[发明专利]一种快速减小成像光谱仪反演误差的处理方法

说明书

本发明公开了一种快速减小成像光谱仪反演误差的预处理方法，针对CCD成像光谱仪成像过程中产生的噪声信号进行相应校正。通过CCD暗电流温度校正因子计算暗电流，建立空间维信号成像模型，逆向推算空间维暗电流信号差异，校正后整个像面的暗背景响应值基本保持一致。利用探测器帧转移特性建立了信号模型，提出了从载荷原始数据去除拖尾信号的校正算法。通过在轨遥感数据的应用对比验证，该预处理方法可减小拟合反演残差约20％，对2级数据产品精度和准确度的提高提供了重要保证。

技术领域

本发明涉及环大气环境探测领域，具体为一种快速减小成像光谱仪反演误差的预处理方法。

背景技术

大气痕量气体能够直接或间接参与地球大气物理、化学循环，所产生的二次污染物可能对大气及生态环境造成恶劣影响，例如形成光化学烟雾、破坏臭氧层和发生酸雨等重大环境污染问题。光学遥感技术作为一种先进的环境污染信息探测手段，以其动态观测、大面积同步观测等独特优势得到日益广泛的应用。差分吸收光谱技术(DOAS，differentialoptical absorption spectroscopy)是基于光吸收的比尔-朗伯定律，利用大气痕量气体成分在紫外到可见光波段的“指纹”吸收特性来进行定性判别和定量反演的。这种方法的主要优势在于：可以利用自然光源(被动DOAS，如太阳散射光)进行非接触式测量，从而有效地避免了误差源的影响；可以同时监测多种大气痕量气体的浓度分布及其变化过程，如(NOx，SO₂，O₃，BrO，HNO₂等)；具有较高的探测灵敏度，一般可达ppt量级，能够有效消除集中污染源对测量结果的干扰。

面阵CCD光谱仪可以通过扫描记录某一区域内的光谱信息，既包括光谱维和空间维信息。在对目标区域进行成像的过程中，CCD光谱维记录目标区域内辐射的光谱分布，CCD空间维记录空间维信息，从而形成目标区域光谱、空间和辐射信息的数据立方。CCD探测器是一种半导体成像器件，其在成像过程中会产生噪声信号，直接影响数据反演精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速减小成像光谱仪反演误差的预处理方法，以解决现有技术光谱数据反演精度低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种快速减小成像光谱仪反演误差的预处理方法，所述预处理方法是指针对CCD探测器在成像过程中产生的电子学噪声，具体的实现步骤如下：

步骤(1)、假设在单幅光谱成像过程中暗电流产生率f_dc(t)不变，CCD成像区曝光时间t_e内产生暗电流可表示为t_e·f_dc(t)，在帧转移过程中，CCD每一行在成像区停留的时间不等，导致暗电流产生差异，与smear效应类似，第一行像元经过一次行转移到达存储区，而第r行则须经过r次行转移到达存储区，则每行产生的暗电流可表示为t_ft·r·f_dc(t)/N，其中t_ft为帧转移时间，N为CCD成像区总行数，EMI紫外通道CCD47-20总行数为1024，可见通道CCD55-30总行数为576，转移到存储区的信号电荷包通过读出寄存器读出，第一行靠近读出节点的像元首先读出，其他像元一次按照设定速率顺序读出，读出速率限制电荷包在存储区驻留时间，如最大读出率5MHz，即读出一个像元用时200ns秒，则第一个像元比整个像面最后一个像元早读出1024×1024×200ns≈0.2s，以此可计算出每个像元在存储区驻留时间t_s，产生暗电为f_dc(t)·t_s，综上所述，CCD成像区和存储区总暗电流可表示为：

其中，g为温度影响因子，含义为探测器实际温度暗电流T与参考温度T_ref下暗电流的比值，根据E2V公司官方数据手册暗电流公式并进行相应转换，可得到：