星载傅里叶光谱仪星上数据处理研究

发布时间：2017-08-27 23:02

  本文关键词：星载傅里叶光谱仪星上数据处理研究

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【摘要】：傅里叶变换光谱仪作为一种高光谱高分辨率测量仪器,具有很高的分光效率,且具有高光通量,多通道,高分辨率等优点,被广泛应用于气象、环境分析或行星大气组分探测。面阵成像式傅里叶光谱仪可以单次测量获得更大区域的探测数据,从而获得地面二维,垂直空间维和时间维四维数据的探测。根据傅里叶变换光谱仪自身的特点,目标辐射在探测器上产生的干涉图数据量非常大,面阵成像式星载傅里叶光谱仪获取的干涉数据的数据量更是给卫星数据下传带来了压力,因此有必要对仪器获取的数据进行在轨处理以降低仪器传输数据量。时间调制型傅里叶光谱仪采集的干涉图数据包含探测面和时间的3D数据结构,在轨处理数据量更加庞大,星上数据处理的复杂度也随之增加。傅里叶光谱仪作为高光谱仪器,复原光谱的精度决定了其数据反演大气温度、湿度及其他气体分子垂直分布的准确度,因此星上数据处理应在降低数据量的同时,尽可能的保证光谱精度。论文首先介绍了傅里叶光谱仪及其在轨数据处理技术的发展情况,总结国际上星载干涉仪器的典型处理方案,在对傅里叶光谱仪光谱误差分析的基础上,研究干涉图和光谱图的修正算法,包括毛刺校正,探测器非线性校正,切趾,相位校正,光谱定标,辐射定标等数据处理原理和方法。论文根据星上数据处理实现高压缩比和高光谱精度保真的原则,对比几种常用的数据处理方案,设计光谱进行星上复原并提取有效光谱数据的方式来降低下传数据量,该方法实际上是将部分傅里叶光谱仪数据处理工作在星上进行实现,包括毛刺校正,切趾,非线性校正,相位校正等,并设计干涉图多帧叠加的方式进行信噪比的提高和更高压缩比的获得。星上数据处理系统对涉及的算法进行优化设计,以简化星上算法的复杂度,同时星上采用32位单精度浮点数运算,确保光谱精度的保留。经分析验证,星上数据处理系统不仅可以实现高压缩比的数据实时处理,例如4帧叠加后数据量最多可以降低40倍以上,而且可以修正干涉图误差导致的光谱畸变,且多路并行处理系统的设计方便对更大面阵更多象元傅里叶光谱仪的数据处理进行扩展。最后,论文介绍基于实验室干涉仪系统和信息获取板的干涉图多帧叠加实时处理系统的硬件实现,并给出对下传的干涉数据进行处理的地面数据分析软件的简要介绍。研究结果表明,本课题提出的数据处理方案和相关算法设计是合理和可行的。通过对干涉仪器数据的实时处理,可以极大的降低下传数据量,同时提高复原光谱准确度。本课题的研究结果对于星载傅里叶光谱仪,尤其是基于时间调制面阵成像式傅里叶光谱仪的星上数据处理的深入研究及工程化实现有重要参考意义。
【关键词】：傅里叶光谱仪 非线性校正 光谱定标 多帧叠加 相位校正 切趾
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V447.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 1 绪论14-25
• 1.1 课题背景与意义14-15
• 1.2 星载傅里叶光谱仪的进展概况15-18
• 1.3 典型傅里叶光谱仪星上数据处理方案18-23
• 1.4 课题主要研究内容23-25
• 2 傅里叶光谱仪原理25-39
• 2.1 傅里叶光谱仪分光原理25-26
• 2.2 干涉图有限光程差与离散采样26-29
• 2.2.1 干涉图离散采样26-28
• 2.2.2 有限光程差与光谱分辨率28-29
• 2.3 干涉图采样误差29-33
• 2.3.1 等时间采样及误差分析30-31
• 2.3.2 激光参考采样及误差分析31-33
• 2.3.3 等时间采样与激光参考采样的比较33
• 2.4 傅里叶光谱仪噪声误差分析33-38
• 2.4.1 探测器固有噪声33-34
• 2.4.2 电子学噪声34-36
• 2.4.3 傅里叶光谱仪信噪比优化方法36
• 2.4.4 傅里叶光谱仪光谱噪声评估方法36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 3 傅里叶光谱仪星上数据处理算法39-72
• 3.1 干涉图毛刺检测与校正39-42
• 3.1.1 基于固定阈值的毛刺检测算法40
• 3.1.2 基于滤波和标准差的毛刺检测40-41
• 3.1.3 逐点求差比较法检测毛刺41-42
• 3.2 探测器非线性校正42-44
• 3.2.1 探测器非线性对光谱的影响42-43
• 3.2.2 非线性校正方法43-44
• 3.3 切趾44-47
• 3.4 快速傅里叶变换47-52
• 3.4.1 快速傅里叶变换算法47-51
• 3.4.2 快速傅里叶变换算法比较51-52
• 3.5 光谱定标52-66
• 3.5.1 仪器线性函数52-59
• 3.5.2 光谱定标方法59-66
• 3.6 相位校正66-69
• 3.6.1 求模法66-67
• 3.6.2 Mertz乘积法67-68
• 3.6.3 Forman卷积法68
• 3.6.4 主极大值拟合法68-69
• 3.7 辐射定标69-71
• 3.7.1 地面辐射定标69-70
• 3.7.2 星上辐射定标70-71
• 3.8 本章小结71-72
• 4 面阵傅里叶光谱仪星上数据处理系统设计72-95
• 4.1 星上数据处理方案对比与选择72-76
• 4.1.1 干涉图抽取滤波72-74
• 4.1.2 星上光谱复原和提取74
• 4.1.3 基于干涉图编码的星上数据压缩算法74-76
• 4.1.4 星上数据叠加方案76
• 4.1.5 星上数据处理方案选择76
• 4.2 整体方案设计76-79
• 4.2.1 方案参考模型76-77
• 4.2.2 整体方案设计77-79
• 4.3 星上数据处理硬件系统方案79-80
• 4.4 原始干涉图采集与预处理80-83
• 4.4.1 原始干涉数据采集80-81
• 4.4.2 毛刺校正81-82
• 4.4.3 探测器非线性校正与光谱切趾82-83
• 4.5 干涉图多帧叠加求平均83-84
• 4.6 星上光谱变换及光谱提取84-86
• 4.7 相位校正86-87
• 4.8 星上总线传输87
• 4.9 星上数据处理系统压缩比和光谱精度87-89
• 4.10 星上数据处理算法验证89-94
• 4.10.1 毛刺检测算法验证89-90
• 4.10.2 光谱切趾对光谱波数误差的校正90
• 4.10.3 非线性校正算法验证90-92
• 4.10.4 干涉图叠加对光谱信噪比的优化92-93
• 4.10.5 相位校正对定标误差的改善93-94
• 4.11 本章小结94-95
• 5 干涉图多帧叠加系统硬件实现及数据分析软件设计95-116
• 5.1 干涉图多帧叠加系统的硬件实现95-112
• 5.1.1 硬件板卡及功能描述95-96
• 5.1.2 红外干涉信号同步采集96-102
• 5.1.3 干涉图多帧叠加102-107
• 5.1.4 数据打包与传输107-110
• 5.1.5 干涉图多帧叠加实时处理系统测试110-112
• 5.2 地面数据分析软件112-115
• 5.3 本章小结115-116
• 6 总结与展望116-118
• 参考文献118-125
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果125

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本文编号：746238