CN105424186B - 一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光谱仪的调试方法，包括：搭建光谱定标系统；开展光谱定标实验，获取每个谱段相应图像；基于测量结果拟合获得像元中心波长和光谱带宽；确定每个微透镜的光谱采样位置；搭建响应非均匀性定标系统，获取响应非均匀系数；拍摄实际场景提取光谱数据并用响应非均匀系数校正；重构光谱数据立方体，获取单一谱段场景图像。本发明具有如下优点：可实现对成像光谱仪全视场的定标，无需局部扫描；波长采样位置机理更符合成像光谱仪自身机理，有利于保证信息提取的准确性；在光谱维度上进行数据重构，减少了混叠等因素的影响。

Description

一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法。

背景技术

成像光谱仪是作为遥感探测技术之一，可以获取的景物或目标光谱信息，在目标识别、特征提取和精确分类等领域具有广泛的应用价值。具有图谱合一的优势，被搭载在航空、航天器上对陆地、大气、海洋进行观测。根据光谱三维数据立方体的获取方式不同，可以分为扫描型和快照。扫描型成像光谱技术在空间或光谱维进行扫描获取完整数据立方体，而快照型成像光谱技术一次曝光即获取目标完整数据立方体，在动态目标监测和追踪方面快照型成像光谱技术具有优势和广泛的应用前景。另一方面，成像光谱仪的应用以遥感信息的定量化为基础，通过实验或物理模型将采集到的遥感信息和观察目标参量联系起来，并反演或推算出地学、生物学和大气等观测目标参量。遥感信息定量化要求对成像光谱仪进行精确的光谱通道定标，因此成像光谱仪的光谱性能参数的准确定标是高光谱遥感器数据提取和定量应用的基本前提。

基于光场成像技术的光场成像光谱仪是通过在光场相机的前置成像系统(主镜)的瞳面出放置由线性渐变滤光片组成的滤光片阵列，实现快照式获取景物目标的三维图谱数据立方体信息，其主要由主镜、滤波片阵列、微透镜阵列和CCD阵列构成，如图1所示[1]。对目标成像时，从目标发出的光线经主镜头和微透镜后投影到CCD阵列上形成宏像素，宏像素中的一个像元对应主镜头孔径的一个采样(子孔径)。滤波片阵列由具有不同波长范围的线性渐变滤光片组成，滤波片不同位置对应子孔径不同单位位置，当目标发出的光线经过主镜时，在每个子孔径处分别得到目标不同的波长的光，再经过微透镜成像后被相应的像元接收。此时，每个微透镜对应一个宏像素，每个宏像素对应目标场景的一个空间采样，宏像素中每个像元对应该空间位置目标的一个光谱采样，因此一个微透镜对应的宏像素内的像元包含了空间目标的不同谱段信息。光场成像光谱仪需提取目标景物通过滤光片阵列的各光谱通道以获取对应的光谱图像。由于系统结构误差、光学衍射和安装误差等引入了偏移，同一滤光片单元对应的子孔径在不同微透镜后对应的位置不同，造成各个微透镜后的光谱信息分布存在差异，即任意微透镜后的宏像素对应一个对立的光谱仪具有各自独立的光谱中心波长和带宽。因此，以各个微透镜后宏像素的固定位置像元代所提取图像并不是真实的某一特定光谱通道图像。

[1]发明专利：苏丽娟，袁艳，胡亮，一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪，授权号ZL201210451761.X。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种成像光谱仪的调试方法。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种成像光谱仪的调试方法，包括以下步骤：S1：利用普通光源、单色仪和积分球组成谱段可调节单色均匀面光源，其中，所述普通光源、所述单色仪和所述积分球依次连接；S2：利用所述单色均匀面光源照射成像光谱仪，获取所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应；S3：根据所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应，确定每个微透镜下各个像元对应的中心波长和光谱带宽；S4：根据每个微透镜下各个像元对应的所述中心波长和所述光谱带宽，确定每个微透镜的光谱采样波长位置；S5：根据所述单色均匀面光源的光谱数据、所述中心波长和所述光谱带宽计算每个微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数；S6：针对实际场景图像，提取每个微透镜覆盖像元的灰度值，并根据每个微透镜的所述光谱采样波长位置和所述相对响应非均匀系数计算得到校正后的光谱数据；以及S7：根据所述校正后的光谱数据，按照目标空间位置依次排列重构实际场景光谱数据立方体。

根据本发明实施例的一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，光谱定标装置可实现对光场成像光谱仪全视场的定标，无需局部扫描；提出的确立各个微透镜各自的波长采样位置机理，更符合光场成像光谱仪自身机理，有利于保证信息提取的准确性；本发明所提出数据立方体重构方法在光谱维度上进行数据重构，减少了混叠等因素的影响。

另外，根据本发明上述实施例的一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述步骤S1进一步包括，通过调节所述单色仪输出光谱段调节所述单色面均匀光源对应的谱段λ_i，利用辐射度计监视并记录不同谱段输出的光源强度I_0,λi。

进一步地，所述步骤S2进一步包括，利用计算机控制所述单色仪在响应波长范围内，以预设的步长Δλ进行扫描，使所述积分球输出不同谱段的单色面光源，由所述成像光谱仪采集相应谱段的系统响应图像，根据所述系统响应图像获取所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应。

进一步地，所述步骤S3进一步包括，对某一微透镜后覆盖的任一像元，提取所述像元在所述谱段λ_i的灰度值I_λi，所述灰度值I_λi满足下列公式：

其中，I₀是最大灰度响应值，λ₀是该像元对应的中心波长，Δλ是该像元对应的光谱带宽，根据步骤S2中采样获取的各个谱段的灰度和上述灰度值I_λi的公式进行拟合，计算获得所述像元对应的中心波长和光谱带宽。。

进一步地，所述步骤S4进一步包括，对所有微透镜根据步骤S3确定各个微透镜各自覆盖的的像元对应中心波长和光谱带宽，从而确定各个微透镜对应的所述光谱采样波长位置。

进一步地，所述步骤S5进一步包括，获取单色均匀面光源的光谱数据[I(λ_1-),I(λ₂),I(λ₃),…I(λ_i)]，并根据所述采样中心波长[λ₁,λ₂,λ₃,…λ_i]和所述光谱带宽[Δλ₁,Δλ₂,Δλ₃,…Δλ_i]进行重采样获取的参考光谱数据[I_r(λ₁),I_r(λ₂),I_r(λ₃),…I_r(λ_i)]，根据所述光谱数据和所述参考光谱数据并根据以下公式所述每个微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数E(λ_i)：E_m(λ_i)＝＝I(λ_i)/I_r(λ_i)，其中，m为微透镜的编号。

进一步地，步骤S6进一步包括，针对实际场景图像，提取每个微透镜覆盖像元的灰度值，并根据所述光谱采样波长位置获取每个微透镜对应目标A的初始光谱数据[I_A(λ₁),I_A(λ₂),I_A(λ₃),…I_A(λ_i)]，并根据所述相对响应非均匀系数根据以下公式计算实际光谱响应：I'_A(λ_i)＝I_A(λ_i)/E_m(λ_i)，其中，所述目标A的光谱响应曲线为[I′_A(λ₁),I′_A(λ₂),I′_A(λ₃),…I′_A(λ_i)]。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明针对的光谱仪的原理示意图；

图2为本发明一个实施例的标定和数据重构的步骤流程图；

图3为本发明一个实施例的光谱定标装置示意图；

图4为本发明一个实施例的某一波长标定结果局部放大图；

图5为本发明一个实施例的某一像元实测响应及拟合的曲线图；

图6为本发明一个实施例的三个不同微透镜后各个像元对应的中心波长示意图；

图7为本发明一个实施例的响应非均匀性标定装置示意图；

图8为本发明一个实施例的初始提取的光谱数据立方体；

图9为本发明一个实施例的插值重建的光谱数据立方体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法。

请参考图2，本发明的实施例的一种成像光谱仪的调试方法，包括以下步骤：

S1：利用普通光源、单色仪和积分球组成谱段可调节单色均匀面光源可调节单色均匀面光源输出，并保证波长可调。其中，所述普通光源、所述单色仪和所述积分球依次连接，

如图3所示，在本发明的一个实施例中，普通光源发出的光经过单色仪分光后成为单色光进入积分球，经过积分球后形成均匀分布的单色面光源，充满被测系统孔径。通过调节单色仪输出光谱段调节均匀单色面光源对应的谱段λ_i，利用辐射度计监视并记录不同谱段输出的光源强度I_0,λi。

S2：利用单色均匀面光源照射成像光谱仪，获取成像光谱仪在各个谱段下的系统响应。

在本发明的一个实施例中，利用计算机控制单色仪在响应波长范围内，以预设的步长Δλ进行扫描，使积分球输出不同谱段的单色面光源，并由光场成像光谱仪采集相应谱段的系统响应图像。在本发明的一个示例中，如图4所示，每个光斑反应了该波长下单色光源经过响应的滤光片单元在每个微透镜单元后的对应的位置。

S3：根据成像光谱仪在各个谱段下的系统响应，确定每个微透镜下各个像元对应的中心波长和光谱带宽。

在本发明的一个实施例中，对某一微透镜后覆盖的任一像元，提取其在谱段λ_i的灰度值I_λi，其满足下列公式：

其中，I₀是最大灰度响应值，λ₀是该像元对应的中心波长，Δλ是该像元对应的光谱带宽。利用步骤二中采样获取的各个谱段的灰度根据公式进行拟合，计算获得该像元对应的中心波长和光谱带宽。如图5所示，对所有微透镜后的各个像元重复拟合计算步骤，就可以获得各个像元各自对应的中心波长和光谱带宽。

S4：根据每个微透镜下各个像元对应的中心波长和光谱带宽，确定每个微透镜的光谱采样波长位置。

具体地，在光场成像光谱仪中，一个微透镜对应一个目标点，其后覆盖的像元对应该目标在不同波长下的响应。由于系统偏移等因素，各个微透镜后像元对应的光谱采样波长位置有差异，每个微透镜后覆盖的像元对应不同的中心波长，如图6所示。对所有微透镜重复步骤三，可确定各个微透镜各自覆盖的的像元对应中心波长和光谱带宽，从而确定各个微透镜对应的光谱采样波长位置。

S5：根据单色均匀面光源的光谱数据、中心波长和光谱带宽计算每个微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数。

具体地，由于光学系统的衍射、渐晕和误差等影响，各个微透镜获取的辐射能量存在相对不均匀性，因此从宏像素中提取的目标光谱能量存在非均匀。如图7所示，利用白光光源和积分球产生均匀面光源(谱段范围覆盖成像光谱仪的光谱测量范围)照射光场成像光谱仪，并用高光谱分辨率的已标定的光纤光谱仪(可以使其他类型光谱仪)同时获取光源的光谱数据。对均匀的面光源，光场成像光谱仪的每个微透镜作为独立的光谱仪测量的同一目标源，因此提取宏像素像元灰度值获得光谱数据应为同一目标的光谱数据。对某个微透镜而言，提取的光谱数据为[I(λ₁),I(λ₂),I(λ₃),…I(λ_i)]，并且利用对应的采样中心波长[λ₁,λ₂,λ₃,…λ_i]和光谱带宽[Δλ₁,Δλ₂,Δλ₃,…Δλ_i]可对光纤光谱仪获取的光谱数据进行重采样获取相应的参考光谱数据[I_r(λ₁),I_r(λ₂),I_r(λ₃),…I_r(λ_i)]，可得该微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数E(λ_i)：

E_m(λ_i)＝＝I(λ_i)/I_r(λ_i)

其中，m为该微透镜的编号，对所有微透镜进行这一步骤可以获取各个微透镜各自的响应非均匀系数。

S6：针对实际场景图像，提取每个微透镜覆盖像元的灰度值，并根据每个微透镜的光谱采样波长位置和相对响应非均匀系数计算得到校正后的光谱数据。

具体地，针对实际场景图像，提取m号微透镜覆盖像元的灰度值，依据步骤三和步骤四确定的光谱采样波长位置，可以获取该微透镜所对应目标A的初始光谱数据[I_A(λ₁),I_A(λ₂),I_A(λ₃),…I_A(λ_i)]，利用步骤五获得相对响应非均匀系数，得到实际光谱响应为：

I'_A(λ_i)＝I_A(λ_i)/E_m(λ_i)

则目标A的光谱响应曲线为[I′_A(λ₁),I′_A(λ₂),I′_A(λ₃),…I′_A(λ_i)]。对所有微透镜重复这一步骤，即可获得校正后的光谱数据。

S7：根据校正后的光谱数据，按照目标空间位置依次排列重构实际场景光谱数据立方体。

具体地，将步骤S6中获取的各个目标的光谱数据按照目标空间位置，依次排列，可形成如图8所示的光谱数据立方体中。如图9所示，由于各个微透镜对应的光谱采样波长位置不一致，各个目标的采样波长不同，初步提取的光谱数据立方体没有目标场景在某一固定波长的光谱图像切片。为了获取切片式的三维光谱数据立方体，可选取某一个微透镜光谱采样波长位置作为基准，如图8中的[λ_A1,λ_A2,λ_A3,λ_A4,…λ_Ai]，其他目标点的光谱数据根据各自对应的光谱中心波长和带宽构造插值算法的插值核(如插值算法可包括多项式插值、线性插值等)在光谱维度插值重采样获取新的光谱数据。用重构出的光谱数据填充到光谱数据立方体后，重构出了新的光谱数据立方体，其可提取出目标场景的单一谱段光谱图像，其光谱图像对应的谱段为选定的参考谱段组[λ_A1,λ_A2,λ_A3,λ_A4,…λ_Ai]。

另外，本发明实施例的一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用普通光源、单色仪和积分球组成谱段可调节单色均匀面光源，其中，所述普通光源、所述单色仪和所述积分球依次连接；

S2：利用所述单色均匀面光源照射成像光谱仪，获取所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应；

S3：根据所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应，确定每个微透镜下各个像元对应的中心波长和光谱带宽；

S4：根据每个微透镜下各个像元对应的所述中心波长和所述光谱带宽，确定每个微透镜的光谱采样波长位置；

S5：根据所述单色均匀面光源的光谱数据、所述中心波长和所述光谱带宽计算每个微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数；

S6：针对实际场景图像，提取每个微透镜覆盖像元的灰度值，并根据每个微透镜的所述光谱采样波长位置和所述相对响应非均匀系数计算得到校正后的光谱数据；以及

S7：根据所述校正后的光谱数据，按照目标空间位置依次排列重构实际场景光谱数据立方体。

2.根据权利要求1所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括，通过调节所述单色仪输出光谱段调节所述单色面均匀光源对应的谱段λ_i，利用辐射度计监视并记录不同谱段输出的光源强度I_0,λi。

3.根据权利要求2所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括，利用计算机控制所述单色仪在响应波长范围内，以预设的步长Δλ进行扫描，使所述积分球输出不同谱段的单色面光源，由所述成像光谱仪采集相应谱段的系统响应图像，根据所述系统响应图像获取所述成像光谱仪在各个谱段下的系统响应。

4.根据权利要求3所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括，对某一微透镜后覆盖的任一像元，提取所述像元在所述谱段λ_i的灰度值I_λi，所述灰度值I_λi满足下列公式：

$\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_i}}{I_{0,{\mathrm{\λ}}_i}}=I_0\exp \[-4ln2\frac{{({\mathrm{\λ}}_i-{\mathrm{\λ}}_0)}^2}{{\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\right)}^2}\]$

其中，I₀是最大灰度响应值，λ₀是该像元对应的中心波长，Δλ是该像元对应的光谱带宽，根据步骤S2中采样获取的各个谱段的灰度和上述灰度值I_λi的公式进行拟合，计算获得所述像元对应的中心波长和光谱带宽。

5.根据权利要求4所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括，对所有微透镜根据步骤S3确定各个微透镜各自覆盖的像元对应中心波长和光谱带宽，从而确定各个微透镜对应的所述光谱采样波长位置。

6.根据权利要求5所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括，获取单色均匀面光源的光谱数据[I(λ₁),I(λ₂),I(λ₃),…I(λ_i)]，并根据所述采样中心波长[λ₁,λ₂,λ₃,…λ_i]和所述光谱带宽[Δλ₁,Δλ₂,Δλ₃,…Δλ_i]进行重采样获取的参考光谱数据[I_r(λ₁),I_r(λ₂),I_r(λ₃),…I_r(λ_i)]，根据所述光谱数据和所述参考光谱数据并根据以下公式计算所述每个微透镜在各个谱段的相对响应非均匀系数E(λ_i)：

E_m(λ_i)＝I(λ_i)/I_r(λ_i)

其中，m为微透镜的编号。

7.根据权利要求6所述的光场成像光谱仪的光谱标定校正方法，其特征在于，步骤S6进一步包括，针对实际场景图像，提取每个微透镜覆盖像元的灰度值，并根据所述光谱采样波长位置获取每个微透镜对应目标A的初始光谱数据[I_A(λ₁),I_A(λ₂),I_A(λ₃),…I_A(λ_i)]，并根据所述相对响应非均匀系数根据以下公式计算实际光谱响应：

I'_A(λ_i)＝I_A(λ_i)/E_m(λ_i)

其中，所述目标A的光谱响应曲线为[I′_A(λ₁),I′_A(λ₂),I′_A(λ₃),…I′_A(λ_i)]。