CN102288292A - 哈达玛变换光谱成像仪定标系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明哈达玛变换光谱成像仪定标系统及方法，包括按照光路依次设置的单色光源、光匀化装置、调制盘以及主控电脑，单色光源的出射光经光匀化装置和调制盘后入射至待标定哈达玛变换光谱仪上，主控电脑分别与待标定光谱成像仪连接。本发明解决了现有的光谱成像仪的定标方法定标精度不高、定标过程复杂的技术问题，本发明通过精确测定探测器与空间光调制器的成像位置关系来实现光谱定标，定标过程与像面像元尺寸无关，可实现亚像元的光谱标定，显著提高了哈达玛变换光谱成像仪的光谱定标精度。

Description

哈达玛变换光谱成像仪定标系统及方法

技术领域

本发明属于光学仪器校准检测领域，可用于哈达玛变换光谱成像仪的光谱定标。

技术背景

光谱成像技术融光谱技术与成像技术为一体，始于20世纪80年代，既能实现目标成像同时又可以测量目标光谱特征，实现对目标特性的综合探测与识别，在资源探测、环境监测和空间目标识别等领域具有其他遥感技术无法替代的优势。

哈达码变换光谱成像仪的理论基础来自于法国数学家Jacques Hadamard，他提出的一种权重设计方法，使得在对一组目标进行测量后测量误差得到了最佳控制和降低。该类光谱成像仪具有高通量和多通道的特点，且光谱复原运算量比傅里叶变换光谱仪要小得多，特别适合弱目标的光谱探测识别，有着广泛的应用前景。哈达玛变换光谱成像仪中的核心器件是空间光调制器，通过控制光路的“通断”实现光谱哈达玛变换编码，最初使用机械模板实现，随着科技的发展，一些新型光电器件如数字液晶光阀、数字微镜阵列等逐渐被应用在光谱仪中，使得该类型光谱仪再次成为研究的热点。

光谱成像仪的定标是指建立探测器每个像元输出信号数值与该探测器对应像元目标辐射强度之间定量关系的过程，定标的准确度很大程度上决定了光谱成像仪数据的可靠性及其应用的深度和广度，具有重要的意义。按定标的内容分为光谱定标和辐射定标，光谱定标用来确定光谱成像仪对输入光谱的响应。通常色散型光谱成像仪的光谱定标，多通过探测对某一特定光源的光谱响应曲线来确定，但由于哈达玛变换光谱成像仪原理的不同，上述方法存在一定的缺陷：1)当光谱谱段数较少时，上述定标方式的定标精度不高；2)如果改变空间光调制器的编码方式，则需要重新进行光谱定标；3)探测器上每个像元的光谱定标参数都不同，需要存储大量的定标数据；4)定标过程中需要进行哈达玛逆变换对数据进行处理。

发明内容

为了解决现有的光谱成像仪的定标方法定标精度不高、定标过程复杂的技术问题，本发明提供一种哈达玛变换光谱成像仪定标系统及方法。

本发明的技术解决方案：

哈达玛变换光谱成像仪定标系统，其特殊之处在于：包括按照光路依次设置的单色光源、光匀化装置、调制盘以及主控电脑，所述单色光源的出射光经光匀化装置和调制盘后入射至待标定哈达玛变换光谱仪上，所述主控电脑分别与待标定光谱成像仪连接。

还包括用于罩住单色光源、光匀化装置、调制盘和哈达玛变换光谱成像仪的暗箱。

上述单色光源为单色仪、激光器或卤素灯；所述光匀化装置为积分球或漫反射板。

哈达玛变换光谱成像仪定标方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】组装仪器：采用已标定的单色光源连接光匀化装置的入射窗获得均匀单色入射光，光匀化装置的出射窗设置调制盘；将哈达玛变换光谱成像仪置于调制盘后，使光匀化装置的出射光充满哈达玛变换光谱成像仪的入瞳；主控电脑与待标定哈达玛变换光谱成像仪进行连接；最后将单色光源、光匀化装置、调制盘和待标定哈达玛变换光谱成像仪均设置在暗箱内；

2】采集图像：

2.1】单色光源发出单色入射光并匀化，入射光的波长在待标定哈达玛变换光谱成像仪的光谱响应范围内，且光谱半高宽小于光谱仪的谱段宽度，通过计算机控制哈达玛变换光谱成像仪的空间光调制器件，令其加载定标用编码图案；

2.2】哈达玛变换光谱成像仪的探测器采集光谱图像；

3】求解坐标变换方程：

3.1】将哈达玛变换光谱成像仪的探测器所采集到图像与定标用编码图案通过坐标变换方程组描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a_{\mathrm{\λ}}x+b_{\mathrm{\λ}}\\ y_0=c_{\mathrm{\λ}}y+d_{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.$

其中：

(x，y)为探测器在入射光波长为λ时光谱图像的坐标，

(x₀，y₀)为空间光调制器件加载的定标用编码图案坐标，

a_λ，b_λ，c_λ，d_λ为待定系数；

3.2】分别找到光谱图像和编码图案中相似点的坐标，通过最小二乘拟合算法得到坐标变换方程的系数a_λ，b_λ，c_λ，d_λ；

4】改变入射光的波长，重复步骤2】至步骤3】，得到不同波长下的待定系数

n为自然数；

5】拟合系数方程：

5.1】根据待标定光谱仪选用色散元件的类型选用拟合方程，将步骤4】中得到的待定系数和入射光的波长拟合为拟合波长函数：

a＝f₁(λ)，b＝f₂(λ)，c＝f₃(λ)，d＝f₄(λ)，

5.2】将得到的拟合波长函数带入步骤3】给出的坐标变换方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(\mathrm{\λ}\right)x_0+f_2\left(\mathrm{\λ}\right)\\ y=f_3\left(\mathrm{\λ}\right)y_0+f_4\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.;$

6】将待标定哈达玛变换光谱成像仪的起止波长和需要标定的光谱图像的像元坐标带入步骤5】的坐标变换方程组中，求解得到对应的空间光调制器件起止波长位置坐标；

7】通过待标定哈达玛变换成像光谱仪正常工作时所使用的哈达玛变换编码图案，确定哈达玛变换矩阵；

8】根据步骤6】中算出的起止波长位置坐标，结合哈达玛变换矩阵给出各谱段中心位置坐标，带入步骤5】中坐标变换方程求解中心波长，完成光谱的定标。

本发明所具有的优点：

1、通过精确测定探测器与空间光调制器的成像位置关系来实现光谱定标，定标过程与像面像元尺寸无关，可实现亚像元的光谱标定，显著提高了哈达玛变换光谱成像仪的光谱定标精度。

2、无需经过哈达玛逆变换，减少数据运算量。

3、只需存贮坐标变换方程的参数，即可求解每个像元的光谱定标参数，减少了光谱定标数据的存储量。

4、当改变空间光调制器的调制方式时(如改变哈达玛变换的阶数)，只需要重新求解坐标变换方程，而无需再次进行定标。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；其中附图标记：1-光匀化装置，2-调制盘，3-哈达玛变换光谱成像仪，4-单色光源，5-主控电脑，6-暗箱；

图2为编码图案；

图3为550nm入射光波长采集得到的图像；

图4为探测器上坐标示意图；

图5为对应空间光调制器的相似点坐标示意图；

图6哈达玛变换循环编码的第一阶编码(沿X方向编码)示意图；

具体实施方式

1、连接仪器：如图1所示为哈达玛变换光谱成像仪定标系统的结构示意图，

1)采用已标定的单色仪连接积分球或漫反射板获得均匀单色光，其中单色仪可以更换为激光器、钠黄灯等单色性较好的光源，2)积分球出口设置调制盘，3)将哈达玛变换光谱成像仪置于调制盘后，使积分球出射光束充满光谱仪入瞳，4)单色仪、积分球、调制盘和光谱仪可置于暗箱内，减小杂散光对定标精度的影响，5)主控电脑与单色仪和待标定光谱仪进行连接，

2、开启光源，调整入射光的光谱特性。使入射光的波长在待标定哈达玛变换光谱成像仪的光谱响应范围内，且光谱半高宽小于光谱仪的谱段宽度，利用调制盘改变入射光的强度以满足系统的动态范围。

3、通过主控电脑控制哈达玛变换光谱仪的空间光调制器件，令其加载定标用编码图案。

4、采集图像。

5、求解坐标变换方程。由于采用单色光均匀照明，探测器所采集到光谱图像与空间光调制器件加载的定标用编码图案具有几何成像关系、形状相似，可以通过线性方程组来描述。公式描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a_{\mathrm{\λ}}x+b_{\mathrm{\λ}}\\ y_0=c_{\mathrm{\λ}}y+d_{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.$

其中(x，y)为探测器在入射波长为λ时光谱图像的像元的坐标，(x₀，y₀)为空间光调制器的编码图案坐标，a_λ，b_λ，c_λ，d_λ为待定系数。

分别找到图像和编码图中相似点的坐标，通过最小二乘拟合算法得到图像和编码坐标变换方程的系数a_λ，b_λ，c_λ，d_λ。

6、改变入射光的波长，重复步骤3～5，得到不同波长下坐标变换系数

(n为自然数)。

7、拟合系数方程。

根据待标定光谱仪选用色散元件的类型，确定拟合方程，将步骤6中得到的变换系数拟合为拟合波长函数a＝f₁(λ)，b＝f₂(λ)，c＝f₃(λ)，d＝f₄(λ)。

如色散元件为光栅时，拟合方程可为线形方程；

色散元件为棱镜时，可选用非线性方程，带入步骤5给出的方程得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(\mathrm{\λ}\right)x_0+f_2\left(\mathrm{\λ}\right)\\ y=f_3\left(\mathrm{\λ}\right)y_0+f_4\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.$

8、将待标定哈达玛变换光谱成像仪起止波长和需要标定的光谱图像像元坐标带入步骤7的方程中，求解得到对应的空间光调制器件编码图案坐标。

9、根据步骤8中求解得到的坐标，对比的待标定仪器的哈达玛变换编码方式，确定哈达玛变换矩阵。

10、根据步骤8中算出的起止位置，结合编码图给出各谱段编码中心位置坐标，带入步骤7中坐标变换方程求解中心波长，完成光谱的定标。

对一个哈达玛变换成像光谱仪进行光谱定标，该仪器使用TI公司的数字微镜阵列DMD器件作为空间光调制器件，以光栅作为色散元件，谱段范围550nm～680nm，谱段数7/15可调。

实施例：

1、组装仪器

1)采用已标定的北光世纪公司的WDG15-Z型光栅单色仪连接Labsphere公司的3P-GPS-030-SF通用型积分球获得均匀单色光；

2)积分球出口设置调制盘；

3)将哈达玛变换光谱成像仪置于调制盘后，使积分球出射光束充满光谱仪入瞳；

4)单色仪、积分球、调制盘和光谱仪置于暗箱内，减小杂散光对定标精度的影响；

5)主控电脑与单色仪和待标定光谱仪进行连接；

2、开启光源，调整入射光的光谱特性。

调整单色仪出射光的波长为560nm，光谱半高宽为5nm，利用调制盘改变出射光的强度以满足待标定光谱仪的动态范围。

3、通过主控电脑控制哈达玛变换光谱仪的空间光调制器件，令其加载定标用编码图案，编码图案如图2所示。

4、采集图像。得到如图3所示：550nm入射波长采集得到的光谱图像。

5、求解坐标变换方程。

由于采用单色光均匀照明，探测器所采集到光谱图像与空间光调制器件的编码图案具有几何成像关系、形状相似，可以通过坐标变换方程组来描述，方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a_{560}x+b_{560}\\ y_0=c_{560}y+d_{560}\end{array}\right.$

其中(x，y)为探测器在入射波长为560nm时光谱图像的坐标，(x₀，y₀)为空间光调制器件编码图案的坐标，a₅₆₀，b₅₆₀，c₅₆₀，d₅₆₀为待定系数。

分别找到光谱图像和编码图案中相似点的坐标，如图4所示，探测器上光谱图像的坐标为

P1(219，71)，P2(124，71)，P3(74，155)，P4(168，154)，P5(77，358)，P6(221，360)，P7(96，472)，P8(218，475)。

对应空间光调制器件的相似点编码图案坐标，如图5所示，

P1’(176，43)，P2’(121，42)，P3’(90，91)，P4’(145，92)，P5’(90，216)，P6’(176，216)，P7’(102，285)，P8’(174，286)。

通过最小二乘拟合算法得到光谱图像和编码图案坐标变换方程的待定系数为a₅₆₀＝0.5916，b₅₆₀＝45.73，c₅₆₀＝0.6049，d₅₆₀＝-1117。

6、改变入射光的波长为600nm，640nm，重复步骤3～5，得到坐标变换方程的待定系数分别为：

a₆₀₀＝0.594，b₆₀₀＝28.45，c₆₀₀＝0.6067，d₆₀₀＝-1.064；

a₆₄₀＝0.6013，b₆₄₀＝15.94，c₆₄₀＝0.6061，d₆₄₀＝-1.292。

7、拟合系数方程。

待标定哈达玛变换成像光谱仪的色散元件为光栅，拟合方程选用线性方程，将步骤6中得到的变换方程的待定系数与入射光的波长进行拟合，求解方程的参数，得到待定系数和入射光的波长的方程即波长函数；

$\left\{\begin{array}{c}a=0.0001212\mathrm{\λ}+0.5229\\ b=-0.3724\mathrm{\λ}+253.5\\ c=0.000015\mathrm{\λ}+0.5969\\ d=-0.002188\mathrm{\λ}+0.1548\end{array}\right.$

将上述波长函数带入步骤5中的方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=(0.0001212\mathrm{\λ}+0.5229)x_0-0.3724\mathrm{\λ}+253.5\\ y=(0.000015\mathrm{\λ}+0.2969)y_0-0.002188\mathrm{\λ}+0.1548\end{array}\right.$

8、待标定哈达玛变换成像光谱仪的光谱范围为550nm～680nm，对于探测器上坐标为(50，50)的像元，500nm波长对应空间光调制器件编码图案坐标为(78.1580，14.2089)，680nm波长对应空间光调制器编码器件图案坐标为(30.5338，14.022)。

9、如图6为6阶哈达玛变换循环编码的第一阶编码(沿X方向编码)，图中短线为求解得到的坐标位置连线，从图上可以看出对应编码为[1010011]，根据循环编码原理，可以知道哈达玛变换矩阵为：

$H=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 1& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 1& 1& 1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 1& 0& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\end{array}\right]$

10、编码的沿X方向中心位置分别为[75，68，61，54，47，40，33]，此中心位置对应的波长就是各谱段光谱的中心波长，将探测器坐标(50，50)和编码中心位置坐标代入步骤7中的方程组求解步骤7各谱段中心波长分别为[558.6204，577.7283，596.8363，615.9442，635.0521，654.1601，673.2680]，完成对该像元的光谱定标。

Claims (4)

1.哈达玛变换光谱成像仪定标系统，其特征在于：包括按照光路依次设置的单色光源、光匀化装置、调制盘以及主控电脑，所述单色光源的出射光经光匀化装置和调制盘后入射至待标定哈达玛变换光谱仪上，所述主控电脑分别与待标定光谱成像仪连接。

2.根据权利要求1所述的哈达玛变换光谱成像仪定标系统，其特征在于：还包括用于罩住单色光源、光匀化装置、调制盘和哈达玛变换光谱成像仪的暗箱。

3.根据权利要求1或2所述的哈达玛变换光谱成像仪定标系统，其特征在于：所述单色光源为单色仪、激光器或卤素灯；所述光匀化装置为积分球或漫反射板。

4.哈达玛变换光谱成像仪定标方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】组装仪器：采用已标定的单色光源连接光匀化装置的入射窗获得均匀单色入射光，光匀化装置的出射窗设置调制盘；将哈达玛变换光谱成像仪置于调制盘后，使光匀化装置的出射光充满哈达玛变换光谱成像仪的入瞳；主控电脑与待标定哈达玛变换光谱成像仪进行连接；最后将单色光源、光匀化装置、调制盘和待标定哈达玛变换光谱成像仪均设置在暗箱内；

2】采集图像：

2.1】单色光源发出单色入射光并匀化，入射光的波长在待标定哈达玛变换光谱成像仪的光谱响应范围内，且光谱半高宽小于光谱仪的谱段宽度，通过计算机控制哈达玛变换光谱成像仪的空间光调制器件，令其加载定标用编码图案；

2.2】哈达玛变换光谱成像仪的探测器采集光谱图像；

3】求解坐标变换方程：

3.1】将哈达玛变换光谱成像仪的探测器所采集到图像与定标用编码图案通过坐标变换方程组描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=a_{\mathrm{\λ}}x+b_{\mathrm{\λ}}\\ y_0=c_{\mathrm{\λ}}y+d_{\mathrm{\λ}}\end{array}\right.$

其中：

(x，y)为探测器在入射光波长为λ时光谱图像的坐标，

(x₀，y₀)为空间光调制器件加载的定标用编码图案坐标，

a_λ，b_λ，c_λ，d_λ为待定系数；

3.2】分别找到光谱图像和编码图案中相似点的坐标，通过最小二乘拟合算法得到坐标变换方程的系数a_λ，b_λ，c_λ，d_λ；

4】改变入射光的波长，重复步骤2】至步骤3】，得到不同波长下的待定系数

n为自然数；

5】拟合系数方程：

5.1】根据待标定光谱仪选用色散元件的类型选用拟合方程，将步骤4】中得到的待定系数和入射光的波长拟合为拟合波长函数：

a＝f₁(λ)，b＝f₂(λ)，c＝f₃(λ)，d＝f₄(λ)，

5.2】将得到的拟合波长函数带入步骤3】给出的坐标变换方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}x=f_1\left(\mathrm{\λ}\right)x_0+f_2\left(\mathrm{\λ}\right)\\ y=f_3\left(\mathrm{\λ}\right)y_0+f_4\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.;$

6】将待标定哈达玛变换光谱成像仪的起止波长和需要标定的光谱图像的像元坐标带入步骤5】的坐标变换方程组中，求解得到对应的空间光调制器件起止波长位置坐标；

7】通过待标定哈达玛变换成像光谱仪正常工作时所使用的哈达玛变换编码图案，确定哈达玛变换矩阵；

8】根据步骤6】中算出的起止波长位置坐标，结合哈达玛变换矩阵给出各谱段中心位置坐标，带入步骤5】中坐标变换方程求解中心波长，完成光谱的定标。

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