一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法技术

本发明专利技术公开了一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法，包括以下步骤：校正前处理，是根据输入的待校正光谱偏差量，构造新的可供校正的光谱数据序列A，长度为N

【技术实现步骤摘要】
一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法


[0001]本专利技术涉及高光谱数据领域，尤其涉及的是，一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法。

技术介绍

[0002]星载高光谱分辨率红外大气遥感探测，为现代数值天气预报、大气环境监测以及气候变化研究等提供了前所未有的观测手段。基于傅里叶变换(或称为迈克尔逊干涉)光谱技术的干涉式大气垂直探测仪是当前国际大气三维垂直探测的主要发展方向。目前，全球共有6台红外波段的迈克尔逊干涉仪在轨运行，美国和欧洲各2台，均装载在极轨气象卫星上；中国有2台，极轨和静止气象卫星上各有1台。其中，风云四号A星上的GIIRS(Geostationary Interferometric InfraRed Sounder)是全球首台静止轨道红外高光谱探测仪。对于高光谱探测仪而言，精确的光谱位置是定量化辐射应用的基础。分析表明：光谱位置的微小误差将不可避免地造成较大的辐射测量误差，例如对于典型的287K目标，4
×
10
‑6光谱偏差可以导致未切趾光谱0.25K的辐射亮温偏差。
[0003]光谱定标是确定并校正高光谱遥感器观测数据中与光谱相关的若干特性(包括自切趾函数线型和光谱位置等)的过程。本专利技术仅针对已知光谱位置偏差后，如何实现光谱位置精确校正的处理方法，而光谱位置偏差则可以通过与标准大气谱线或参考仪器观测结果的比较来获得。对于迈克尔逊干涉式红外高光谱遥感器，从原理上来说，其光谱位置偏差等同于切趾前的光谱分辨率偏差，因此，实际的光谱偏差校正是通过调整光谱分辨率(或称为光谱采样间隔)来实现的。当前，美国、欧洲和中国的极轨气象卫星红外高光谱遥感器光谱位置校正，均在构造由一系列sinc函数组成的采样矩阵基础上，通过光谱重采样来实现。当光谱采样点数为N时，对单个探元进行光谱重采样约需2
×
N2次正弦和余弦浮点计算，运算量极大，且校正精度受截断误差等因素的影响，不超过5
×
10
‑7。该方法对于4或9个探元的极轨气象卫星高光谱探测仪而言，校正处理所需的运算量尚可接受；但对于类似于GIIRS的工作在静止轨道上的同类遥感器，由于其探元数将达到102‑
103量级，如此巨大的运算量是无法接受的。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法，有别于传统基于采样矩阵的光谱重采样方法，提出一种基于新设计的2次快速离散傅里叶变换组合来实现上述光谱重采样过程，在大幅减小运算量的同时，进一步提高校正后的光谱位置精度。
[0005]一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：校正前处理，根据输入的待校正光谱偏差量，构造新的可供校正的光谱数据序列A，长度为N
s
，具体步骤包括：
[0007]步骤1：根据已知的光谱位置偏差(ρ)，计算所需的最小采样点数N
s
；
[0008]步骤2：构造一个长度为N
s
的一维数组A，将其全部数组单元置零；
[0009]步骤3：根据目标光谱分辨率Δυ，计算数组A每个单元对应的光谱位置，单元1对应的光谱位置为0，单元2，单元3等依次增加Δυ；同时，根据长度为N
t
的待校正光谱数据s各单元对应的波长位置，将s填充到数组A中；
[0010]步骤二：光谱位置校正，针对数组A，采用快速离散傅里叶变换(FDFT)方法，利用一对FDFT来得到经光谱位置校正后的复数组A
’
，具体步骤包括：
[0011]步骤4：对数组A进行FDFT处理，得到长度为N
s
的复数组B；
[0012]步骤5：根据N
s
的奇偶性，确定复数组B中最高频率单元对应的位置；若ρ为正，则删除复数组B最高频率单元，得到新的复数组B
’
，长度变为N
s
‑
1；若ρ为负，则在复数组B最高频率处增加一个新单元并置零，得到新的复数组B
’
，长度变为N
s
+1；
[0013]步骤6：根据高光谱数据的起始光谱位置，进行有限长度的快速离散傅里叶逆变换(IFDFT)，得到复数组A
’
，长度为N
t
；
[0014]步骤三：相位差调整，对A
’
修正由光谱位置校正引起的微小相位变化，具体步骤包括：
[0015]步骤7：对复数组A
’
进行取模处理，得到长度为N
t
的校正后光谱数据s
’
。
[0016]上述中，所述步骤1中，最小采样点数N
s
的计算方法，为公式(1)：N
s
＝int{106/|ρ|+0.5}
[0017]上述公式(1)中，光谱偏差ρ的单位为ppm，即百万分之一，int{
·
}为取整数函数，|
·
|为取绝对值函数。
[0018]上述中，所述步骤3中，数组A中各单元对应的波长计算方法为公式(2)：
[0019]A(n)对应的波长：n
×
Δυ，n∈[0,N
s
‑
1]。
[0020]上述中，所述步骤4和所述步骤6中快速离散傅里叶变换(Fast Discrete Fourier Transform，FDFT，)及其逆变换(Inverse FDFT，IFDFT，)的计算方法，公式(3)及公式(4)：
[0021][0022][0023]公式(3)和公式(4)中l满足如下关系，公式(5)：
[0024][0025]上述公式(5)中，int{
·
}的含义同公式(1)。上述公式(3)
‑
(4)中，在计算中用到的和根据采样点数N预先计算得到。
[0026]上述中，所述步骤6中，有限长度的IFDFT实现方法：
[0027]在步骤6中，按公式(4)进行IFDFT处理时，计算有限长度的s(k),k∈[υ
b
/Δυ,υ
b
/Δ
υ+N
t
‑
1]，其中υ
b
为高光谱观测数据的起始波长位置。
[0028]上述中，所述步骤5中复数组B
’
的构建方法：
[0029]若N
s
为奇数，则复数组B中最高频率单元标号为(N
s
‑
1)/2；此时，若ρ为正，则复数组B
’
的单元数为(N
s
‑
1)并全部置零，且B
′
(n)＝B(n),n∈[0,(N
s
‑
1)/2
‑
1]、B
′
(n)＝B(n+1),n∈[(N
s
‑
1)/2,N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气象卫星红外高光谱数据光谱位置校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：校正前处理，根据输入的待校正光谱偏差量，构造新的可供校正的光谱数据序列A，长度为N
s
，具体步骤包括：步骤1：根据已知的光谱位置偏差(ρ)，计算所需的最小采样点数N
s
；步骤2：构造一个长度为N
s
的一维数组A，将其全部数组单元置零；步骤3：根据目标光谱分辨率Δυ，计算数组A每个单元对应的光谱位置，单元1对应的光谱位置为0，单元2，单元3等依次增加Δυ；同时，根据长度为N
t
的待校正光谱数据s各单元对应的波长位置，将s填充到数组A中；步骤二：光谱位置校正，针对数组A，采用快速离散傅里叶变换(FDFT)方法，利用一对FDFT来得到经光谱位置校正后的复数组A
’
，具体步骤包括：步骤4：对数组A进行FDFT处理，得到长度为N
s
的复数组B；步骤5：根据N
s
的奇偶性，确定复数组B中最高频率单元对应的位置；若ρ为正，则删除复数组B最高频率单元，得到新的复数组B
’
，长度变为N
s
‑
1；若ρ为负，则在复数组B最高频率处增加一个新单元并置零，得到新的复数组B
’
，长度变为N
s
+1；步骤6：根据高光谱数据的起始光谱位置，进行有限长度的快速离散傅里叶逆变换(IFDFT)，得到复数组A
’
，长度为N
t
；步骤三：相位差调整，对A
’
修正由光谱位置校正引起的微小相位变化，具体步骤包括：步骤7：对复数组A
’
进行取模处理，得到长度为N
t
的校正后光谱数据s
’
。2.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步骤1中，最小采样点数N
s
的计算方法，为公式(1)：N
s
＝int{106/|ρ|+0.5}上述公式(1)中，光谱偏差ρ的单位为ppm，即百万分之一，int{
·
}为取整数函数，|
·
|为取绝对值函数。3.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步骤3中，数组A中各单元对应的波长计算方法为公式(2)：A(n)对应的波长：n
×
Δυ，n∈[0,N
s
‑
1]。4.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，所述步骤4和所述步骤6中快速离散傅里叶变换(Fast Discrete Fourier Transform，FDFT，)及其逆变换(Inverse FDFT，IFDFT，)的计算方法，公式(3)及公式(4)：公式(3)及公式(4)：公式(3)和公式(4)中l满足如下关系，公式(5)：
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭强，王新，
申请(专利权)人：郭强，
类型：发明
国别省市：