CE-1干涉成像光谱仪信息处理及应用研究

论文摘要

我国首次发射的嫦娥-1卫星上计划搭载一台中国科学院西安光学精密机械研究所研制的干涉型成像光谱仪，用于配合x／γ谱仪完成月表重要元素及物质类型的分布与含量分析的科学目标。从仪器设计需求及科学目标实现两方面出发，论文着重研究了月表目标光学属性、光谱信息获取技术（干涉型成像光谱仪的定标、信息反演及性能评测）、物质类型及元素含量的高光谱遥感分析技术三部分内容。月表目标光学属性月表物质类型可以分为三个层次：月球矿物、月岩、月壤。论文以资料调研为主，测量试验为辅，系统研究了月表矿物岩石的反射光谱产生机理，总结了主要矿物岩石的光谱特征，同时探讨了月壤的影响因素、双向反射分布特性及偏振特性，讨论月壤的反射光谱模型，提出了光谱技术在月球探测中的应用范围。另外考虑了月表物质类型的辐射及空间分布特性，讨论了光学仪器动态范围要求、光谱分辨率及空间分辨率需求。月表光谱信息获取技术论文中主要分析了目前月表高光谱图像的获取手段的限制因素，并就获得绕月高光谱图像，分析了实现方案，讨论了当前应用在绕月探测中的成像光谱技术。干涉型成像光谱仪具有高通量、多通道等优势，是一种世界上先进的间接获取光谱信息的新技术，它获得的直接信息是干涉图，需要经过一系列处理才能得到光谱维信息，论文以CE-1干涉成像光谱仪为分析对象，研究了适用于同类成像光谱仪器的信息反演、定标及评价技术。月表物质类型及元素含量的高光谱遥感分析技术月表矿物及元素的含量及分布信息对月球科学的完善与发展具有十分重要的意义，是绕月卫星高光谱遥感的一项非常重要的任务，也是我国CE-1的四大科学目标之一。论文分析了月表探测对象及其高光谱信息描述与分析途径，分别介绍了四类解决途径：反射光谱吸收峰的分析方法、基于光学参数／矿物元素含量的统计分析方法、光谱相似分析方法以及混合像元分解方法，分析了它们在月表光谱分析中应用前景及需求，讨论了各自在CE-1干涉成像光谱仪数据处理中的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• §1 课题由来
• §2 月球探测历程及发展
• §3 绕月光谱遥感技术概况
• §4 月表光谱应用技术概况
• §5 本论文结构框架
• 第一部分 月表目标特性研究
• 第1章 月表目标反射光谱特征研究
• §1.1 光学术语与基本概念
• 1.1.1 几个易于混淆的概念说明
• 1.1.2 常用的反射属性描述量
• §1.2 月表物质反射光谱数据库及实验室测量方法
• 1.2.1 现有光谱数据库介绍
• 1.2.2 自测数据
• §1.3 月球岩石矿物反射光谱特性研究
• 1.3.1 月球岩石矿物光谱生成机理
• 1.3.2 月表主要矿物的反射光谱特性
• 1.3.3 月表主要岩石类型光谱特征
• 1.3.4 讨论
• §1.4 月壤反射光谱特性
• 1.4.1 月壤光谱的影响因素
• 1.4.2 月壤的非朗伯特性研究
• 1.4.3 月壤的偏振特性研究
• 1.4.4 月壤光谱反射模型
• §1.5 小结
• 第2章 月表目标的辐射度特性
• §2.1 月球上的辐照源
• §2.2 几何光照条件
• §2.3 月表光谱辐亮度
• 2.3.1 月表太阳照度变化
• 2.3.2 月表典型反射比
• 2.3.3 月表辐亮度范围
• §2.4 小结
• 第3章 月表目标空间分布特性
• §3.1 月球地形地貌
• §3.2 大目标分布特点
• §3.3 小结
• 第二部分 月表光谱信息获取技术
• 第4章 绕月探测成像光谱技术
• §4.1 月表光谱探测方法及发展现状
• 4.1.1 月表光谱探测方法
• 4.1.2 绕月探测卫星测谱仪器探测能力分析
• 4.1.3 绕月探测卫星仪器设计总要求
• §4.2 绕月卫星光谱获取仪器方案
• 4.2.1 滤光片轮型
• 4.2.2 局部滤光片
• 4.2.3 楔形滤光片推扫高光谱成像仪
• 4.2.4 光栅分光光谱仪
• §4.3 CE-1干涉型成像光谱仪
• 4.3.1 系统组成
• 4.3.2 通量分析
• 4.3.3 超连续
• 4.3.4 数据量分析
• 4.3.5 其他方面差异比较
• §4.4 小结
• 第5章 干涉成像光谱仪定标技术
• §5.1 干涉成像光谱数据特点
• 5.1.1 干涉强度分布
• 5.1.2 焦面空间分布
• §5.2 干涉成像光谱仪信息模型
• 5.2.1 干涉仪信息模型
• 5.2.2 干涉成像光谱仪DN输出/输出辐亮度关系
• 5.2.3 仪器信息定标模型
• §5.3 仪器定标内容及策略
• 5.3.1 影像标定
• 5.3.2 光谱标定
• §5.4 仪器定标方式
• 5.4.1 测试内容
• 5.4.2 实验室定标
• 5.4.3 在轨异常分析及定标
• §5.5 地面验证试验定性分析
• 5.5.1 地面验证试验
• 5.5.2 试验结果
• §5.6 小结
• 第6章 干涉成像光谱仪月表光谱信息反演技术
• §6.1 月表光谱信息反演流程
• 6.1.1 入瞳辐亮度复原内容
• 6.1.2 月表光谱信息反演内容
• 6.1.3 信息反演流程
• §6.2 干涉图提取及标定
• §6.3 入瞳光谱复原技术
• 6.3.1 低频噪声抑制
• 6.3.2 相位修正
• 6.3.3 切趾
• 6.3.4 傅立叶变换
• §6.4 入瞳光谱辐亮度标定
• 6.4.1 谱线位置修正
• 6.4.2 光谱辐亮度标定
• §6.5 月表辐射度校正
• 6.5.1 Brown大学经验公式
• 6.5.2 McEwen的方法
• 6.5.3 Kreslavsky等关于光度模型的工作
• §6.6 月表光谱反射比反演
• 6.6.1 平场域法（Flat Field）
• 6.6.2 内部平均法（IARR）
• 6.6.3 经验线性法（EL）
• §6.7 小结
• 第7章 干涉成像光谱仪器辐射性能分析
• §7.1 干涉图对比度分析
• 7.1.1 分束膜层影响
• 7.1.2 CCD离散采样
• 7.1.3 杂散光
• 7.1.4 CE-1干涉成像光谱仪总的条纹调制度
• §7.2 信噪比分析
• 7.2.1 光子噪声受限信噪比
• 7.2.2 考虑仪器参数的信噪比计算
• 7.2.3 CE-1干涉成像光谱仪实测图像信噪比
• §7.3 响应线性度分析
• 7.3.1 干涉图线性响应分析
• 7.3.2 饱和辐亮度获取
• 7.3.3 光谱辐亮度线性响应分析
• §7.4 辐射探测能力分析
• 7.4.1 等效噪声功率
• 7.4.2 等效噪声辐亮度与等效噪声反射比
• 7.4.3 CE-1干涉成像光谱仪辐射探测能力分析
• §7.5 小结
• 第三部分 月表物质类型及元素含量的高光谱遥感分析方法
• 第8章 月表探测对象的信息描述及分析途径
• §8.1 月表特征高光谱信息描述
• §8.2 月表高光谱研究对象划分
• §8.3 月表高光谱分析方法
• 第9章 月表基于反射光谱吸收带的光谱分析
• §9.1 反射光谱吸收带表述方法
• 9.1.1 离散谱段吸收带表述方法
• 9.1.2 连续光谱吸收带表述方法
• §9.2 特征参数绘图
• §9.3 修正高斯模型（MGM）方法
• §9.4 应用前景及相应数据需求
• 第10章 基于光学参数/矿物元素（或成熟度）线性关系的遥感信息模型
• §10.1 统计分析法
• 10.1.1 数据源
• 10.1.2 回归分析方法
• §10.2 月表物质反照率/矿物元素（成熟度）的模型
• §10.3 月表物质特定波段间反射比的比值/矿物元素（或成熟度）回归统计
• 10.3.1 TiO2的探测机理及方法
• 10.3.2 FeO的探测机理及方法
• 10.3.3 其他
• §10.4 月表物质自设光学参数/矿物元素（成熟度）的回归统计
• §10.5 应用前景及相应数据需求
• 第11章 月表光谱相似性分析
• §11.1 光谱相似性表述
• 11.1.1 距离函数
• 11.1.2 相似系数
• 11.1.3 相关系数
• §11.2 月表光谱分类应用
• 11.2.1 月壤光谱分类
• 11.2.2 岩性识别及解析
• §11.3 矿物光谱填图
• §11.4 应用前景及相应数据需求
• 第12章 月表混合像元光谱解混技术
• §12.1 光谱混合机理
• 12.1.1 遥感信息获取模型
• 12.1.2 线性混合机理
• 12.1.3 月表光谱混合模型
• 12.1.4 线性光谱混合模型
• §12.2 最小二乘分离法
• 12.2.1 计算方法
• 12.2.2 模拟仿真
• 12.2.3 比较
• §12.3 统计分离技术（无监督）
• 12.3.1 方法
• 12.3.2 仿真
• 12.3.3 两种统计方法的比较
• §12.4 月壤类似物质的适用性分析
• 12.4.1 数据
• 12.4.2 处理流程
• 12.4.3 结果及分析
• §12.5 应用前景及相应数据需求
• 12.5.1 数据内容需求
• 12.5.2 应用前景
• 12.5.3 对CE-1干涉成像光谱仪数据适用性
• 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢