CN102944309A - 等波长分辨率光谱重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等波长分辨率光谱重建方法，包括以下步骤：1）获取干涉图，并对干涉图进行预处理；2）根据预处理后的干涉图对称性计算每一波长位置λ的相位修正因子φ(λ)；3）根据光谱重建波长位置λ以及波长分辨率dλ计算每一波长位置λ的与干涉图对应的等波长分辨率切趾函数T(x,λ)；4）计算每一波长位置λ的光谱强度B_t(λ)。本发明提供了一种在波段覆盖范围内实现任意指定波长位置的等波长分辨率光谱数据以及每一位置的波长分辨率可以在波段范围内的最长波长的分辨率之下任意设定的等波长分辨率光谱重建方法。

Description

等波长分辨率光谱重建方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种等波长分辨率光谱重建方法，尤其涉及一种从干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪干涉图数据重建设定波长位置及设定波长分辨率的光谱的方法。

技术背景

以迈氏或Sagnac等干涉仪为核心的干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪，直接获取目标的干涉强度分布，经过光谱重建后才能获得目标的辐射光谱。干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪的光谱分辨率以波数（波长的倒数）表示，各个通道波数分辨率一致，称之为“等波数分辨率”，当将转换为波长分辨率表示时，其短波波长分辨率高，长波波长分辨率低，波长分辨率在各个通道不一致。

地面波谱库中的光谱数据以及地面实验室光谱仪采集的光谱数据的光谱分辨率是以波长分辨率表示，且各通道波长分辨率一致，称之为“等波长分辨率”。而目前的干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪的光谱重建方法只能获得等波数分辨率光谱数据，两类数据在转换时不能使得各个波段的光谱分辨率都一致，使得光谱比对和应用时非常的不方便，导致其在使用时有一定局限性，非常不利于该类型仪器的光谱数据的推广与应用。

发明内容

为了解决背景技术存在的中干涉型光谱仪或干涉光谱成像仪只能获得等波数分辨率光谱数据的不足等技术问题，本发明提供了一种在波段覆盖范围内实现任意指定波长位置的等波长分辨率光谱数据以及每一位置的波长分辨率可以在波段范围内的最长波长的分辨率之下任意设定的等波长分辨率光谱重建方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供过了一种等波长分辨率光谱重建方法，其特殊之处在于：所述等波长分辨率光谱重建方法包括以下步骤：

1）获取干涉图，并对干涉图进行预处理；

2）根据预处理后的干涉图对称性计算每一波长位置λ的相位修正因子φ(λ)；

3）根据光谱重建波长位置λ以及波长分辨率dλ计算每一波长位置λ的与干涉图对应的等波长分辨率切趾函数T(x,λ)；

4）计算每一波长位置λ的光谱强度B_t(λ)。

上述干涉图是由干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪获得的。

上述步骤1）中的预处理包括暗电流扣除、平场校正以及低频信号滤除。

上述步骤2）中相位修正因子与波长λ的关系是

上述步骤3）中的波长λ及波长分辨率dλ的关系是 $T(x,\mathrm{\λ})=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|x\right|\≤{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\\ 0,& \left|x\right|>{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\end{array}\right..$

上述步骤4）中光谱强度B_t(λ)及每一波长位置λ的关系式是：

$B_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I\left(x\right)\·T(x,\mathrm{\λ})\cos (\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right))\mathrm{dx}.$

本发明所提供的等波长分辨率光谱重建的方法，用于对干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪获取的干涉图数据的等波长分辨率光谱重建，经过干涉图提取、扣除暗电流、平场校正、低频滤除、干涉图切趾、相位修正、余弦傅立叶变换后计算每一波长位置的光谱强度。本发明解决了技术背景中干涉型光谱仪或干涉光谱成像仪只能获得等波数分辨率光谱数据的不足，具体而言，本发明具有以下优点：1）在波段覆盖范围内实现任意指定波长位置的等波长分辨率光谱数据；2）每一位置的波长分辨率可以在波段范围内的最长波长的分辨率之下任意设定。

附图说明

图1为本发明所提供的等波长分辨率光谱重建方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的原理是：光谱分辨率与干涉图的最大光程差有关，干涉图的最大光程差由切趾函数所决定。等波数分辨率光谱重建的方法中，切趾函数是仪器本身截止所形成的矩形函数，每个波长位置相同，经过傅立叶变换后得到的光谱分辨率是不同的；等波长分辨率光谱重建方法中，切趾函数是根据不同波长位置上的光谱分辨率计算得出的矩形函数或其他类型函数，经过傅立叶变换后得到的光谱分辨率是相同的，因此，本发明的核心是根据波长及波长分辨率调节的切趾函数。

由于波数分辨率δσ与干涉图的最大光程差△_max有如下关系：

$\mathrm{\δ\σ}=\frac{1}{2\·{\mathrm{\Δ}}_{\max }}$

波数分辨率δσ和波长分辨率dλ的关系如下：

$\mathrm{d\λ}\≈\frac{\mathrm{\δ\σ}}{{\mathrm{\σ}}^2}={\mathrm{\λ}}^2\·\mathrm{\δ\σ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\·{\mathrm{\Δ}}_{\max }}$

式中，σ为波数，λ为波长，且σ=1λ

所以可以得出波长分辨率和最大光程差的关系如下：

${\mathrm{\Δ}}_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\·\mathrm{d\λ}}$

若要使得dλ相同，则对应于每个波长位置的△_max不同，即对每一个波长位置的光谱复原时加载一个不同△_max的窗口函数即可保证波长分辨率dλ相同，此时光谱复原公式应该为

$B_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I\left(x\right)\·T(x,\mathrm{\λ})\cos (\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right))\mathrm{dx}$

相比较原公式，添加了一项窗口函数

$T(x,\mathrm{\λ})=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|x\right|\≤{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\\ 0,& \left|x\right|>{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\end{array}\right.$

基于上述原理，本发明提供过了一种等波长分辨率光谱重建的方法，该方法包括以下实现步骤，具体流程请参见图1，：

（M1）提取干涉图，并进行暗电流扣除、平场校正及低频滤除等预处理；干涉图是由干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪获得的。

（M2）根据干涉图对称性计算每一波长位置λ的相位修正因子 $\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}^{\′}\left(x\right)\sin (2\mathrm{\πx}/\mathrm{\λ})\mathrm{dx}}{{\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}^{\′}\left(x\right)\cos (2\mathrm{\πx}/\mathrm{\λ})\mathrm{dx}};$

（M3）根据光谱重建波长位置λ以及波长分辨率dλ计算每一波长位置的切趾函数 $T(x,\mathrm{\λ})=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|x\right|\≤{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\\ 0,& \left|x\right|>{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\end{array}\right.$

（M4）计算每一波长位置λ的光谱强度 $B_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I\left(x\right)\·T(x,\mathrm{\λ})\cos (\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right))\mathrm{dx}.$

Claims (6)

1.一种等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述等波长分辨率光谱重建方法包括以下步骤：

1）获取干涉图，并对干涉图进行预处理；

2）根据预处理后的干涉图对称性计算每一波长位置λ的相位修正因子φ(λ)；

3）根据光谱重建波长位置λ以及波长分辨率dλ计算每一波长位置λ的与干涉图对应的等波长分辨率切趾函数T(x,λ)；

4）计算每一波长位置λ的光谱强度B_t(λ)。

2.根据权利要求1所述的等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述干涉图是由干涉型光谱仪或干涉型光谱成像仪获得的。

3.根据权利要求1或2所述的等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述步骤1）中的预处理包括暗电流扣除、平场校正以及低频信号滤除。

4.根据权利要求3所述的等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述步骤2）中相位修正因子与波长λ的关系是

5.根据权利要求4所述的等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述步骤3）中的波长λ及波长分辨率dλ的关系是 $T(x,\mathrm{\λ})=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|x\right|\≤{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\\ 0,& \left|x\right|>{\mathrm{\λ}}^2/\left(2\mathrm{d\λ}\right)\end{array}\right..$

6.根据权利要求5所述的等波长分辨率光谱重建方法，其特征在于：所述步骤4）中光谱强度B_t(λ)及每一波长位置λ的关系式是：

$B_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I\left(x\right)\·T(x,\mathrm{\λ})\cos (\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right))\mathrm{dx}.$

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