CN105891138B - 一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统，方法包括：设置理论光谱的猜值参数；根据猜值参数构建理论光谱；通过普朗克变换将理论光谱转换为理论亮温光谱；通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；根据实测亮温光谱与理论亮温光谱的差异构建代价函数；利用最优化估计方法，计算使代价函数的值减小的函数梯度方向，使理论亮温光谱与实测亮温光谱的差异减小；当代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；实测亮温光谱中除去非目标成分的光谱。该方法及系统能够有效从亮温谱中减少或扣除大气中气体成分的干扰，拓展了光谱遥感技术应用。

Description

一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，特别是涉及一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统。
背景技术
传统的光谱遥测采用分别采集实测光谱和背景光谱方法，然后做差的方法，来扣除光谱中非目标组分的干扰。然而多数情况下，纯净的背景光谱是难以获得的，限制了光谱遥测技术的应用。由于常规地物温度、发射率较为均匀，亮温谱基线较平直，可以较方便的扣除，无需提前采集纯净背景。但在路径较长的情况下，亮温光谱中会包含显著的大气的气体特征造成的干扰，影响目标成分的提取和识别。因此，如何从亮温谱中减少或扣除大气中气体成分的干扰，是拓展光谱遥感技术应用需要解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法，包括：
设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分包括的气体类型是已知的；
根据所述猜值参数构建理论光谱；
通过普朗克变换将所述理论光谱转换为理论亮温光谱；
通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；
根据所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异构建代价函数；
利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小；
当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；
从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱。
可选的，所述根据所述猜值参数构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面；
根据所述各种气体成分的吸收截面和猜值参数计算出各种气体成分的吸收系数；
根据所述各种气体成分的吸收系数计算理论光谱的气体特征；
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型；
根据所述前向模型构建理论光谱。
可选的，其特征在于，所述代价函数为：
所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异等于所述实测亮温光谱和所述理论亮温光谱中各种气体成分光谱之差的平方和。
可选的，利用最优化估计方法，计算使所述代价函数值减小的梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数，得到使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小。
本申请还公开了一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的系统，包括：实测光谱模块、理论光谱模块、代价函数模块、重构模块和抑制模块；
所述实测光谱模块用于通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；
所述理论光谱模块用于设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分包括的气体类型是已知的；根据所述猜值参数构建理论光谱；通过普朗克变换将所述理论光谱转换为理论亮温光谱；
所述代价函数模块用于根据所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异构建代价函数；
所述重构模块用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小；当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；
所述抑制模块用于从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱。
可选的，所述理论光谱模块用于根据所述猜值参数构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面；
根据所述各种气体成分的吸收截面和猜值参数计算出各种气体成分的吸收系数；
根据所述各种气体成分的吸收系数计算理论光谱的气体特征；
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型；
根据所述前向模型构建理论光谱。
可选的，所述代价函数为：所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异等于所述实测亮温光谱和所述理论亮温光谱中各种气体成分光谱之差的平方和。
可选的，所述所述重构模块用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数，得到使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过对光谱成分进行估计的方法计算出光谱的非目标成分并将非目标成分去除，实成功提取出光谱中的目标成分。由于不同的成分的吸收系数是不一样的，对光谱造成的影响也是独特的，因此，使得该方法能够更加准确估计出光谱中的非目标成分和目标成分。同时，本发明的技术方案扩展了光谱遥感技术的应用范围。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法实施例方法流程图；
图2为采用本发明的一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法后实施例非目标特征抑制结果对比图；
图3为本发明一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的系统实施例系统结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法及系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法实施例方法流程图。
参见图1，一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法，包括：
步骤101，设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分的包括气体类型是已知的；
所述猜值参数x0是根据所述实测亮温光谱对光谱中各种气体成分的浓度、程长等参数进行估计得到的：
其中xtar为目标成分的猜值参数；xint为非目标成分中的干扰成分的猜值参数；为非目标成分中的大气气体成分的猜值参数。
所述猜值参数不仅包括目标成分的猜值参数，还包括了非目标成分中的干扰成分和大气气体成分的猜值参数，更加接近实际测量的光谱参数，更好的反映目标成分、非目标成分的相互作用，相比传统的方法，能够更加有效的利用已知信息和未知信息。
步骤102，根据所述猜值参数x0构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面σ；
根据所述各种气体成分的吸收截面σ和猜值参数x0计算出各种气体成分的吸收系数α：
α＝σx0；
根据所述各种气体成分的吸收系数α计算理论光谱的气体特征T：
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型F：
F＝f(T)＝F(x0)；
根据所述前向模型构建理论光谱y0:
y0＝F+ε＝F(x0)+ε,
其中，ε为测量误差。
所述理论光谱是经过估计得到的光谱成分、浓度、程长等信息经重构得到的，因所述理论光谱的成分、浓度、程长等信息是估计值，因此重构得到的理论光谱与实测光谱之间有差异。
步骤103，通过普朗克变换将所述理论光谱y0转换为理论亮温光谱y′0。
步骤104，通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱y；具体包括：
通过利用黑体，设定2个以上的温度点，对测量仪器进行定标的方法，将实测光谱转换为实测亮温光谱y。
步骤105，根据所述实测亮温光谱y与所述理论亮温光谱y′0的差异构建代价函数J(x0)；所述代价函数J(x0)为：
所述实测亮温光谱y与所述理论亮温光谱y′0的差异等于所述实测亮温光谱y和所述理论亮温光谱y′0中各种气体成分光谱之差的平方：
J(x0)＝∑(y-y′0)2。
步骤106，利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
将所述理论亮温光谱和所述实测亮温光谱的差y-y0转换为猜值参数x0和实际参数x之间的差异：
其中，实际参数x为实测亮温光谱的参数；是x点的权函数。
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数x0，根据K确定使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数x0，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小：
所述修改后的理论光谱的猜值参数为则
步骤107，当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱。
步骤108，从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱。
图2为采用本发明的一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法后非目标特征抑制结果对比图。
参见图2，从上到下依次为实测亮温光谱、重构得到的非目标成分的理论亮温光谱和除去非目标成分的实测亮温光谱。从上图中的光谱中除去中图中的光谱即得到下图中的光谱。由图中可以看出，从下图比上图能更准确的提取出实测亮温光谱中的目标成分。
本发明通过对光谱成分进行估计的方法计算出光谱的非目标成分并将非目标成分去除，实成功提取出光谱中的目标成分。由于不同的成分的吸收系数是不一样的，对光谱造成的影响也是独特的，因此，使得该方法能够更加准确估计出光谱中的非目标成分和目标成分。同时，本发明的技术方案扩展了光谱遥感技术的应用范围。
图3为本发明一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的系统实施例系统结构图。
参见图3，一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的系统，包括：实测光谱模块301、理论光谱模块302、代价函数模块303、重构模块304和抑制模块305；
所述实测光谱模块301用于通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；
所述理论光谱模块302用于设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分包括的气体类型是已知的；根据所述猜值参数构建理论光谱；通过普朗克变换将所述理论光谱转换为理论亮温光谱；
所述代价函数模块303用于根据所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异构建代价函数；
所述重构模块304用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小；当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；
所述抑制模块305用于从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱。
可选的，所述理论光谱模块302用于根据所述猜值参数构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面；
根据所述各种气体成分的吸收截面和猜值参数计算出各种气体成分的吸收系数；
根据所述各种气体成分的吸收系数计算理论光谱的气体特征；
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型；
根据所述前向模型构建理论光谱。
可选的，所述代价函数为：所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异等于所述实测亮温光谱和所述理论亮温光谱中各种气体成分光谱之差的平方和。
可选的，所述所述重构模块304用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数，得到使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的方法，其特征在于，包括：
设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分的包括气体类型是已知的；
根据所述猜值参数构建理论光谱；
通过普朗克变换将所述理论光谱转换为理论亮温光谱；
通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；
根据所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异构建代价函数；
利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小；
当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；
从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱；
所述猜值参数是根据所述实测亮温光谱对光谱中各种气体成分的参数进行估计得到的，所述猜值参数不仅包括目标成分的猜值参数，还包括了非目标成分中的干扰成分和大气气体成分的猜值参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述猜值参数构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面；
根据所述各种气体成分的吸收截面和猜值参数计算出各种气体成分的吸收系数；
根据所述各种气体成分的吸收系数计算理论光谱的气体特征；
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型；
根据所述前向模型构建理论光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述代价函数为：
所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异等于所述实测亮温光谱和所述理论亮温光谱中各种气体成分光谱之差的平方和。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用最优化估计方法，计算使所述代价函数值减小的梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数，得到使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小。
5.一种提高亮温光谱中非目标特征抑制能力的系统，其特征在于，包括：实测光谱模块、理论光谱模块、代价函数模块、重构模块和抑制模块；
所述实测光谱模块用于通过辐射定标将实测的红外光谱转换为亮温光谱，得到实测亮温光谱；
所述理论光谱模块用于设置理论光谱的猜值参数；所述理论光谱的构成中包括非目标成分的光谱和目标成分的光谱；所述猜值参数为光谱中各种气体成分的参数，包括非目标成分的猜值参数和目标成分的猜值参数；所述非目标成分为背景成分；所述目标成分为被测物成分；所述非目标成分包括的气体类型和所述目标成分包括的气体类型是已知的；根据所述猜值参数构建理论光谱；通过普朗克变换将所述理论光谱转换为理论亮温光谱；
所述代价函数模块用于根据所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异构建代价函数；
所述重构模块用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小；当所述代价函数值小于阈值时，利用对应的非目标成分的猜值参数重构非目标成分的光谱；
所述抑制模块用于从所述实测亮温光谱中除去所述非目标成分的光谱；
所述猜值参数是根据所述实测亮温光谱对光谱中各种气体成分的参数进行估计得到的，所述猜值参数不仅包括目标成分的猜值参数，还包括了非目标成分中的干扰成分和大气气体成分的猜值参数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述理论光谱模块用于根据所述猜值参数构建理论光谱，具体包括：
根据辐射传输理论，通过检索分子吸收线数据库或利用逐线积分，得到各种气体成分的吸收截面；
根据所述各种气体成分的吸收截面和猜值参数计算出各种气体成分的吸收系数；
根据所述各种气体成分的吸收系数计算理论光谱的气体特征；
根据所述气体特征构建理论光谱的前向模型；
根据所述前向模型构建理论光谱。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述代价函数为：所述实测亮温光谱与所述理论亮温光谱的差异等于所述实测亮温光谱和所述理论亮温光谱中各种气体成分光谱之差的平方和。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述重构模块用于利用最优化估计方法，计算使所述代价函数的值减小的函数梯度方向，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小，具体包括：
通过逐个扰动所述理论光谱的猜值参数，得到使所述代价函数值减小的函数梯度方向；
沿所述函数梯度方向修改所述理论光谱的猜值参数，使所述理论亮温光谱与所述实测亮温光谱的差异减小。
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