CN103558160B - 一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统。该方法为：将同一成像物镜的出射光束分为两路光路，对其中一路光路进行高空间分辨率成像，对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像，将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合。本发明提高光谱成像空间分辨率的方法和系统能够较简单方便地得到几乎无失真的高空间分辨率光谱图像。

Description

一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统

技术领域

本发明属于遥感领域，特别涉及一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统。

背景技术

成像光谱技术能够获取地物目标高光谱数据且同时进行空间成像，具有图谱合一的特点，在遥感领域具有广泛的应用。实现光谱成像的方法较多，现在光谱成像方法一般是采用色散器件和面阵器件组合，光谱维数据由色散器件得到，一维空间数据由成像面阵器件的一维得到，另外一维空间数据由空间扫描获得。首先，地物通过一个垂直于扫描方向的狭缝成像，其光线经过准直镜后平行射出，经色散器件在垂直条带方向按光谱色散，经过会聚镜成像在探测器的光敏面上，光敏面水平行像元（平行于狭缝，称空间维）对应地物条带的每个波段影像；垂直列像元（色散方向，称光谱维）对应地物条带的空间采样视场光谱色散的影像。对每个地物条带，面阵探测器都会生成一帧光谱图像数据；再加上扫描镜的一维空间扫描和一定的记录速率，可以连续记录光谱图像，得到图谱合一的图像立方体。由于受面阵成像器件的幅面、采集速率以及信噪比的限制，光谱成像的空间分辨率相对较低。

目前提高光谱成像空间分辨率的技术方法主要是通过色散器件和面阵传感器得到地物目标的高光谱分辨率的光谱图像，然后使用高分辨率的数字面阵相机单独获取同一地物目标的高空间分辨率图像，将高光谱分辨率的光谱图像和高空间分辨率图像进行融合，得到高空间分辨率的光谱图像。这种方法由于高光谱分辨率的光谱图像和高空间分辨率图像所使用的成像物镜不同，光学参数不一致，为后期的两图像融合增加了难度，另外数字面阵相机获得高空间分辨率图像的成像方式与面阵传感器的成像方式不一致也会导致后期的融合算法非常复杂，且得到的融合图像失真较严重。

发明内容

针对现有技术方案存在的问题和不足，本发明提供了一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统，解决了因成像物镜光学系统不一致和传感器成像方式不一致而导致的图像融合算法复杂且图像融合结果失真的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种提高光谱成像空间分辨率的方法，包括：将同一成像物镜的出射光束分为两路光路，对其中一路光路进行高空间分辨率成像，对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像，将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合。

其中，所述将同一成像物镜的出射光束分为两路光路为：将同一成像物镜的出射光束分为反射和折射两路光路。

较佳地，所述对一路光路进行高空间分辨率成像为：通过高分辨率线阵传感器对其中一路反射或折射光路进行高空间分辨率成像，其中，高分辨率线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，成像物镜焦距为f，成像距离为H，高分辨率线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H。

较佳地，所述对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像为：利用色散器件将另外一路折射或反射光路进行光谱分光，通过面阵传感器获得高光谱分辨率的光谱成像，其中，面阵传感器像元数为M×N，像元尺寸为D，成像物镜焦距为f，成像距离为H，面阵传感器的像元分辨率为D′＝f·D/H。

较佳地，所述将高空间分辨率成像图和高分辨率光谱成像图进行融合为：使用CHRISP融合算法将高空间分辨率成像图和高分辨率光谱成像图进行融合，得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H。

一种提高光谱成像空间分辨率的系统，该系统包括：

分光束模块，用于将同一成像物镜的出射光束分为两路光路，分别传输给高空间分辨率成像模块和高光谱分辨率光谱成像模块；

高空间分辨率成像模块，用于对其中一路光路进行高空间分辨率成像，传输给图像融合模块；

高光谱分辨率光谱成像模块，用于对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像，传输给图像融合模块；

图像融合模块，用于将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合。

其中，所述的分光束模块用于将同一个成像物镜的射出的光束分为反射和折射两路光路。

较佳地，所述的高空间分辨率成像模块用于通过高分辨率线阵传感器对其中一路反射或折射光路进行高空间分辨率成像，其中，线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H。

较佳地，所述的高光谱分辨率成像模块用于利用色散器件将另外一路折射或反射光路进行光谱分光，通过面阵传感器获得高光谱分辨率的光谱成像，其中，面阵传感器像元数为M×N，像元尺寸为D，面阵传感器的像元分辨率为D′＝f·D/H。

较佳地，所述的图像融合模块用于将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图通过CHRISP融合算法进行融合，得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H。

本发明至少具有如下的有益效果：

1、在本发明中，将同一个成像物镜的出射光束分为两路光路发送给两个传感器，由于两个传感器使用同一个成像物镜，其光学参数比如焦距、镜头质量、畸变等基本一致，即光学系统几乎不会给后期图像融合带来影响。

2、在本发明中，使用分束器将成像物镜的出射光束分为反射和折射两路光路，其中分束器的透射率和反射率的比值可以根据实际情况调节。例如面阵传感器需要对光谱分光后的数据进行采集，而光谱分光后，每个波段的光能量减少很多，故可以将用于面阵传感器的出射光比例增加，以保障成像光谱的质量。

3、在本发明中，面阵传感器在空间维上相当于是线阵器件，成像方式为线阵推扫式成像，而以往用于高空间分辨率成像的数字面阵相机，成像方式为面阵中心投影成像，这两种图像在进行融合时，由于成像方式不一致，融合算法非常复杂，且得到的融合结果容易失真；而本发明中用于高空间分辨率成像的线阵传感器，成像方式同为线阵推扫式成像，由于成像方式一致，因此在图像融合时，融合算法简单易行，融合结果较理想。

4、在本发明中，面阵传感器的像元分辨率D′＝f·D/H，线阵传感器的像元分辨率d′＝f·d/H，故面阵传感器与线阵传感器的像元分辨率的比值δ＝D′/d′＝D/d，即面阵传感器和线阵传感器的像元分辨率的比值保持不变，因此改变成像距离或更换成像物镜不会对后期的图像融合算法造成影响。

当然，实施本发明的任一方法或产品不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中提高光谱成像空间分辨率的流程图；

图2是本发明实施例2的处理过程示意图；

图3是本发明实施例3中提高光谱成像空间分辨率的流程图；

图4是本发明实施例4中提高光谱成像空间分辨率系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例提出了一种提高光谱成像空间分辨率的方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：将同一成像物镜的出射光束分为两路光路。

步骤102：对其中一路光路进行高空间分辨率成像。

步骤103：对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像。

步骤104：将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合。

可见，在本发明实施例中，将同一个成像物镜的出射光束分为两路光路发送给两个传感器，由于两个传感器使用同一个成像物镜，其光学参数比如焦距、镜头质量、畸变等基本一致，即光学系统几乎不会给后期图像融合带来影响。

本发明中，使用分光束将成像物镜的出射光束分为反射和折射两路光路，其中分束器的透射率和反射率的比值可以根据实际情况调节。例如面阵传感器需要对光谱分光后的数据进行采集，而光谱分光后，每个波段的光能量减少很多，故可以将用于面阵传感器的出射光比例增加，以保障成像光谱的质量。

另外，面阵传感器在空间维上相当于是线阵器件，成像方式为线阵推扫式成像，而以往用于高空间分辨率成像的数字面阵相机，成像方式为面阵中心投影成像，这两种图像在进行融合时，由于成像方式不一致，融合算法非常复杂，且得到的融合结果容易失真；而本发明中用于高空间分辨率成像的线阵传感器，成像方式同为线阵退扫式成像，由于成像方式一致，因此在图像融合时，融合算法简单易行，融合结果较理想。

另外，面阵传感器的像元分辨率D′＝f·D/H，线阵传感器的像元分辨率d′＝f·d/H，故面阵传感器与线阵传感器的像元分辨率的比值δ＝D′/d′＝D/d，即面阵传感器和线阵传感器的像元分辨率的比值保持不变，因此改变成像距离或更换成像物镜不会对后期的图像融合算法造成影响。

实施例2：

下面通过一个具体的例子，来更为详细的说明本发明的一个较佳实施例的实现过程。参见图2和图3，其中，将同一成像物镜的出射光束分成两路，一种较佳的方式是，每一路中包括一束光路。以此为例来说明该发明的具体实现过程，包括如下步骤：

步骤301：对地物进行空间扫描，成像物镜实现成像。

在本步骤中，如图2所示，按照扫描方向对目标地物进行空间扫描，成像物镜实现空间一维成像。

步骤302：分束器将成像物镜的出射光束分为两束光路。

本步骤中，如图2所示，成像物镜对目标地物成像后，分束器将成像物镜的出射光束分为反射和折射两束光路。一束传给高分辨率线阵传感器，一束传给色散器。这里，可根据具体情况设计折反比，通常情况下折射率和反射率都为50%，考虑到面阵传感器部分需要对光谱分光后的数据进行采集，而经过光谱分光后，每个波段的光能量锐减很多，故可将用于面阵传感器的出射光比例增加，以保障成像光谱数据的质量和信噪比。

步骤303：高分辨率传感器对其中一束光路进行高空间分辨率成像。

在本步骤中，如图2所示，高分辨率线阵传感器对其中一束反射光路进行高空间分辨率成像，得到高空间分辨率成像图。其中，线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，成像物镜焦距为f，成像距离为H，线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H，线阵传感器可根据具体情况设置多个线阵。

步骤304：色散器对另外一束光路进行光谱分光。

在本步骤中，如图2所示，另外一束折射光路进入到色散器的狭缝中进行光谱分光，其中色散器可根据具体情况选择不同类型的色散元件。

步骤305：面阵传感器接收色散器的光谱分光，得到高光谱分辨率光谱图像。

在本步骤中，面阵传感器接收色散器的光谱分光，如图2所示，在光谱维得到光谱图，在空间维得到空间成像图，综合在一起，得到高光谱分辨率光谱图像。其中，面阵传感器像元数为M×N，像元尺寸为D，成像物镜焦距为f，成像距离为H，面阵传感器的像元分辨率为D′＝f·D/H。

步骤306：将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱图像进行融合。

在本步骤中，使用CHRISP融合算法（或小波变换、PCA变换、MAP等算法）将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合，融合后得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H，相对于融合前的像元分辨率D′＝f·D/H，提高了δ＝D′/d′＝D/d倍。

通常情况下，用于成像光谱获取的面阵图像传感器的像素尺寸比较大，而用于高速成像的线阵传感器的单个像素尺寸比较小，故本发明中线阵传感器的像元分辨率比面阵传感器的像元分辨率要高，而线阵传感器和面阵传感器的成像光路是一致的，得到的成像光谱图和线阵图可通过较简单的融合算法配准在一起，最终获得具有较高像元分辨率的成像光谱图。

在本实施例中，线阵传感器的空间维成像范围必须比面阵传感器的空间维成像范围大，以避免漏拍情况，即P×d≥M×D，则P≥M×D/d＝Mδ。因此若想分辨率提高δ倍，则线阵传感器的像元数至少是面阵传感器空间维像元数的δ倍。

另外，由于像元分辨率不同，线阵传感器和面阵传感器的触发成像频率也不同，过快或过慢会造成两种图像的缺失或冗余，因此给予两种传感器的触发脉冲频率必须基于同一触发源n₂（以面阵传感器的触发频率n₂为基准）再产生δ倍频脉冲，其中一路触发面阵传感器，δ倍频脉冲（n₂）触发线阵传感器。

实施例3：

本发明的另一个实施例还提出了一种提高光谱成像空间分辨率的系统，参见图4，该系统包括：

分光束模块401，用于将成像物镜的出射光束分为两束光路，将两束光路分别发送给高空间分辨率成像模块402和高分辨率光谱成像模块403。

高空间分辨率成像模块402，用于接收分光束模块401发送的一束光路，对该束光路进行高空间分辨率成像，将高空间分辨率成像图发送给图像融合模块404；

高光谱分辨率光谱成像模块403，用于接收分光束模块401发送的另一束光路，对该束光路进行高光谱分辨率成像，将高光谱分辨率成像图发送给图像融合模块404；

图像融合模块404，用于接收高空间分辨率成像模块402发送的高空间分辨率成像图和高光谱分辨率成像模块403发送的高光谱分辨率成像图，将其进行融合，得到高空间分辨率的光谱图像。

为了得到高空间分辨率的空间图像，本发明的高空间分辨率成像模块402中，通过高分辨率线阵传感器对其中一束光路进行高空间分辨率成像。其中，高分辨率线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，成像物镜焦距为f，成像距离为H，高分辨率线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H。

为了得到高空间分辨率的光谱图像，本发明的图像融合模块404使用CHRISP融合算法（或小波变换、PCA变换、MAP等算法）将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率成像图进行融合，融合后得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H，相对于融合前的像元分辨率D′＝f·D/H，提高了δ＝D′/d′＝D/d倍。

通常情况下，用于成像光谱获取的面阵图像传感器的像素尺寸比较大，而用于高速成像的线阵传感器的单个像素尺寸比较小，故本发明中线阵传感器的像元分辨率比面阵传感器的像元分辨率要高，而线阵传感器和面阵传感器的成像光路是一致的，得到的成像光谱图和线阵图可通过较简单的融合算法配准在一起，最终获得具有较高像元分辨率的成像光谱图。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种提高光谱成像空间分辨率的方法，其特征在于，将同一成像物镜的出射光束分为两路光路，对其中一路光路进行高空间分辨率成像，对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像，将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合；

所述将同一成像物镜的出射光束分为两路光路为：将同一成像物镜的出射光束分为反射和折射两路光路；其中，反射光路和折射光路的光束大小比值可调；

所述对一路光路进行高空间分辨率成像为：通过高分辨率线阵传感器对其中一路反射或折射光路进行高空间分辨率成像，其中，高分辨率线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，成像物镜焦距为f，成像距离为H，高分辨率线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H；

所述对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像为：利用色散器件将另外一路折射或反射光路进行光谱分光，通过面阵传感器获得高光谱分辨率的光谱成像，其中，面阵传感器像元数为M×N，像元尺寸为D，成像物镜焦距为f，成像距离为H，面阵传感器的像元分辨率为D′＝f·D/H；

其中，线阵传感器的像元数至少是面阵传感器空间维像元数的δ＝D′/d′＝D/d倍；

其中，所述线阵传感器和面阵传感器的触发脉冲频率基于同一触发源，以面阵传感器的触发频率n₂为基准，再产生δ倍频脉冲，其中一路触发面阵传感器，δ倍频脉冲触发线阵传感器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将高空间分辨率成像图和高分辨率光谱成像图进行融合为：使用CHRISP融合算法将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率成像图进行融合，得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H。

3.一种提高光谱成像空间分辨率的系统，其特征在于，该系统包括：

分光束模块，用于将同一成像物镜的出射光束分为两路光路，分别传输给高空间分辨率成像模块和高光谱分辨率光谱成像模块；

高空间分辨率成像模块，用于对其中一路光路进行高空间分辨率成像，传输给图像融合模块；

高光谱分辨率光谱成像模块，用于对另外一路光路进行高光谱分辨率光谱成像，传输给图像融合模块；

图像融合模块，用于将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图进行融合；

所述的分光束模块用于将同一个成像物镜的射出的光束分为反射和折射两路光路；其中，反射光路和折射光路的光束大小比值可调；

所述的高空间分辨率成像模块用于通过高分辨率线阵传感器对其中一路反射或折射光路进行高空间分辨率成像，其中，线阵传感器像元数为P，像元尺寸为d，线阵传感器的像元分辨率为d′＝f·d/H；

所述的高光谱分辨率成像模块用于利用色散器件将另外一路折射或反射光路进行光谱分光，通过面阵传感器获得高光谱分辨率的光谱成像，其中，面阵传感器像元数为M×N，像元尺寸为D，面阵传感器的像元分辨率为D′＝f·D/H；

其中，线阵传感器的像元数至少是面阵传感器空间维像元数的δ＝D′/d′＝D/d倍；

其中，所述线阵传感器和面阵传感器的触发脉冲频率基于同一触发源，以面阵传感器的触发频率n₂为基准，再产生δ倍频脉冲，其中一路触发面阵传感器，δ倍频脉冲触发线阵传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的图像融合模块用于将高空间分辨率成像图和高光谱分辨率光谱成像图通过CHRISP融合算法进行融合，得到高空间分辨率光谱图像，其像元分辨率为d′＝f·d/H。