基于空间外差光谱仪干涉图分析的目标识别方法研究

Spatial heterodyne spectroscopy (SHS) is a new remote sensing technique which can obtain high spectral resolution. It combines the advantages of grating and FTS techniques. SHS can be applied to remote sensing of atmospheric trace gases. However, the traditional methods of target recognition base on hyperspectrum must obtain background spectrum. A new method of target recognition by direct analysis of interferogram data from spatial heterodyne spectrometer is researched in this project. The new method needn't to obtain clean background spectrum. The reference database of atmospheric trace gases characteristic in SHS interferogram is built after research SHS interferogram modulation theory and simulation of SHS interferogram. Explore an effective method of feature information extraction in SHS interferogram and present a correlation algorithm of interferogram matching. Establish theoretical model of target recognition by direct analysis of interferogram data from spatial heterodyne spectrometer, and validate by measured SHS interferogram. This project support theory for atmospheric trace gases recognition and quantitative analysis by direct analysis of interferogram data from spatial heterodyne spectrometer. These works are data mining for SHS remote sensing data, and will be beneficial to improve the atmospheric retrieval ability of SHS remote sensing data, improve the ability of atmospheric trace gases recognition and quantitative remote sensing.

空间外差光谱技术集光栅与FTS技术于一体，是目前可实现超高光谱分辨的新型遥感技术，该技术可应用于大气痕量气体的遥感探测。然而，传统的高光谱目标识别方法在探测过程中需要预先获取背景光谱。本项目探索基于空间外差光谱仪干涉图的目标识别方法，克服了必须测量背景谱的限制，为空间外差光谱技术在目标识别上提供新方法。通过空间外差光谱仪干涉图调制机理研究、干涉图仿真研究建立痕量气体的空间外差光谱仪干涉图特征信息的参考谱；探索有效的干涉图特征信息提取方法，提出干涉图匹配的相关性算法；建立基于空间外差光谱仪干涉图分析的目标识别基本理论模型，并通过实测干涉图对理论模型加以验证优化；为基于空间外差光谱仪干涉图分析的大气痕量气体定性识别与量化分析提供理论支撑。项目工作是对空间外差光谱仪遥感数据信息的数据挖掘，有利于提高空间外差光谱仪遥感数据的分析反演能力，提升大气痕量气体的定性识别和定量化遥感监测能力。

空间外差光谱技术（SHS）集光栅与FTS技术于一体，是一种新型的超高光谱分辨遥感技术。该技术能有效应用于大气痕量气体等微弱信号目标的超光谱遥感探测。传统的高光谱目标识别方法在探测过程中需要预先获取背景光谱。本项目探索基于空间外差光谱仪干涉图分析的目标识别方法，克服了必须测量背景谱的限制，为空间外差光谱技术在目标识别上提供新方法，同时也是对SHS干涉图信息的有效挖掘。围绕着这一研究目标，我们开展了以下研究工作：.（1）开展了空间外差光谱仪干涉图调制机理研究以及空间外差光谱仪干涉图校正研究工作，为干涉图的目标识别方法研究打下基础。针对干涉图的校正方面，我们提出了改进的二维干涉图相位校正方法以及基于频域的干涉图校正方法。.（2）结合大气辐射传输理论和大气分子吸收特性，以HITRAN数据库光谱参数为依据，利用JavaHAWKS软件计算目标光谱线数据，再运用逐线积分模型对水汽进行超光谱信息仿真，为水汽空间外差干涉图的目标识别方法研究提供基础数据和参考依据。我们以中科院安徽光机所研制的近红外空间外差光谱水汽探测仪为参考，选择相应的光谱波段进行超光谱仿真及干涉图仿真，水汽选择930nm-950nm特征波段。此外，我们还拓展了研究内容，开展了火箭尾焰中钾元素共振双线的超光谱仿真，钾线光谱选择766nm、769nm两条特征光谱线。.（3）主要以水汽为例开展空间外差干涉图特征提取与目标识别方法研究。此外，还以火箭尾焰中钾元素共振双线微弱信号目标为例开展研究。提出了三种空间外差干涉图特征提取与目标识别方法：干涉谱匹配的SHS信号提取方法、FIR滤波器与回归分析的空间外差干涉谱目标识别方法、经验模态分解与回归分析的空间外差干涉谱目标识别方法。通过实验对这几种算法进行了验证分析，并比较了这几种算法的特点。.总之，项目深入研究了基于空间外差光谱仪干涉图的目标识别方法，为空间外差光谱技术在目标识别上的新方法提供参考依据，同时使SHS干涉图信息得到进一步挖掘应用。