用遥感器获取的地表地物的电磁波信息，在计算机系统支持下，根据计算模型，定量获取观测目标参量或特性的方法与技术。定量遥感强调定量的数学物理方法的运用和强调处理结果的精确性，它通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来，运用遥感信息定量地反演或推算出某些地学、生物学及大气等目标参量。定量遥感是当前遥感发展的前沿，国内外地物实测光谱在植被、农业和林业、冰、雪与水体、工业、地矿及土壤等领域做了大量定量研究。为了获取不同地物在野外自然条件下的可见光和近红外波段反射光谱，以精确定量反演目标参量，需要适用于野外测量的光谱仪器，获取高质量的高光谱乃至超光谱数据。目前应用最为广泛的地物光谱仪是美国生产的ASDFieldspe便携式光谱仪，其内部集成350-1000nm和1000-2500nm两个波段范围的传感器，运行稳定便于野外操作，但无法同时观测太阳入射光谱和地物反射光谱，需搭配标准反射板使用，长期自动观测性能欠佳。且光谱分辨率为3nm，已无法满足超光谱分辨率观测的需要。以近年兴起的植被日光诱导叶绿素荧光为例，其观测需要亚纳米级光谱分辨率的光谱仪。同时，Frankenberg等人在“NewglobalobservationsoftheterrestrialcarboncyclefromGOSAT:Patternsofplantfluorescencewithgrossprimaryproductivity”一文中提出利用叶绿素荧光遥感估算陆地生态系统生产力的方法，因此在叶绿素荧光应用中，不仅需要超高的光谱分辨率，还需要长期连续的超光谱观测，对地物光谱观测提出了新的要求。市面上可用的光谱仪种类有限，且通常只能接收一个光路，若要同时获取太阳入射光和地物反射光，需将一个光路转换为两个；另外光谱仪运行环境要求高，为降低噪声的干扰，需将光谱仪放置在恒温箱内。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种地物超光谱高频观测系统，针对现有光谱仪，引入改进型结构设计，能够高效实现太阳光谱信息、地物光谱信息的获得。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关和余弦矫正器；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述各子观测系统中，光谱仪置于恒温室工作，光路开关置于外室环境进行工作，分叉光纤中双路光纤经光路开关、分别所连光纤位于外室环境。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述光路开关为两个inline光路开关，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述两套子观测系统中，其中一套子观测系统中的光谱仪为QEpro光谱仪，另一套子观测系统中的光谱仪为HR光谱仪。与上述相对应，本专利技术还要解决的技术问题是提供一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，基于改进型光谱仪设计结构，应用相应方法设计，能够高效实现太阳光谱信息、地物光谱信息的获得。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，先执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作，再执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作，其中，各子观测系统的执行工作，分别均包括如下步骤：步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B；步骤B.首先连通朝上指向太阳光照的光纤光路，且阻断朝下指向地物的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量太阳辐照度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；步骤C.首先连通朝下指向地物的光纤光路，且阻断朝上指向太阳光照的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量地物辐亮度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别按如下公式进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数；cof＝Rad/((DN-DC)/IT)其中，cof表示定标系数，Rad表示光源的已知亮度，DN表示光谱仪所采集光源所对应的记录下来的数字信号，IT表示积分时间,DC表示采集DN值时相应的暗电流。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照的光纤，采用卤素灯进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤A中，针对朝下指向地物的光纤，采用积分球定标法进行定标处理，获取光纤所对应的定标系数。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作时，则所述步骤B至步骤C如下：步骤B.首先控制朝上指向太阳光照的通道连接的inline开关打开，朝下通道的inline开关闭合，根据该光纤的定标系数，测量太阳辐照度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏蔽一切进入QEpro光谱仪的光，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；步骤C.首先控制打开QEpro光谱仪内部的开关，控制朝下指向地物的通道连接的inline开关打开，朝上通道的inline开关闭合，测量地物辐亮度；接着控制关闭QEpro光谱仪内部的开关，屏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，其特征在于：包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关和余弦矫正器；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。/n

【技术特征摘要】
1.一种地物超光谱高频观测系统，用于获取太阳光谱信息和地物光谱信息，其特征在于：包括两套分别对应不同观测范围的子观测系统，各子观测系统分别均包括光谱仪、分叉光纤、光路开关和余弦矫正器；各子观测系统中的光谱仪彼此拥有不同的观测范围；各子观测系统中，分叉光纤为一分二的Y型光纤，分叉光纤内部为两根芯径并列；分叉光纤的单路光纤端对接光谱仪的采集端，分叉光纤的双路光纤上经光路开关、连接两根光纤，两根光纤分别与分叉光纤的双路光纤一一对应进行信号传输，光路开关用于控制所连分叉光纤的双路光纤的通断；分叉光纤中双路光纤经光路开关所连两根光纤中，其中一根光纤串联余弦矫正器后，该光纤端部朝上指向太阳光照，用于测量太阳辐照度；另一根光纤端部朝下指向地物，用于测量地物辐亮度。


2.根据权利要求1所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述各子观测系统中，光谱仪置于恒温室工作，光路开关置于外室环境进行工作，分叉光纤中双路光纤经光路开关、分别所连光纤位于外室环境。


3.根据权利要求1或2所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述光路开关为两个inline光路开关，分叉光纤的双路光纤分别经过光纤串联一个inline光路开关，两个inline光路开关分别针对所设光纤进行通断控制。


4.根据权利要求3所述一种地物超光谱高频观测系统，其特征在于：所述两套子观测系统中，其中一套子观测系统中的光谱仪为QEpro光谱仪，另一套子观测系统中的光谱仪为HR光谱仪。


5.一种针对权利要求4所述地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于，先执行QEpro光谱仪所对应子观测系统的工作，再执行HR光谱仪所对应子观测系统的工作，其中，各子观测系统的执行工作，分别均包括如下步骤：
步骤A.针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数，然后进入步骤B；
步骤B.首先连通朝上指向太阳光照的光纤光路，且阻断朝下指向地物的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量太阳辐照度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现太阳光谱信息的获得，然后进入步骤C；
步骤C.首先连通朝下指向地物的光纤光路，且阻断朝上指向太阳光照的光纤光路，根据该光纤所对应的定标系数，测量地物辐亮度；接着阻断分别朝上指向太阳光照的光纤光路、以及朝下指向地物的光纤光路，测量相应暗噪声，进而实现地物光谱信息的获得。


6.根据权利要求5所述一种针对地物超光谱高频观测系统的光谱观测方法，其特征在于：所述步骤A中，针对朝上指向太阳光照、以及朝下指向地物的两根光纤，分别按如下公式进行定标处理，获取各根光纤分别所对应的定标系数；
cof＝Rad/(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏，张乾，吴云飞，李朝晖，张小康，
申请(专利权)人：南京艾格赛弗环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32