星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010163559.1 (22)申请日 2020.03.10 (71)申请人 上海卫星工程研究所 地址 200240 上海市闵行区华宁路251号 (72)发明人 郭玲玲顾亦磊赵其昌汪少林 彭建涛于淼 (74)专利代理机构 上海段和段律师事务所 31334 代理人 李佳俊郭国中 (51)Int.Cl. G01N 21/25(2006.01) G01J 3/02(2006.01) G01J 3/45(2006.01) (54)发明名称 星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法 (5。

2、7)摘要 本发明涉及应用光学领域内的一种星载傅 里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 包括如下步 骤： S1， 读取实时采样获取的干涉图序列； S2， 对 干涉图序列进行圆周移位； S3， 计算带内光谱序 列起止位置； S4， 计算带内复数光谱序列； S5， 计 算带内相位谱； S6， 计算相位谱的一阶导数； S7， 计算等效相位增量； S8， 计算相邻光谱采样点之 间的解卷绕校正量； S9， 计算解卷绕后的相位； S10， 计算偏移量估计； S11， 根据偏移量估计实施 零位偏置调节。 本发明方法合理、 计算简单、 普遍 适用， 可以有效应用于星载傅里叶变换光谱仪的 零偏调节。 权利要求书2页 。

3、说明书5页 附图3页 CN 111398183 A 2020.07.10 CN 111398183 A 1.一种星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S1， 读取实时采样获取的干涉图序列S(n)(n0,1,2,N-1),其中n为干涉图序列计 数， N为干涉图序列长度； S2,对干涉图序列进行圆周移位， 获得移位后的干涉图序列Y(n)(n0,1,2,N-1)， Y(0),Y(1),Y(2),Y(N-1)S(p),S(p+1),S(p+2),S(N-1),S(0),S(1),S(2),S (p-1),其中p为移位起始点， pceilN/2， ceil为向上取整函数；。

4、 S3,根据星载傅里叶变换光谱仪的光谱范围minmax、 光谱采样间隔计算带内光谱 序列起止位置kmin、 kmax； S4， 利用FFT计算干涉图序列Y(n)的带内复数光谱序列B(k)(kkmin,kmin+1,kmin+2, kmax)， 其中k为光谱序列计数； S5， 计算复数光谱序列B(k)的相位谱 S6， 计算相位谱的一阶导数 S7， 计算等效相位增量 S8， 计算相邻光谱采样点之间的解卷绕校正量 S9， 计算解卷绕后的相位 S10， 计算偏移量估计m为浮点数； S11， 判断偏移量估计的绝对值是否大于调节阈值TH， 若是， 则需通过数据注入修改傅 里叶变换光谱仪软件中的偏置参数， 。

5、进而对零位偏置调节， 将其调整到干涉图序列中间位 置。 2.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 步骤 S3中光谱序列起止位置计算方法为kminround min/， kmaxround max/， 其中round 为四舍五入函数。 3.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 步骤 S7中等效相位增量计算方法为： 4.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 步骤 S8中解卷绕校正量计算方法为， 5.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 步骤 S9中计算解卷。

6、绕后的相位计算方法为， 权利要求书 1/2 页 2 CN 111398183 A 2 6.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 步骤 S10中偏移量估计的计算方法为： 其中， m取值为浮点数， 参数M取值为有符号整数。 7.根据权利要求1所述的星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 其特征在于， 所述 步骤S11中调节阈值TH设置为0.5。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111398183 A 3 星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法 技术领域 0001 本发明涉及应用光学领域， 具体涉及星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法。 背景技术 0002 傅里叶。

7、变换光谱仪是一种常见的光谱仪， 通过干涉分光首先获取目标辐射的干涉 图 序列， 再利用离散傅里叶变换复原光谱信息。 由于傅里叶变换光谱仪具有高光量、 多通 道、 易实现高光谱分辨率等特点， 可用于获取精细大气成分， 故而广泛应用于大气遥感 领 域。 0003 星载傅里叶变换光谱仪的核心部件为迈克尔逊干涉仪， 常见的有动镜平动方式和 摆 镜摆动方式的干涉仪， 理想情况下， 傅里叶变换光谱仪的双边干涉图序列是关于零光程 差位置(即零位)偶对称的， 在进行由干涉图到光谱图的复原过程中， 零光程差位置是 非常 重要的一个参数， 在后处理过程中都希望零位刚好位于双边干涉图序列中间位置， 并保持 所有干涉。

8、图序列的零位对齐。 即使在地面已经将零位偏置调节到位， 但是由于地 面状态与 在轨失重状态的差异、 卫星发射过程中的振动影响、 在轨光校等原因， 星载傅 里叶变换光 谱仪在轨可能需要重新进行零位偏置调节。 0004 文献1(孙杰， 白光干涉零光程差位置的五步测量法， 光电子激光， 2003,14 (12)， 1319-1323)提出基于最大值法的零偏测量方法。 文献2(冯绚， 干涉图零光程差位 置 的确定方法， 红外与毫米波学报， 2017,36(6)： 795-804)亦在最大值法基础上， 以 干涉 图的最大值为中心进行复数傅里叶变换， 对得到的光谱值进行星上辐射定标， 然后 对残余 相位进。

9、行线性回归分析。 目前零位偏置调节参考多采用最大值(若反偏即为最小 值)， 将干 涉图序列最大值(或最小值)作为零位， 但是实际光谱仪由于光学元件的非 理想性、 电路采 样延迟、 电路噪声、 红外自辐射等因素， 干涉图能量最强的位置可能并 不真实对应零位， 尤 其是红外光谱仪， 由于仪器自身辐射与目标辐射存在半波相位差， 零位的干涉信号能量抵 消， 基于最大值(最小值)来调节零位的方法不能很好适用。 本 发明方法是基于相位解卷绕 与最小化虚部能量和的零偏调节方法， 不再依赖干涉图的最 大值(或最小值)。 发明内容 0005 针对现有技术中的缺陷， 本发明的目的是提供一种星载傅里叶变换光谱仪零位。

10、偏 置调节方法。 0006 根据本发明提供的一种星载傅里叶变换光谱仪零位偏置调节方法， 包括如下步 骤： 0007 S1， 读取实时采样获取的干涉图序列S(n)(n0,1,2,N-1),其中n为干涉图序 列计 数， N为干涉图序列长度； 0008 S2,对干涉图序列进行圆周移位， 获得移位后的干涉图序列Y(n)(n0,1,2,N- 1)， Y(0) ,Y(1) ,Y(2) ,Y(N-1)S(p) ,S(p+1) ,S(p+2) ,S(N-1) ,S(0) ,S(1) ,S (2),S(p-1), 其中p为移位起始点， pceilN/2， ceil为向上取整函数； 说明书 1/5 页 4 CN 。

11、111398183 A 4 0009 S3,根据星载傅里叶变换光谱仪的光谱范围min max、 光谱采样间隔计算带内 光 谱序列起止位置kmin、 kmax； 0010 S4， 利用FFT计算干涉图序列Y(n)的带内复数光谱序列B(k)(kkmin,kmin+1, kmin+ 2,kmax)， 其中k为光谱序列计数； 0011S5， 计算复数光谱序列B(k)的相位谱 0012S6， 计算相位谱的一阶导数 0013S7， 计算等效相位增量 0014S8， 计算相邻光谱采样点之间的解卷绕校正量 0015S9， 计算解卷绕后的相位 0016S10， 计算偏移量估计m为浮点数； 0017S11， 判断。

12、偏移量估计的绝对值是否大于调节阈值TH， 若是， 则需通过数据注入 修改傅里叶变换光谱仪软件中的偏置参数， 进而对零位偏置调节， 将其调整到干涉图序 列 中间位置。 0018 一些实施方式中， 步骤S3中光谱序列起止位置计算方法为kminround min/， kmaxround max/， 其中round为四舍五入函数。 0019一些实施方式中， 步骤S7中等效相位增量计算方法为： 0020 0021一些实施方式中， 步骤S8中解卷绕校正量计算方法为， 0022 0023一些实施方式中， 步骤S9中计算解卷绕后的相位计算方法为， 0024 0025一些实施方式中， 步骤S10中偏移量估计的计。

13、算方法为： 0026 0027 其中， m取值为浮点数， 参数M取值为有符号整数。 0028 一些实施方式中， 所述步骤S11中调节阈值TH设置为0.5。 0029 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果： 0030 本发明零位偏置调节方法提供了一种高精度的零位偏置估算方法， 能够有效解决 零 位不对应干涉图序列最大值(最小值)时无法调节零位偏置的问题， 方法合理、 计算简 单、 实施简易， 能够普遍应用于傅里叶变换光谱仪的光谱计算中。 说明书 2/5 页 5 CN 111398183 A 5 附图说明 0031 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目。

14、的和优点将会变得更明显： 0032 图1为本发明方法流程图； 0033 图2为高温目标的带内相位谱解卷绕结果示意图； 0034 图3为低温目标的带内相位谱解卷绕结果示意图； 0035 图4为高温目标的零位偏移估计结果示意图； 0036 图5为低温目标的零位偏移估计结果示意图。 具体实施方式 0037 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人 员进一步理解本发明， 但不以任何形式限制本发明。 应当指出的是， 对本领域的普通技 术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变化和改进。 这些都属于 本 发明的保护范围。 0038 对本发明的理论分析基。

15、础简介如下： 0039 对于傅里叶变换光谱仪， 直接获取的干涉图序列S(n)(n0,1,2,N-1)(n为序 列计数， N为干涉图序列长度)需要通过离散傅里叶变换转换为光谱图。 在离散傅里叶 变换 计算过程中， 为了使干涉图零位接近光程差坐标轴零点， 可以将干涉图进行一个整 体圆周 平移， 即将S(n)(n0,1,2,N-1)圆周移位为Y(n)(n0,1,2,N-1)， Y(0),Y(1), Y (2),Y(N-1)S(p),S(p+1),S(p+2),S(N-1),S(0),S(1),S(2),S(p-1),其中p 为移 位起始点， pceilN/2， ceil为向上取整函数。 0040 移。

16、位后的干涉图序列Y(n)(n0,1,2,N-1)与光谱图序列B(k)(k0,1,2, N-1) 是离散傅里叶变换对的关系， 即 0041 0042 其中， e为自然常数(欧拉数)， k为光谱序列计数， j为虚数单位(j2-1)。 0043 Y(n)为实数序列， 故而B(k)满足共轭偶对称性， 即序列B(k)中仅需一半序列即可 推 导出另一半序列。 若零位位于干涉图序列S(n)中间， 则移位后零位位于Y(0)， 且干涉序 列不存在噪声的情况下， 对应光谱图序列B(k)为纯实偶对称序列。 0044 若实际零位不位于干涉图序列中间位置， 需要通过零位偏置调节将其调整到中间 位 置， 即需要获取偏置调。

17、节量。 假定零位位于中间的采样序列为Seven(n)(n0,1,2,N- 1)， 相比之下当前干涉图序列S(n)右偏m(m为实数)， 即S(n)Seven(n-m)， 根据离散傅 里 叶变换的平移性质， 若S(n)移位后的离散傅里叶变换为B(k)、 Seven(n)移位后的离散 傅里 叶变换为Beven(k)， 那么 0045 0046 理论上Beven(k)应为实数， 故而可以通过最小化Beven(k)的虚部能量和来实现寻找 最 优 的 偏 移 量 m 。 将 当 前 干 涉 图 序 列 S (n) 对 应 的 复 数 光 谱 序 列 B (k) 记 为 说明书 3/5 页 6 CN 111。

18、398183 A 6 其中， |B(k)|为幅度谱序列，为相位谱序列。 则Beven(k)可写为 0047 0048 无论m取值， 幅度谱序列|B(k)|不会改变， 故而最小化虚部能量和等价于求解如下 最小二乘问题 0049 0050 通过对公式(4)求偏导可知， 该问题可等价为 0051 0052 其中， T(k)表示任意整数序列。 在实际计算过程中， 由于傅里叶变换光谱仪通常 为带通信号， 在光谱序列中， 带内序列信噪比大， 带外序列信噪比小， 这就导致带外序 列相 位谱(k)计算误差大， 同时， 由于相位谱(k)存在2 跳变， 故而需对其进行解 卷绕， 综合 考虑这两方面的因素， 将(公。

19、式5)优化为 0053 0054其中， 为偏移量估计， kmin与kmax对应带内序列的起止位置， 若带内光谱范围为 min max， 则kminround min/， kmaxround max/(为光谱采样间隔， round 为四 舍五入函数)， U为解卷绕函数， m取值为浮点数， 参数M取值为有符号整数(常 数)。 0055解卷绕函数U的计算过程为： 首先计算相位(k)的一阶导数 (k)取值范围(- , ， 一阶导数取值 范 围(-2 ,2 )， 然后计算等效相位增量 0056 0057 计算相邻光谱采样点之间的解卷绕校正量corr(k)(kkmin+1,kmin+2,kmax)， 00。

20、58 0059最后计算解卷绕后的相位 0060 0061k 仅为一个记号， 用于表示的下标， 即 0062 将(公式9)计算结果代入(公式6)可知， (公式6)所示的线性最小二乘问题具 有唯 说明书 4/5 页 7 CN 111398183 A 7 一解。 0063 由于软件可以实现的调节精度有限， 为了避免频繁重复修改软件参数， 设置阈值 来 确定是否需要进行调节。 通过公式(7)计算得到偏移量估计后， 若大于阈值TH， 则 需要通过数据注入修改傅里叶变换光谱仪软件中的偏置参数， 从而将零位偏置调节将 其 调整到干涉图序列中间位置。 0064 优选地， 阈值TH可设置为0.5。 0065 本。

21、发明方法流程图如附图1所示。 0066 为验证本发明方法的有效性， 在傅里叶变换光谱仪状态固定的情况下， 调节目标 光 源强度， 获取了两组目标(高温目标、 低温目标)的干涉图序列。 在光源调节及温控过 程 中， 可以认为获取的高温目标和低温目标的干涉图序列零偏差异较小。 分别采用本发 明方 法进行偏移量估计， 附图2所示为高温目标的带内相位谱解卷绕结果， 附图3为低 温目标的 带内相位谱解卷绕结果， 进一步计算得到的偏移量估计值分别为63.89(高温 目标干涉图 序列)及64.14(低温目标干涉图序列)。 附图4所示为高温目标干涉图序 列及通过本发明方 法得到的零光程差位置。 附图5所示为低。

22、温目标干涉图序列及通过本 发明方法得到的零光 程差位置。 附图4所示的高温目标， 其零光程差位置估计值接近其 干涉图序列最大值， 差异 小于采样步长的50， 验证了在采用最大值或最小值估计零光 程差位置能够适用的情况 下， 本发明方法可以得到与其一致的结果， 且本发明方法可以 得到亚采样步长级的零偏估 计。 附图5所示的低温目标， 其零光程差位置估计值并不在 干涉图序列的最大值或最小值 处。 采用本发明方法， 对高温目标和低温目标分别进行零 偏估计， 结果具有一致性， 证明了 该发明方法的普遍适用性。 0067 综上所述， 本发明有效解决了星载干涉式傅里叶变换光谱仪的零位无法高精度调 节 的问。

23、题， 方法合理、 操作可行、 适用范围广。 0068 以上所述的具体实施例， 对本发明的解决的技术问题、 技术方案和有益效果进行 了 进一步详细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限 制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应 包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 111398183 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 111398183 A 9 图2 图3 说明书附图 2/3 页 10 CN 111398183 A 10 图4 图5 说明书附图 3/3 页 11 CN 111398183 A 11 。