CN103245414A - 一种单色仪与成像光谱仪的交叉光谱定标装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种单色仪与成像光谱仪的交叉光谱定标装置及方法，涉及光谱技术领域中的光电仪器技术，解决现有技术无法实现采用同一套装置或方法实现对单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标的问题，所述光源系统包括汞灯光源和可调连续光源；光源系统输出光源经扫描式光栅单色仪色散后，由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收，控制器控制光源系统输出光源能量，控制扫描式光栅单色仪的波长扫描和步进数的输出，主控计算机接收控制器输出的扫描式光栅单色仪扫描的波长和输出的步进数信息；主控计算机对成像光谱仪进行参数设置及获取成像光谱仪的光谱信息。系统结构简单、易操作、定标精度高。

Description

一种单色仪与成像光谱仪的交叉光谱定标装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱技术领域中的光电仪器技术，具体涉及一种光、机、电、算一体化的单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置及方法。

背景技术

成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感器，以获取目标的详细图谱信息为目的，它把光谱技术与成像技术有机地融为一体。利用它可以在遥感平台上以高空间分辨率和高光谱分辨率获取物质光谱图像，是传统光谱分析技术（即定性、定量分析）向现代光谱分析技术（即定性、定量、定时、定位分析）发展的重要载体。

遥感信息定量化要求对成像光谱仪进行精确定标，成像光谱仪定标的作用是确定探测单元输出数字量与其接收到的电磁波信号间的定量关系，通过定标，为不同遥感仪器在不同时间、不同地点测得的成像光谱数据提供统一的参照，是对成像光谱数据进行定量化分析的前提。成像光谱仪定标包括光谱定标、辐射定标及几何定标，其中光谱定标是确定系统光谱特性的重要手段，同时也是进行辐射定标的前提。通常采用波长扫描法对成像光谱仪进行光谱定标，利用单色仪以一定步长连续步进输出单色光，并同步记录成像光谱数据，当单色仪全波段扫描完成后，可分析得到成像光谱仪各波段中心波长、全波半高宽、光谱取样间隔等参数，即完成了成像光谱仪的光谱定标过程。

成像光谱仪光谱定标的定标精度是系统的重要技术指标之一，影响光谱定标精度的因素包括单色仪输出波长准确度、单色仪输出能量稳定度、单色仪输出的单色光带宽等因素。对于单色仪输出波长准确度，需要在光谱定标前对单色仪进行高精度光谱标定；对于单色仪输出能量稳定度，一方面需要提高光源的亮度稳定度，另一方面需要在实际定标过程中对测量数据进行数字滤波，最后再对测量得到的光谱响应曲线进行高斯拟合，以降低能量波动对定标精度的影响；对于单色仪输出的单色光带宽，需要在单色仪设计、加工及装调过程中进行严格控制。

综上所述，单色仪的高精度光谱定标是成像光谱仪光谱定标的基础，同时由于成像光谱仪光谱分辨率高、空间像元及波段多，因此光谱定标是一项工作量巨大、繁琐耗时的工作。

发明内容

本发明为解决现有技术无法实现采用同一套装置或方法实现对单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标的问题，提供一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置及方法。

一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置，该装置包括光源系统、扫描式光栅单色仪、控制器、平行光管、成像光谱仪和主控计算机；所述光源系统包括汞灯光源和可调连续光源；光源系统输出光源经扫描式光栅单色仪色散后，由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收，控制器控制光源系统输出光源能量，控制扫描式光栅单色仪的波长扫描和步进数的输出，主控计算机接收控制器输出的扫描式光栅单色仪扫描的波长和输出的步进数信息；主控计算机对成像光谱仪进行参数设置及获取成像光谱仪的光谱信息。

一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整成像光谱仪，设置接收光源的像素点；通过光源切换开关切换为单色仪定标模式，汞灯光源经扫描式光栅单色仪后由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收；

步骤二、主控计算机通过控制器对汞灯光源进行波长扫描，成像光谱仪探测汞灯光源的特征谱线，获取汞灯光源特征谱线与扫描式光栅单色仪扫描步进数的信息；

步骤三、对步骤二获取的特征谱线与扫描步进数进行线性拟合，获得扫描式光栅单色仪的光谱定标系数，实现对扫描式光栅单色仪的标定；

步骤四、调整成像光谱仪，设置接收单色光源的像素点；通过光源切换开关切换为成像光谱仪定标模式，可调连续光源经扫描光栅单色仪色散后由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收；

步骤五、设置扫描式光栅单色仪的定标区间及扫描步进波长；

步骤六、调整光源系统输出可调连续光源的亮度；

步骤七、成像光谱议对接收的光源比较光谱曲线最高值是否接近饱和值，如果是，判断定标区间是否完成，如果是，判断是否调整光源像素点，如果是，返回步骤四；如果否，成像光谱仪定标完成，如果否，返回步骤五，如果否，返回步骤六。

本发明的有益效果：本发明采用一套装置实现单色仪与成像光谱仪的交叉光谱定标，系统结构简单、易操作、定标精度高，避免了分别定标需要两个探测器的弊端。定标过程中利用单色仪控制器可自动调节连续光源亮度及对光栅位置进行精确控制，同时采用数字滤波的方法提高光谱定标的精度。定标过程方便、简单，不需要过多的人工干预。该定标方法还具有实时显示、自动拟合及保存数据的功能。

附图说明

图1为本发明所述的一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置结构图；

图2为本发明所述的一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标方法的流程图；

图3为本发明中扫描式光栅单色仪光谱定标时特征光谱响应曲线示意图；

图4是本发明中扫描式光栅单色仪光谱定标数据立方体的曲线拟合示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置，该装置包括光源系统、扫描式光栅单色仪、控制器、平行光管、成像光谱仪和主控计算机；所述的光源系统包括汞灯光源和可调连续光源及光源切换开关，通过光源切换开关转换定标模式，光源系统输出光源经扫描式光栅单色仪色散后，由平行光管扩束、准直，最后由成像光谱仪接收，主控计算机通过USB接口与单色仪控制器进行数据通信，完成单色仪波长扫描、光源能量控制、单色仪步进数输出等功能，主控计算机通过GigE（千兆网口）接口对成像光谱仪进行参数设置及获取成像光谱数据。

本实施方式所述的可调连续光源采用高精度高稳定度光源，利用单色仪控制器根据成像光仪的探测器接收到的能量自动调节光源亮度；扫描式光栅单色仪采用C-T水平对称结构，通过单色仪控制器对光栅位置进行精确控制实现高精度单色光输出。

具体实施方式二、结合图2和图3说明本实施方式，一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标方法，

一、对单色仪进行定标时，选择光源系统中的汞灯作为系统光源，光源经扫描式光栅单色仪后，输出的单色光由平行光管扩束、准直，最后由成像光谱仪探测接收，主控计算机通过单色仪控制器对汞灯光源进行波长扫描，当扫描至汞灯特征谱线处时，成像光谱仪将在某一波段的某一空间像元处探测到该光谱信号，以单色仪的扫描步进数为横坐标，以成像光谱仪的特定波段的空间像元输出能量为纵坐标，建立定标曲线，结合图3，对定标曲线进行高斯拟合可得到汞灯特征谱线对应的单色仪扫描步进数，至少扫描出汞灯的两条特征谱线后，经线性拟合可得到单色仪的波长定标系数，即完成单色仪的标定；

二、对成像光谱仪进行定标时，切换可调连续光源作为系统光源，光源经扫描式光栅单色仪后，输出的单色光由平行光管扩束、准直，最后由成像光谱仪探测接收，主控计算机通过单色仪控制器对可调连续光源进行波长扫描及能量控制，基于波长扫描法完成成像光谱仪的光谱定标。

具体实施方式三、结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式二所述的一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标方法的实施例：

A、打开定标光源、扫描式光栅单色仪及成像光谱仪，开启计算机应用控制程序，建立扫描式光栅单色仪与成像光谱仪之间的通讯，设置成像光谱仪探测器基本参数，调整成像光谱仪，令探测器接收到经过平行光管的准直平行光。理论计算汞灯特征光谱λ₁与特征光谱λ₂对应的大概单色仪扫描步进数N₁与N₂，设置步进波长△λ、每次步进△λ时的探测器抓拍帧数，采集多组数据进行数字滤波，在单色仪扫描步进数N₁与N₂附近一定范围内扫描，得到单色仪光谱定标曲线，对光谱定标曲线进行高斯拟合计算出特征光谱对应的单色仪扫描步进数N₁'与N'₂。使用记录的两组数据进行数据拟合，即可得到波长与单色仪扫描步进数之间的对应关系，保存此定标系数，单色仪光谱定标完毕。

B、成像光谱仪的光谱定标：通过光源切换开关切换为成像光谱仪定标模式，单色仪光谱定标完成之后，单色仪步进数可反应连续光源输出的单色光对应的波长。调整成像光谱仪，设置定标像素点P1；设置探测器的基本参数、定标起始波长、定标终止波长及步进波长△λ；为减小测量误差，提高信噪比，对单色仪输出的单色光进行数字滤波，步进电机驱动光栅从定标起始波长位置扫描到定标终止波长位置。计算机得到定标像素点P1的光谱曲线，提取响应最高的DN值，若DN值未接近饱和，则调节连续光源的亮度，步进电机重新从定标起始波长位置扫描到定标终止波长位置，重复上一过程直到得到的光谱曲线响应最高点的DN值接近饱和，记录定标数据。设置波段数及定标像素点，即可查看定标像素点P1任意有效波段的光谱响应曲线。由于单色仪输出的不稳定性，实际得到的光谱曲线有存在一定的噪声，需要对测试得到的光谱响应曲线进行高斯拟合后，再分析得到各波段中心波长、全波半高宽、光谱取样间隔等参数，保存定标数据。调整成像光谱仪，设置其他定标像素点，重复上述工作，直到得到空间维所有有效像素的有效光谱通道的光谱响应曲线。成像光谱仪的光谱定标工作结束。

本实施方式所述的定标方法中，在定标过程中使用同一套定标装置，仅需切换系统光源，便能够完成单色仪的光谱定标及成像光谱仪的光谱定标。其核心思想在于：对单色仪进行定标时，使用待定标的成像光谱仪作为能量探测元件对单色仪进行标定；对成像光谱仪定标时，使用标定过的单色仪作为输出元件对成像光谱仪进行标定，即交叉光谱定标思想。本交叉光谱定标方法具有结构简单、易操作、定标精度高等优点，且不需要过多的人工干预，能够极大地提高成像光谱仪的光谱定标效率。

Claims (2)

1.一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置，该装置包括光源系统、扫描式光栅单色仪、控制器、平行光管、成像光谱仪和主控计算机；其特征是，所述光源系统包括汞灯光源和可调连续光源；光源系统输出光源经扫描式光栅单色仪色散后，由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收，控制器控制光源系统输出光源能量，控制扫描式光栅单色仪的波长扫描和步进数的输出，主控计算机接收控制器输出的扫描式光栅单色仪扫描的波长和输出的步进数信息；主控计算机对成像光谱仪进行参数设置及获取成像光谱仪的光谱信息。

2.基于权利要求1所述的一种单色仪与成像光谱仪交叉光谱定标装置的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整成像光谱仪，设置接收光源的像素点；通过光源切换开关切换为单色仪定标模式，汞灯光源经扫描光栅单色仪后由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收；

步骤二、主控计算机通过控制器对汞灯光源进行波长扫描，成像光谱仪探测汞灯光源的特征谱线，获取汞灯光源特征谱线与扫描式光栅单色仪扫描步进数的信息；

步骤三、对步骤二获取的特征谱线与扫描步进数进行线性拟合，获得扫描式光栅单色仪的光谱定标系数，实现对扫描式光栅单色仪的标定；

步骤四、调整成像光谱仪，设置接收单色光源的像素点；通过光源切换开关切换为成像光谱仪定标模式，可调连续光源经扫描光栅单色仪色散后由平行光管扩束、准直，准直光束由成像光谱仪接收；

步骤五、设置扫描式光栅单色仪的定标区间及扫描步进波长；

步骤六、调整光源系统输出可调连续光源的亮度；

步骤七、成像光谱议对接收的光源比较光谱曲线最高值是否接近饱和值，如果是，判断定标区间是否完成，如果是，判断是否调整光源像素点，如果是，返回步骤四；如果否，成像光谱仪定标完成，如果否，返回步骤五，如果否，返回步骤六。

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