CN105890873A

CN105890873A - 一种热红外高光谱成像仪盲元检测的装置和方法

Info

Publication number: CN105890873A
Application number: CN201610260362.3A
Authority: CN
Inventors: 张长兴; 谢锋; 刘成玉; 邵红兰; 刘智慧; 杨贵
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2016-08-24
Also published as: CN206146624U; CN106441808A; CN105372040A

Abstract

本发明涉及一种热红外高光谱成像仪盲元检测装置和方法，本发明装置由黑体控制器、辐射黑体、热红外高光谱成像仪和计算机模块组成，其中计算机模块包含数据采集单元和盲元检测单元，利用该装置通过步骤(1)将热红外高光谱成像仪对准黑体并充满视场，通过黑体控制器将黑体温度设置为N个(N≥30)不同的温度，待温度稳定后数据采集单元控制成像仪采集N组数据；(2)将N组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体热红外高光谱数据；(3)采集非盲元温升光谱，通过光谱匹配途径进行盲元检测，标记盲元生成盲元检测结果。本发明从光谱维角度考虑实现热红外高光谱成像仪的盲元高精度检测，对热红外高光谱成像仪定标和数据预处理具有重要的作用。

Description

一种热红外高光谱成像仪盲元检测的装置和方法

技术领域

本发明属于遥感探测与成像光谱仪定标领域，特别涉及一种热红外高光谱成像仪盲元检测的装置和方法。

背景技术

由于红外探测元器件铸造工艺或环境变化原因，热红外高光谱图像会普遍存在盲元，盲元的存在对线阵推扫的热红外高光谱成像仪图像质量造成严重影响，对辐射定标精度也会造成影响。因此在图像辐射校正前盲元检测是必要环节，盲元的检测好坏直接影响图像后续的数据处理和图像质量评价。

目前盲元检测的方法包括基于实验室定标法和基于场景的方法，这些检测方法多针对单波段的面阵红外图像进行检测处理，多为基于图像空间维度的检测，热红外高光谱成像仪是目前高光谱成像研究的前沿载荷，在同一个红外焦平面实现几百个波段成像，盲元的存在对这成像方式图像质量造成严重影响，基于整图的检测和数据处理并不一定适用。因此，还需要研究针对热红外光谱成像仪盲元检测的特定装置和算法。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种适用于热红外高光谱成像仪盲元检测的装置和方法，该方法从光谱维角度进行检测，解决了目前热红外高光谱成像仪盲元检测的难题。

一种适用于热红外高光谱成像仪盲元检测的装置由黑体控制器、辐射黑体、热红外光谱成像仪和计算机模块组成，其中计算机模块包含数据采集单元和盲元检测单元，数据采集单元控制热红外高光谱成像进行数据采集，实现数据记录，并由不同温度数据生成温升黑体热红外高光谱数据；盲元检测单元对温升黑体热红外高光谱数据基于光谱维检测，生成检测结果。

基于本装置的适用于热红外高光谱成像仪盲元检测的方法，包括以下步骤：

1：将热红外高光谱成像仪对准黑体并充满视场，通过黑体控制器将黑体温度设置为N个(N≥30)不同的温度，待温度稳定后数据采集单元控制成像仪采集N组数据；

1.1连接好盲元检测装置，将热红外高光谱成像仪对准黑体并充满视场，热红外高光谱成像仪探测单元大小为X×Y，空间维像元数目为X个，光谱维为Y个即成像后图像波段数为Y个；

1.2通过黑体控制器设置黑体初始温度为T₁，待温度稳定后数据采集单元控制热红外高光谱成像仪采集存储一组数据，数据采集行数大于300行；

1.3通过黑体控制器设置调节温度，调节温度的大小为ΔT,ΔT≤5℃，待温度稳定后数据采集单元控制热红外高光谱成像仪采集存储新的一组数据，如此重复N次(N≥30)，成像光谱仪获取N不同的温度下的黑体辐射数据。

2：利用数据采集单元将采集获取的N组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体高光谱数据；

2.1利用数据采集单元将采集获取的每组数据进行平均处理，平均后的图像大小为X×Y，每个像元的值D为：

D_{i} = \frac{Σ_{j = 1}^{m} d_{i}}{X \times Y}

式中，D_i为平均后第i个像元的值，m为图像采集的行数，d_i为第j行第i 个像元值。

通过平均处理获取了N个大小为X×Y的不同温度图像：T₁

B(T)_X _× _Y，T＝T₁，…，T_N(T₁＜T₂＜…＜T_N)

2.2利用数据采集单元将采集获取的N组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体高光谱数据，图3左图为温升黑体高光谱数据示意图，数据的空间维大小为X，光谱维大小为Y，温度维为N，提取左图黑点一个像元的温升光谱，如右图，横轴代表温度，纵轴代表像元的DN值；

3：采集正常像元温升光谱，通过光谱匹配途径进行盲元检测，标记盲元生成盲元检测结果。

3.1采集温升黑体热红外高光谱数据中正常像元温升光谱，对所采集的光谱求平均，得到平均后的温升光谱，记为参照光谱r＝(r₁,…,r_N)

3.2计算参照光谱与温升黑体热红外高光谱数据所有像元的光谱角，计算公式为

δ = \cos^{- 1} \frac{Σ_{i = 1}^{N} t_{i} r_{i}}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} t_{i}^{2}} * \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}}}

式中，t为温升黑体热红外高光谱数据某个像元光谱曲线，设定光谱角经验阈值分别为λ，进行盲元判别：

3.3计算将检测结果正常像元所有波段求平均，计算每行图像的均值μ和标准差σ，对每行所有像元进行判断

式中，i代表第i行图像，对应成像后的第i个波段

3.4将3.2和3.3检测的盲元累加合并进行标记，生成盲元检测结果，完成盲元检测。

通过以上方法，本发明可以实现热红外高光谱成像仪探测单元的盲元高精度检测，从光谱维角度出发的检测方法可以有效避免常规方法漏检和虚检的不足，本方法大幅度提高了盲元检测精度。

附图说明

图1是热红外高光谱成像仪盲元检测的装置示意图。

图2是热红外高光谱成像仪盲元检测的操作流程。

图3是图像采集单元生成的用于盲元检测的温升热红外光谱数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1描述了一种适用于热红外高光谱成像仪盲元检测的装置的组成结构图，该装置由黑体控制器、辐射黑体、热红外光谱成像仪和计算机模块组成，其中：

(1)黑体控制器实现对辐射黑体的温度控制，调节黑体至不同温度；

(2)辐射黑体是热辐射的标准物体，可以发射稳定的辐射信号，在本装置中合体的辐射视场应大于成像光谱仪视场；

(3)热红外高光谱成像仪是待检测的仪器设备；

(4)计算机模块包含数据采集单元和盲元检测单元，数据采集单元控制热红外高光谱成像进行数据采集，实现数据记录，并由不同温度的定标数据生成温升热红外高光谱数据；盲元检测单元对温升热红外高光谱数据基于光谱维检测，生成检测结果。

以下结合图1—图3对热红外高光谱成像仪盲元检测方法进行详细说明。

1：成像仪采集50组不同温度的黑体数据

1.1按照图1方式连接好盲元检测装置，将热红外高光谱成像仪对准黑体并充满视场，热红外高光谱成像仪探测单元大小为320×256，空间维像元数目为320个，光谱维为256个即成像后图像波段数为256个；

1.2通过黑体控制器设置黑体初始温度为-10℃，待温度稳定后数据采集单元控制热红外高光谱成像仪采集存储一组数据，数据采集行数为300行；

1.3通过黑体控制器设置调节温度，升高温度大小为2℃，待温度稳定后数据采集单元控制热红外高光谱成像仪采集存储新的一组数据，如此重复49次，成像光谱仪共获取50个不同的温度下的黑体辐射数据，温度范围为0-98℃，2℃间隔。

2：温升黑体热红外高光谱数据生成

2.1利用数据采集单元将采集获取的每组数据进行平均处理，平均后的图像大小为320×256，每个像元的值D为：

D_{i} = \frac{Σ_{j = 1}^{m} d_{i}}{320 \times 256}

式中，D_i为平均后第i个像元的值，d_i为第j行第i个像元值。

通过平均处理获取了50个大小为320×256的不同温度图像。

2.2利用数据采集单元将采集获取的50组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体热红外高光谱数据，图3左图为温升黑体热红外高光谱数据示意图，数据的空间维大小为320，光谱维大小为256，温度维为50，提取左图黑点一个像元的温升光谱，如右图，横轴代表温度，纵轴代表像元的DN值；

3：利用盲元检测单元利用基于光谱匹配策略进行盲元检测

3.1采集温升黑体高光谱数据中正常像元温升光谱，对所采集的光谱求平均，得到平均后的温升光谱，记为参照光谱r＝(r₁,…,r_N)。

3.2计算参照光谱与温升黑体高光谱数据所有像元的光谱角，计算公式为

δ = \cos^{- 1} \frac{Σ_{i = 1}^{N} t_{i} r_{i}}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} t_{i}^{2}} * \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}}}

式中，t为温升黑体高光谱数据某个像元光谱曲线，设定光谱角经验阈值为λ＝0.05，进行盲元判别：

式中，i代表第i行图像，对应成像后的第i个波段

根据检测结果计算相对辐射定标系数，对图像进行非均匀性校正。

Claims

1.一种热红外高光谱成像仪盲元检测装置，装置包括黑体控制器、辐射黑体、热红外高光谱成像仪和计算机模块，其特征在于，其中计算机模块包含数据采集单元和盲元检测单元，数据采集单元控制热红外高光谱成像进行数据采集，实现数据记录，并由不同温度数据生成温升黑体热红外高光谱数据；盲元检测单元对温升黑体热红外高光谱数据基于光谱维检测，生成检测结果。

2.一种基于权利要求1所述热红外高光谱成像仪盲元检测装置的热红外高光谱成像仪盲元检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将热红外高光谱成像仪对准黑体并充满视场，通过黑体控制器将黑体温度设置为N个，N≥30，不同的温度，待温度稳定后数据采集单元控制成像仪采集N组数据；

(2)利用数据采集单元将采集获取的N组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体热红外高光谱数据；数据生成具体步骤如下：

(2-1)利用数据采集单元将采集获取的每组数据进行平均处理，平均后的图像大小为X×Y，每个像元的值D为：

D_{i} = \frac{Σ_{j = 1}^{m} d_{i}}{X \times Y}

式中，D_i为平均后第i个像元的值，m为图像采集的行数，d_i为第j行第i个像元值；

通过平均处理获取了N个大小为X×Y的不同温度图像：

B(T)_X×Y、T＝T₁，…，T_N(T₁＜T₂＜…＜T_N)

(2-2)利用数据采集单元将采集获取的N组数据按照温升进行波段叠加，生成温升黑体热红外高光谱数据；

(3)采集正常像元温升光谱，通过光谱匹配途径进行盲元检测，标记盲元生成盲元检测结果；具体步骤如下：

(3-1)采集温升黑体热红外高光谱数据中正常像元温升光谱，对所采集的光谱求平均，得到平均后的温升光谱，记为参照光谱r＝(r₁,…,r_N)；

(3-2)计算参照光谱与温升黑体热红外高光谱数据所有像元的光谱角，计算公式为：

δ = \cos^{- 1} \frac{Σ_{i = 1}^{N} t_{i} r_{i}}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} t_{i}^{2}} * \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} r_{i}^{2}}}

式中，t为温升黑体热红外高光谱数据某个像元光谱曲线，设定光谱角经验阈值为λ，进行盲元判别：

(3-3)将检测结果正常像元所有波段求平均，计算每行图像的均值μ和标准差σ，按行将所有像元进行判断

式中，i代表第i行图像，对应成像后的第i个波段

(3-4)将步骤(3-2)和步骤(3-3)检测的盲元累加合并进行标记，生成盲元检测结果，完成盲元检测。