CN105865625B - 多维信息一体化获取相机的光谱定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维信息一体化获取相机的光谱定标方法，包括步骤：1)采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据；2)采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据；3)采用插值法标定通道位置k处的中心波长λk和光谱分辨率Δλk。本发明适用范围广、定标精度高。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种光谱定标方法，尤其涉及一种多维信息一体化获取相机的光谱定标方法。
背景技术
多维信息一体化获取相机可同时获取物体的多种本证信息，为目标探测和识别提供丰富的信息，如成像光谱仪可以同时获得物体的图像、光谱信息，偏振成像光谱仪则可以同时获得物体的偏振、图像、光谱信息，多维信息一体化获取技术在生物医学、航天遥感、军事侦察、地质调查、大气环境监测等领域具有重要的应用价值。
多维信息一体化获取相机的关键技术之一是对其所获取数据的定量化研究，即多维信息一体化获取相机的定标问题。定标包括几何定标、辐射定标、光谱定标以及偏振定标，其中光谱定标的目的在于确定各光谱通道的中心波长及光谱分辨率。目前，常用的光谱定标方法主要有特征光谱定标法和单色仪波长扫描法。特征光谱定标法利用汞灯、钠灯等标准灯的发射谱线对仪器进行标定，具有结构简单、易操作的优点，但是无法实现多维信息一体化获取相机全波段中心波长的标定及对应光谱分辨率的标定，适用范围窄。单色仪波长扫描法能够获得多维信息一体化获取相机每一光谱通道的中心波长及光谱分辨率，具有全波段定标、适用范围广的优点，但由于单色仪输出光波线宽较大，导致此方法的光谱分辨率定标精度低，且无法对光谱分辨率高的相机进行准确定标；此外，由于该方法所用平行光管在单色仪输出光波有效线宽范围内对不同波长透过率的差异，将导致单色仪输出光波中心波长的漂移，从而使得相机中心波长定标精度下降。
发明内容
为解决上述背景中传统光谱定标方法适用范围窄、定标精度低的问题，本发明提供了一种适用范围广、定标精度高的多维信息一体化获取相机的光谱定标方法。
本发明的技术方案是：
多维信息一体化获取相机的光谱定标装置，包括多维信息一体化获取相机、光谱分析仪；其特殊之处在于：还包括积分球和定标光源组件；所述定标光源组件固定安装在积分球的入光口处，多维信息一体化获取相机和光谱分析仪的探头均固定在积分球的出光口处，光谱分析仪的探头位于多维信息一体化获取相机的上方/下方；所述积分球的出光口直径大于多维信息一体化获取相机的入瞳直径；所述定标光源组件包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮；所述固定靶轮上开设有中心孔，单色仪光源发出的光束通过所述中心孔进入积分球；所述固定靶轮上分布有多个孔组，用于固定激光器光源的光纤端口；每个孔组包含至少一个通孔，且同一孔组的通孔上固定安装的激光器光源型号相同。
基于上述基本方案，本发明还作出如下优化：
上述多维信息一体化获取相机固定在积分球的出光口的正前方。
上述定标装置还包括控制计算机，用于控制单色仪光源和各激光器光源。
上述多个孔组均布在所述固定靶轮上。
上述孔组至少有5个。
上述孔组有20个。
上述每个孔组包含3个通孔。
基于上述的光谱定标装置的光谱定标方法，多维信息一体化获取相机各光谱通道用符号k表示，k＝1,2,…,N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总光谱通道数；其特殊之处在于：包括以下步骤：
Step1：采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据
(1)控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔1nm～10nm输出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分球出光口处出射光波的真实中心波长λi，i＝1,2,…,W，其中，i为各准单色光波的序号，W为定标时单色仪所输出准单色光波的总数；
(2)打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Ni；
Step2：采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据
(1)根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段在多维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为λj，j＝1,2,…,V，其中，V为定标用激光器光源的总数；
(2)将Step2(1)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取相机，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δλj，其中，j＝1,2,…,V；
Step3：采用插值法标定通道位置k处的中心波长λk和光谱分辨率Δλk
采用插值方法对Ni，λi进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长λk；采用插值方法对Nj，Δλj进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率Δλk。
上述Step3具体为：
(1)分别采用多种插值方法获取通道位置Nj处的中心波长λj'；
(2)通过计算λj'相对于所述λj的偏移量Δ，对比验证各插值方法所获取的λk的精度；
(3)对比各插值方法对应的偏移量Δ，选用Δ最小的插值方法标定通道位置k处的中心波长λk以及光谱分辨率Δλk。
上述偏移量Δ按下述公式计算：
本发明的优点是：
1、本发明利用特殊设计的定标光源组件和积分球组合，输出能充满多维信息一体化获取相机全视场、全口径范围的定标用光波，中心波长的定标精度能够达到亚纳米量级；本发明能够自由控制定标光源组件输出单色光波、准单色光波，并可对定标光源组件的光源强度进行调节，具备在大动态范围内进行光谱定标的能力，应用范围广。
2、本发明通过控制计算机实现定标光源组件的自动控制、数据采集、数据处理，计算响应时间短，定标结果准确度高。
3、本发明结构简单、稳定性高、重复性好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的光纤端口固定装置的结构示意图；
图中，1‐积分球，11‐入光口，12‐出光口，2‐多维信息一体化获取相机，3‐光谱分析仪，4‐探头，5‐定标光源组件，51‐固定靶轮，511‐中心孔，512‐孔组，513‐通孔。
具体实施方式
图1为本发明所提供的多维信息一体化获取相机的光谱定标装置的结构示意图。如图1所示，该光谱定标装置包括积分球1、多维信息一体化获取相机2、光谱分析仪3、定标光源组件5以及用于控制定标光源组件5的控制计算机。
定标光源组件5固定安装在积分球1的入光口51处；多维信息一体化获取相机2和光谱分析仪3的探头4均固定在积分球1的出光口12处，同时，光谱分析仪3的探头4位于多维信息一体化获取相机2的上方，且积分球1的出光口12的直径大于多维信息一体化获取相机2的入瞳直径，以保证从出光口12输出能够充满多维信息一体化获取相机2的全视场、全口径范围的定标用光波。定标光源组件5包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮51；固定靶轮51上开设有中心孔511，单色仪光源发出的光束通过中心孔511进入积分球1；固定靶轮51上还分布有多个孔组512，用于固定激光器光源；每个孔组512包含至少一个通孔513，且属于同一孔组的通孔513上固定安装的激光器光源型号相同，可根据定标的动态范围确定通孔513和相应的激光器的数量。图2给出了固定靶轮51的一个具体结构示意图，如图2所示，固定靶轮51的中心开设有中心孔511，固定靶轮51上还均布有20个孔组512，用来固定不同波长的激光器；每个孔组512包含3个通孔513。
基于上述光谱定标装置，本发明还提供了一种光谱定标方法。多维信息一体化获取相机各通道用符号k表示，k＝1,2,…,N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总通道数；该光谱定标方法具体包括以下步骤：
Step1：采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据
(1)控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔1nm～10nm输出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分球出光口处出射光波的真实中心波长λi，i＝1,2,…,W，其中，i为各准单色光波的序号，W为定标时单色仪所输出准单色光波的总数；
(2)打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Ni；
Step2：采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据
(1)根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段在多维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为λj，j＝1,2,…,V，其中，V为定标用激光器光源的总数；
(2)将Step2(1)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取相机，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δλj，其中，j＝1,2,…,V；
Step3：采用插值法标定通道位置k处的中心波长λk和光谱分辨率Δλk
采用插值方法对Ni，λi进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长λk；采用插值方法对Nj，Δλj进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率Δλk。具体为：
(1)分别采用多种插值方法(例如最近邻插值法、线性插值法、分段多项式插值法和样条插值法)获取通道位置Nj处的中心波长λj'；
(2)通过计算λj'相对于所述λj的偏移量Δ，对比验证各插值方法所获取的λk的精度；
(3)对比各插值方法对应的偏移量Δ，选用Δ最小的插值方法标定通道位置k处的中心波长λk以及光谱分辨率Δλk。
上述偏移量Δ按下述公式计算：
由于光谱分析仪3的波长精度能达到亚纳米量级，因此，本发明所提供的定标方法的中心波长的定标精度在亚纳米量级；激光器输出光谱的线宽通常在纳米量级，远小于单色仪输出光谱的线宽，因此，本发明能够更为精确地获取相机的光谱分辨率。
Claims (9)
1.基于多维信息一体化获取相机的光谱定标装置的光谱定标方法，多维信息一体化获取相机各光谱通道用符号k表示，k＝1,2,…,N，其中，N为多维信息一体化获取相机的总光谱通道数；
所述光谱定标装置包括光谱分析仪、积分球和定标光源组件；
所述定标光源组件固定安装在积分球的入光口处，多维信息一体化获取相机和光谱分析仪的探头均固定在积分球的出光口处，光谱分析仪的探头位于多维信息一体化获取相机的上方或者下方；
所述积分球的出光口直径大于多维信息一体化获取相机的入瞳直径；
所述定标光源组件包括单色仪、不同波长的激光器以及固定靶轮；所述固定靶轮上开设有中心孔，单色仪光源发出的光束通过所述中心孔进入积分球；所述固定靶轮上分布有多个孔组，用于固定激光器光源的光纤端口；每个孔组包含至少一个通孔，且同一孔组的通孔上固定安装的激光器光源型号相同；
其特征在于：
包括以下步骤：
Step1：采集多维信息一体化获取相机各通道中心波长定标用数据
(1)控制单色仪，使其在多维信息一体化获取相机的工作波段范围内每隔1nm～10nm输出一准单色光波，利用光谱分析仪的探头在积分球的出光口处采集数据，获取积分球出光口处出射光波的真实中心波长λi，i＝1,2,…,W，其中，i为各准单色光波的序号，W为定标时单色仪所输出准单色光波的总数；
(2)打开多维信息一体化获取相机的探测器，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Ni；
Step2：采集多维信息一体化获取相机各通道光谱分辨率定标用数据
(1)根据多维信息一体化获取相机的工作波段选择激光器，所述激光器的光谱段在多维信息一体化获取相机的工作光谱段范围内；所述激光器光源的中心波长记为λj，j＝1,2,…,V，其中，V为定标用激光器光源的总数；
(2)将Step2(1)中所选定的各激光器的光源依次打开，打开多维信息一体化获取相机，采集数据，对数据进行滤波、切趾、复原处理，获取复原后的光谱曲线，计算谱线峰值所对应的通道位置Nj，以及谱线的峰值半高宽Δλj，其中，j＝1,2,…,V；
Step3：采用插值法标定通道位置k处的中心波长λk和光谱分辨率Δλk
采用插值方法对Ni，λi进行插值，获取通道位置k处所对应的中心波长λk；采用插值方法对Nj，Δλj进行插值，获取通道位置k处所对应的光谱分辨率Δλk。
2.根据权利要求1所述的光谱定标装置的光谱定标方法，其特征在于：
所述Step3具体为：
(1)分别采用多种插值方法获取通道位置Nj处的中心波长λj'；
(2)通过计算λj'相对于所述λj的偏移量Δ，对比验证各插值方法所获取的λk的精度；
(3)对比各插值方法对应的偏移量Δ，选用Δ最小的插值方法标定通道位置k处的中心波长λk以及光谱分辨率Δλk。
3.根据权利要求2所述的光谱定标装置的光谱定标方法，其特征在于：所述偏移量Δ按下述公式计算：
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4.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述多维信息一体化获取相机固定在积分球的出光口的正前方。
5.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述定标装置还包括控制计算机，用于控制单色仪光源和各激光器光源。
6.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述多个孔组均布在所述固定靶轮上。
7.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述孔组至少有5个。
8.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述孔组有20个。
9.根据权利要求1所述的光谱定标方法，其特征在于：所述每个孔组包含3个通孔。
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| 《偏振型干涉成像光谱仪谱线位置定标方法的研究》;魏宇童等;《物理学报》;20160309;第65卷(第8期);该篇文章第3-8页 * |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171205 Termination date: 20190506 |