本文關(guān)鍵詞：星載傅里葉光譜儀星上數(shù)據(jù)處理研究

  更多相關(guān)文章： 傅里葉光譜儀 非線性校正 光譜定標(biāo) 多幀疊加 相位校正 切趾

【摘要】：傅里葉變換光譜儀作為一種高光譜高分辨率測(cè)量?jī)x器,具有很高的分光效率,且具有高光通量,多通道,高分辨率等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于氣象、環(huán)境分析或行星大氣組分探測(cè)。面陣成像式傅里葉光譜儀可以單次測(cè)量獲得更大區(qū)域的探測(cè)數(shù)據(jù),從而獲得地面二維,垂直空間維和時(shí)間維四維數(shù)據(jù)的探測(cè)。根據(jù)傅里葉變換光譜儀自身的特點(diǎn),目標(biāo)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的干涉圖數(shù)據(jù)量非常大,面陣成像式星載傅里葉光譜儀獲取的干涉數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量更是給衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳帶來(lái)了壓力,因此有必要對(duì)儀器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌處理以降低儀器傳輸數(shù)據(jù)量。時(shí)間調(diào)制型傅里葉光譜儀采集的干涉圖數(shù)據(jù)包含探測(cè)面和時(shí)間的3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在軌處理數(shù)據(jù)量更加龐大,星上數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度也隨之增加。傅里葉光譜儀作為高光譜儀器,復(fù)原光譜的精度決定了其數(shù)據(jù)反演大氣溫度、濕度及其他氣體分子垂直分布的準(zhǔn)確度,因此星上數(shù)據(jù)處理應(yīng)在降低數(shù)據(jù)量的同時(shí),盡可能的保證光譜精度。論文首先介紹了傅里葉光譜儀及其在軌數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展情況,總結(jié)國(guó)際上星載干涉儀器的典型處理方案,在對(duì)傅里葉光譜儀光譜誤差分析的基礎(chǔ)上,研究干涉圖和光譜圖的修正算法,包括毛刺校正,探測(cè)器非線性校正,切趾,相位校正,光譜定標(biāo),輻射定標(biāo)等數(shù)據(jù)處理原理和方法。論文根據(jù)星上數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)高壓縮比和高光譜精度保真的原則,對(duì)比幾種常用的數(shù)據(jù)處理方案,設(shè)計(jì)光譜進(jìn)行星上復(fù)原并提取有效光譜數(shù)據(jù)的方式來(lái)降低下傳數(shù)據(jù)量,該方法實(shí)際上是將部分傅里葉光譜儀數(shù)據(jù)處理工作在星上進(jìn)行實(shí)現(xiàn),包括毛刺校正,切趾,非線性校正,相位校正等,并設(shè)計(jì)干涉圖多幀疊加的方式進(jìn)行信噪比的提高和更高壓縮比的獲得。星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)涉及的算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以簡(jiǎn)化星上算法的復(fù)雜度,同時(shí)星上采用32位單精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,確保光譜精度的保留。經(jīng)分析驗(yàn)證,星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理,例如4幀疊加后數(shù)據(jù)量最多可以降低40倍以上,而且可以修正干涉圖誤差導(dǎo)致的光譜畸變,且多路并行處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便對(duì)更大面陣更多象元傅里葉光譜儀的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行擴(kuò)展。最后,論文介紹基于實(shí)驗(yàn)室干涉儀系統(tǒng)和信息獲取板的干涉圖多幀疊加實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn),并給出對(duì)下傳的干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的地面數(shù)據(jù)分析軟件的簡(jiǎn)要介紹。研究結(jié)果表明,本課題提出的數(shù)據(jù)處理方案和相關(guān)算法設(shè)計(jì)是合理和可行的。通過(guò)對(duì)干涉儀器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,可以極大的降低下傳數(shù)據(jù)量,同時(shí)提高復(fù)原光譜準(zhǔn)確度。本課題的研究結(jié)果對(duì)于星載傅里葉光譜儀,尤其是基于時(shí)間調(diào)制面陣成像式傅里葉光譜儀的星上數(shù)據(jù)處理的深入研究及工程化實(shí)現(xiàn)有重要參考意義。
【關(guān)鍵詞】：傅里葉光譜儀 非線性校正 光譜定標(biāo) 多幀疊加 相位校正 切趾
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V447.1
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 1 緒論14-25
• 1.1 課題背景與意義14-15
• 1.2 星載傅里葉光譜儀的進(jìn)展概況15-18
• 1.3 典型傅里葉光譜儀星上數(shù)據(jù)處理方案18-23
• 1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容23-25
• 2 傅里葉光譜儀原理25-39
• 2.1 傅里葉光譜儀分光原理25-26
• 2.2 干涉圖有限光程差與離散采樣26-29
• 2.2.1 干涉圖離散采樣26-28
• 2.2.2 有限光程差與光譜分辨率28-29
• 2.3 干涉圖采樣誤差29-33
• 2.3.1 等時(shí)間采樣及誤差分析30-31
• 2.3.2 激光參考采樣及誤差分析31-33
• 2.3.3 等時(shí)間采樣與激光參考采樣的比較33
• 2.4 傅里葉光譜儀噪聲誤差分析33-38
• 2.4.1 探測(cè)器固有噪聲33-34
• 2.4.2 電子學(xué)噪聲34-36
• 2.4.3 傅里葉光譜儀信噪比優(yōu)化方法36
• 2.4.4 傅里葉光譜儀光譜噪聲評(píng)估方法36-38
• 2.5 本章小結(jié)38-39
• 3 傅里葉光譜儀星上數(shù)據(jù)處理算法39-72
• 3.1 干涉圖毛刺檢測(cè)與校正39-42
• 3.1.1 基于固定閾值的毛刺檢測(cè)算法40
• 3.1.2 基于濾波和標(biāo)準(zhǔn)差的毛刺檢測(cè)40-41
• 3.1.3 逐點(diǎn)求差比較法檢測(cè)毛刺41-42
• 3.2 探測(cè)器非線性校正42-44
• 3.2.1 探測(cè)器非線性對(duì)光譜的影響42-43
• 3.2.2 非線性校正方法43-44
• 3.3 切趾44-47
• 3.4 快速傅里葉變換47-52
• 3.4.1 快速傅里葉變換算法47-51
• 3.4.2 快速傅里葉變換算法比較51-52
• 3.5 光譜定標(biāo)52-66
• 3.5.1 儀器線性函數(shù)52-59
• 3.5.2 光譜定標(biāo)方法59-66
• 3.6 相位校正66-69
• 3.6.1 求模法66-67
• 3.6.2 Mertz乘積法67-68
• 3.6.3 Forman卷積法68
• 3.6.4 主極大值擬合法68-69
• 3.7 輻射定標(biāo)69-71
• 3.7.1 地面輻射定標(biāo)69-70
• 3.7.2 星上輻射定標(biāo)70-71
• 3.8 本章小結(jié)71-72
• 4 面陣傅里葉光譜儀星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)72-95
• 4.1 星上數(shù)據(jù)處理方案對(duì)比與選擇72-76
• 4.1.1 干涉圖抽取濾波72-74
• 4.1.2 星上光譜復(fù)原和提取74
• 4.1.3 基于干涉圖編碼的星上數(shù)據(jù)壓縮算法74-76
• 4.1.4 星上數(shù)據(jù)疊加方案76
• 4.1.5 星上數(shù)據(jù)處理方案選擇76
• 4.2 整體方案設(shè)計(jì)76-79
• 4.2.1 方案參考模型76-77
• 4.2.2 整體方案設(shè)計(jì)77-79
• 4.3 星上數(shù)據(jù)處理硬件系統(tǒng)方案79-80
• 4.4 原始干涉圖采集與預(yù)處理80-83
• 4.4.1 原始干涉數(shù)據(jù)采集80-81
• 4.4.2 毛刺校正81-82
• 4.4.3 探測(cè)器非線性校正與光譜切趾82-83
• 4.5 干涉圖多幀疊加求平均83-84
• 4.6 星上光譜變換及光譜提取84-86
• 4.7 相位校正86-87
• 4.8 星上總線傳輸87
• 4.9 星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)壓縮比和光譜精度87-89
• 4.10 星上數(shù)據(jù)處理算法驗(yàn)證89-94
• 4.10.1 毛刺檢測(cè)算法驗(yàn)證89-90
• 4.10.2 光譜切趾對(duì)光譜波數(shù)誤差的校正90
• 4.10.3 非線性校正算法驗(yàn)證90-92
• 4.10.4 干涉圖疊加對(duì)光譜信噪比的優(yōu)化92-93
• 4.10.5 相位校正對(duì)定標(biāo)誤差的改善93-94
• 4.11 本章小結(jié)94-95
• 5 干涉圖多幀疊加系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)95-116
• 5.1 干涉圖多幀疊加系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)95-112
• 5.1.1 硬件板卡及功能描述95-96
• 5.1.2 紅外干涉信號(hào)同步采集96-102
• 5.1.3 干涉圖多幀疊加102-107
• 5.1.4 數(shù)據(jù)打包與傳輸107-110
• 5.1.5 干涉圖多幀疊加實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)測(cè)試110-112
• 5.2 地面數(shù)據(jù)分析軟件112-115
• 5.3 本章小結(jié)115-116
• 6 總結(jié)與展望116-118
• 參考文獻(xiàn)118-125
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果125

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