CN104236707B - 一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声的消除方法，将探测器对不同景物探测输出的每一帧原始数据做预处理得到多帧图像，将大量图像数据求平均，然后进行相对辐射定标系数的计算；对大量景物的响应数据进行叠加后，近似认为沿狭缝方向的每一行像元的响应数据相同，针对每一行进行分别的相对辐射定标，并将所有像元的相对辐射定标系数拼接后，得到整机的相对辐射定标系数，完成整机即棱镜色散型成像光谱仪的相对辐射定标；经相对辐射定标修正后的图像再进行后期的图像处理，即得到棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除后的图像。本发明消除成像光谱仪的探测器不均匀性及狭缝尘埃引入的条带噪声，对上述两种不同机制产生的条带噪声均有较好的消除效果。

Description

一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除方法

技术领域

本发明涉及一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除方法，属于成像光谱技术领域。

背景技术

成像光谱技术是一种新型遥感技术，是近年来光学遥感技术领域的一次重大突破。该技术将成像技术与光谱技术相结合，能够同时实现目标的空间信息及光谱信息的获取。高精度光谱信息有助于提高对目标的属性分类和识别精度，揭露伪装，降低虚警率，在环境监测、自然灾害预警、军事应用等多领域得到了广泛应用。

棱镜色散型成像光谱仪是一种较为成熟的成像光谱系统，其结构简单，光能利用率高，取得了很好的应用效果。原理如图1所示，棱镜色散型成像光谱仪通常含有狭缝，目标辐射能经过前置光学系统聚焦到狭缝上，透过狭缝的光经准直之后进入色散系统，色散元件将其沿垂直狭缝方向展开成不同波段，并成像在探测器上，从而获得目标的光谱信息。面阵探测器与色散方向相对应的一维称为光谱维，与之垂直的另一维对应狭缝方向，是垂直轨道方向的地物维，成像光谱仪沿垂直狭缝方向推扫，探测器连续采集多帧图像形成沿轨道方向的地物维。棱镜色散型成像光谱仪便是用这种方法形成既含有空间信息又含有光谱信息的数据立方体。

影响棱镜色散型成像光谱仪像质的因素之一是条带噪声，如图1所示，条带出现在探测器输出的每一帧图像的光谱维方向，及合成以后的景物图像中的沿轨方向。条带噪声产生的原因有二：一是探测器本身响应不均匀，大面阵探测器通常分为若干个区，不同区域之间的响应特征不统一，导致不同区域连接的部位出现条带；二是狭缝上尘埃遮挡了入射光所致，通常狭缝很窄，附着在狭缝上的尘埃遮挡了入射光，探测器上与之对应的位置接收不到光信息，因此输出数据为一列沿光谱维方向的条带。这两种因素中，探测器产生的条带是有规律的，这是由于通常探测器的分区都是平均分配，而狭缝尘埃导致的条带是随机的，并且随着时间的变化，尘埃的位置及数量的改变，条带的特征也会发生改变。

目前常用的针对成像光谱仪条带噪声的消除方法之一是基于图像的条带噪声消除方法，例如直方图匹配方法、矩匹配方法及其改进方法、傅里叶变换方法、小波变换方法、邻域插值法等。详见硕士学位论文《高光谱图像条带噪声滤除技术的研究》，曹艳丽。

基于图像的条带噪声消除方法有消噪不彻底、改变图像及光谱信息、因对图像及噪声特征有特殊要求而通用性差等缺点。直方图匹配法会对原始图像的信息有较大的改变。矩匹配方法及其改进方法对噪声的消除不彻底、且光谱信息会发生畸变。傅里叶变换方法存在图像条带噪声滤除不彻底或者图像纹理细节信息丢失等缺点。小波变换方法有阈值选取复杂、对图像及条带噪声特征要求严格等缺陷，通用性差。邻域插值法仅适用于分布周期比较规律的窄带噪声，同样有通用性差的缺陷。

另一种是基于相对辐射定标的方法。相对辐射定标是指将成像光谱仪不同探测单元的输出数据进行归一化处理，消除这些不均匀性的过程，成像光谱仪的不均匀性主要来自光学系统的不均匀和探测器不同像元响应不均匀。

对于光路中不含分光模块的成像光谱仪，例如滤光片式，相对定标的主要方法是使成像光谱仪对大面阵均匀光响应，此时理论上探测器每个像元输出的信号相同，实际由于光学系统不均匀、探测器每个像元响应不均匀等原因，每个像元的输出信号有差异。利用所有像元的灰度平均值除以每一个像元的灰度值，得到相对定标系数。相对定标系数用于在之后的使用中对成像光谱仪进行相对辐射定标校正。

对于推扫干涉型成像光谱仪，虽然其光路中含有分光模块导致探测器每个像元的输出不同，但是沿狭缝方向的每一行像元对应同一个光谱通道，理论上应具有相同的响应输出，因此也可以用相似的方法进行条带噪声消除(详见《推扫型干涉成像光谱仪去除条带非均匀性的方法》，曹玮亮等)。

这种使用均匀光源对成像光谱仪进行相对定标，实现条带噪声消除的方法却无法用于棱镜色散型成像光谱仪。原因是：

(1)光路中不含分光模块的成像光谱仪，理论上二维探测器每个像元对均匀光响应的输出信号相同，依据此原理针对所有像元进行相对辐射定标可以消除条带噪声。而棱镜色散型成像光谱仪光路中含有分光模块，理论上探测器每个像元对均匀光响应输出信号不同，因此无法使用此方法进行相对辐射定标；

(2)对于某些含有分光模块的成像光谱仪，例如推扫干涉型成像光谱仪，虽然探测器每个像元对均匀光的响应不同，但是与狭缝相对应的每一行像元都对应相同的光谱通道，因此理论上探测器每一行像元对均匀光的响应相同，故而可以分别针对每一行像元进行相对辐射定标，从而消除条带噪声。而由于棱镜色散型成像光谱仪存在谱线弯曲现象，其探测器上每一行像元对应不同的光谱通道，因此理论上每一行像元的输出信号不同，无法使用这种相对辐射定标方法；

(3)对于棱镜色散型成像光谱仪，针对整机的相对辐射定标无法进行，只能将光学系统拆除，对探测器进行单独的相对辐射定标。此方法可以消除探测器像元间响应不均匀引入的条带噪声，而无法消除狭缝尘埃引入的条带噪声，对提升成像光谱仪的图像质量效果有限。

现有的对成像光谱仪图像条带噪声的消除方法中，基于图像的方法有消噪不彻底、改变图像及光谱信息、因对图像及噪声特征有特殊要求而通用性差等缺点；基于相对辐射定标的方法不适用棱镜色散型成像光谱仪。

本发明找到一种适用于棱镜色散型成像光谱仪的基于相对辐射定标的条带噪声消除方法。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声的消除方法，消除成像光谱仪的探测器不均匀性及狭缝尘埃引入的条带噪声，对上述两种不同机制产生的条带噪声均有较好的消除效果。

本发明技术解决方案：一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声的消除方法，实现步骤如下：

步骤1：首先将探测器对不同景物探测输出的每一帧原始数据做预处理，得到多帧图像A_i,j,n，其中i为光谱维方向的像元序数，i＝1、2、3、…、I；j为沿狭缝方向的地物维像元序数，j＝1、2、3、…、J；n为图像帧序数，n＝1、2、3、…、N；

步骤2：将预处理后的N帧图像数据求平均，得平均图像p_i,j，其中N>10000，计算方法如下：

$p_{i,j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,j,n}/N$

步骤3：图像的不均匀性修正，即相对辐射定标系数的计算，计算方法为：对于平均图像p_i,j，求沿狭缝方向每一行像元的平均值，用此平均值除以p_i,j上当前行每个像元的灰度，得到相对辐射定标系数，对p_i,j的每一行都按此方法计算，如下：

$a_{i,j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}/J}{P_{i,j}}$

由此得到一个相对辐射定标系数矩阵，其元素个数与探测器像元数相同；

步骤4：采用步骤3计算的相对辐射定标系数，具体方法为：探测器输出的每一帧原始图像经预处理后记为A_i,j，A_i,j每个元素与a_i,j中对应元素相乘，得到经相对辐射定标修正后的一帧图像A_i,j'，如下式所示：

A_i,j'＝A_i,j×a_i,j

探测器输出的每一帧图像经预处理后记为A_i,j，i，j分别对应的是二维探测器两个方向的像元序数，步骤1中的A_i,j,n下标多出的n是为了在计算a_i，j时，给采用的N帧原始图像数据进行标号，例如n＝1表示是第1帧，n＝100表示第100帧。而在使用a_i，j对图像进行修正时，探测器输出A_i,j没有对帧序数进行标号的必要，所以就把变量n去掉了。

步骤5：对大量景物的响应数据进行叠加后，近似认为沿狭缝方向的每一行像元的响应数据相同，针对每一行进行分别的相对辐射定标，并将所有像元的相对辐射定标系数拼接后，得到整机的相对辐射定标系数，完成整机即棱镜色散型成像光谱仪的相对辐射定标；

步骤6：经相对辐射定标修正后的图像再进行后期的图像处理，即得到棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除后的图像。

所述步骤1中的预处理包括减暗电流，绝对辐射定标处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的对成像光谱仪图像条带噪声的消除方法中，基于图像的方法有消噪不彻底、改变图像及光谱信息、因对图像及噪声特征有特殊要求而通用性差等缺点；基于相对辐射定标的方法不适用棱镜色散型成像光谱仪。本发明找到一种适用于棱镜色散型成像光谱仪的基于相对辐射定标的条带噪声消除方法。

由于棱镜色散型成像光谱仪光路中存在分光模块，且色散特性存在谱线弯曲，即沿狭缝方向的每一行像元对应不同波段的光谱数据，因此理论上探测器输出的数据难以达到整体或部分像元有相同响应。本发明方法使用仪器对实际景物拍摄的大量数据进行叠加，由于景物种类很多，且每种景物光谱特征不同，加之沿狭缝方向同一行像元对应相似的光谱波段，因此经大量叠加后的数据，可以近似认为沿狭缝方向同一行像元得到了相同亮度等级的光信息，用此种方法达到探测器部分像元响应值相同，相对辐射定标得以进行。

针对沿狭缝方向每一行像元进行单独的相对辐射定标，得到相对辐射定标系数。用此系数对成像光谱仪的输出数据进行修正，实验结果表明，此种方法可以有效消除两种不同机制产生的条带噪声，同时对图像灰度不均匀性也有较好的修正效果。

附图说明

图1为棱镜色散型成像光谱仪结构图；

图2为棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除效果对比图，其中(a)原图，(b)为本发明条带噪声消除后图像。

具体实施方式

某些基于相对辐射定标的方法需要特殊的装置及有针对性的实验，例如某些方法需要使用均匀光源，这就需要有积分球或漫反射白板等设备，并需要单独的实验得到成像光谱仪对此光源的响应数据。本发明所用方法在实验简洁性方面类似基于图像的方法，利用成像光谱仪对实际景物的大量拍摄数据进行相对辐射校正，不需要特殊的装置及单独的实验即可完成。

本发明的原理：首先，在使用本发明的方法之前，需要对每一帧实验数据做预处理，包括减暗电流，绝对辐射定标处理等。

探测器输出的原始数据为二维图像，其中一维对应光谱维，另一维对应沿狭缝方向的地物维。由于棱镜色散型成像光谱仪的光路中含有分光系统，且棱镜作为色散原件存在谱线弯曲的特点，因此探测器不可能输出整体或部分均匀的图像，导致相对辐射定标无法完成。

本发明提供的方法首先从原理上找到一种使探测器输出图像变均匀的可能。

探测器沿狭缝方向的每一行像元，虽然不处于相同的波长通道，但处于近似的波长通道。此时，若将大量成像光谱仪对不同景物的响应图像进行叠加，可以近似认为同一行像元得到了等量的辐射能。可以理解的是，若大量对相同景物的图像进行叠加，只是在成倍的增加每个像元的响应，因此无法保证同一行像元得到相等的辐射能。

本发明的“大量”是指：成像光谱仪沿轨道方向运动过程中，每个像元对不同景物进行响应，因此探测器输出的每一帧图像的灰度特征不同(可以理解的是，若对相同景物进行响应，如实验室的积分球光源，则每一帧输出图像的灰度特征都相同)，将大量(此处使用大量图像是基于对多种不同地物成像的需求，使用的图像越多，则平均后的图像沿狭缝方向每一行像元的响应越一致，所以图像帧数选择并不十分严格，数万帧或数十万帧都可以。若根据经验值，可规定选取的帧数要大于10000，即上文提到的N>10000)图像进行叠加，由于沿狭缝方向的每一行像元处于近似的波长通道，因此可认为得到了等量的辐射能，对每一行像元单独的相对辐射定标得以进行。

相对辐射定标系数的计算方法如下：

步骤1：首先将每一帧原始数据做预处理，得到多帧图像A_i,j,n，其中i为光谱维方向的像元序数，且i＝1、2、3、…、I，j为沿狭缝方向的地物维像元序数，且j＝1、2、3、…、J，n为图像帧序数，且n＝1、2、3、…、N。

步骤2：将预处理后的N帧图像数据求平均，计算方法如下：

$p_{i,j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,j,n}/N$

步骤3：图像的不均匀性修正，即相对辐射定标系数的计算方法。对于平均图像p_i,j，求沿狭缝方向每一行像元的平均值，用此平均值除以p_i,j上当前行每个像元的灰度，得到相对辐射定标系数。对p_i,j的每一行都按此方法计算，如下：

$a_{i,j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}/J}{P_{i,j}}$

由此得到一个相对辐射定标系数矩阵，其元素个数与探测器像元数相同。

用上述计算的相对辐射定标系数可以有效消除条带噪声，具体使用方法为：探测器输出的每一帧原始图像经预处理后记为A_i,j，A_i,j每个元素与a_i,j中对应元素相乘，得到经相对辐射定标修正后的图像A_i,j'，如下式所示：

A_i,j'＝A_i,j×a_i,j

经相对辐射定标修正后的图像再进行后期的图像处理，例如不同通道景物图合成、真彩及伪彩图的合成，得到条带噪声消除后的图像。a_i,j元素个数与探测器像元数相同，数值接近于1。

如图2示，本发明可以有效消除棱镜色散型成像光谱仪的条带噪声，这种条带噪声主要来自两方面：一是探测器自身不均匀性引起的条带，二是狭缝尘埃遮挡光信号引入的条带噪声。本发明除了可以消除条带噪声之外，还对图像灰度不均匀性有较好的修正效果。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声的消除方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1：首先将探测器对不同景物探测输出的每一帧原始数据做预处理，得到多帧图像A_i,j,n，其中i为光谱维方向的像元序数，i＝1、2、3、…、I；j为沿狭缝方向的地物维像元序数，j＝1、2、3、…、J；n为图像帧序数，n＝1、2、3、…、N；

步骤2：将预处理后的N帧图像数据求平均，得平均图像p_i,j，其中N>10000，计算方法如下：

$p_{i,j}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{i,j,n}/N$

步骤3：图像的不均匀性修正，即相对辐射定标系数的计算，计算方法为：对于平均图像p_i,j，求沿狭缝方向每一行像元的平均值，用此平均值除以p_i,j上当前行每个像元的灰度，得到相对辐射定标系数，对p_i,j的每一行都按此方法计算，如下：

$a_{i,j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{p}_{i,j}/J}{p_{i,j}}$

由此得到一个相对辐射定标系数矩阵，其元素个数与探测器像元数相同；

步骤4：采用步骤3计算的相对辐射定标系数，具体方法为：探测器输出的每一帧原始图像经预处理后记为A_i,j，A_i,j每个元素与a_i,j中对应元素相乘，得到经相对辐射定标修正后的一帧图像A_i,j'，如下式所示：

A_i,j'＝A_i,j×a_i,j

探测器输出的每一帧图像经预处理后记为A_i,j，i，j分别对应的是二维探测器两个方向的像元序数；

步骤5：对大量景物的响应数据进行叠加后，近似认为沿狭缝方向的每一行像元的响应数据相同，针对每一行进行分别的相对辐射定标，并将所有像元的相对辐射定标系数拼接后，得到整机的相对辐射定标系数，完成整机即棱镜色散型成像光谱仪的相对辐射定标；

步骤6：经相对辐射定标修正后的图像再进行后期的图像处理，即得到棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除后的图像。

2.根据权利要求1所述的棱镜色散型成像光谱仪条带噪声的消除方法，其特征在于：所述步骤1中的预处理包括减暗电流，绝对辐射定标处理。