CN107631799B - 已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法 - Google Patents

Abstract

已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，属于成像光谱仪探测领域，能从根本上消除杂散光对成像光谱仪测量结果的影响。本发明根据光谱杂散光对待测成像光谱仪的影响原理，利用单色仪输出一系列单色均匀光依次进入并充满待测成像光谱仪的视场，并利用绝对辐射计记录一系列单色光光谱的能量，经计算得到待测成像光谱仪各像元的归一化光谱响应函数；然后与目标相对光谱分布联合计算各像元响应信号中有效光谱信号与总信号的比例，最后在观测目标时的实测信号中乘以有效光谱信号所占比例即得到有效光谱信号，完成对待测成像光谱仪的光谱杂散光修正。本发明测量精度高，计算简单，易于编程，便于实时计算。

Description

已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法

技术领域

本发明属于成像光谱仪探测技术领域，具体涉及一种已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法。

背景技术

由于能实现对观测目标的空间信息和光谱信息的同时探测，所以近年来成像光谱仪已经广泛应用于大气遥感、地物光谱分布及识别以及生物医学等各个领域，而杂散光水平是成像光谱仪的一个重要指标，尤其是在定量化研究中，杂散光已经成为限制成像光谱仪探测精度的关键因素之一。一般意义上的杂散光包括空间杂散光和光谱杂散光，而对于成像光谱仪来说，设计和加工过程中主要考虑光谱杂散光，光谱杂散光是指工作波段以外的光到达像面的光信号。

目前，常用的对成像光谱仪消杂散光方法主要是在设计和加工阶段通过设置消杂光光阑、涂覆消杂光黑漆以及提高光学元件表面的反射率和透射率来降低成像光谱仪的杂散光水平，但这些措施只能降低杂散光水平，并不能从根本上消除杂散光影响。

发明内容

为了能从根本上消除杂散光对成像光谱仪测量结果的影响，本发明提供一种已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，包括以下步骤：

已知目标相对光谱分布L_X(λ_i)和待测成像光谱仪的归一化光谱响应函数R^归一化(x,y,λ_i)，则待测成像光谱仪输出相对光谱信号为：

S^相对(x,y,λ_i)＝R^归一化(x,y,λ_i)×L_X(λ_i) (3)

其中，x和y分别为待测成像光谱仪的像元行序号和列序号，不同列序号代表待测成像光谱仪不同的标称光谱位置，i表示成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出的一系列单色光的序号，i＝1,2,3…,n，λ_i为单色光的入射波长，λ₁～λ_n覆盖待测成像光谱仪的光谱范围；

对于每一个入射波长λ_i，根据待测成像光谱仪在该入射波长λ_i处的光谱采样间隔与其光谱分辨率的关系，假设光谱分辨率是光谱采样间隔的m倍，对待测成像光谱仪输出相对光谱信号在像元列方向y上寻找光谱信号最大值所对应的列序号y_j，则像元列序号为(j-m)～(j+m)范围内的信号为有效光谱信号，其余列序号处的信号为光谱杂散光信号，则像元列序号y_j的总信号为：而其中的有效光谱信号为：

其中，对于入射波长从λ_p到λ_q的单色光入射时，像元列序号y_j的光谱响应信号处于上述定义的有效光谱信号中，即y∈(y_j-m,y_j+m)；

因此，各像元响应信号中有效光谱信号与总信号的比例为：

最后在待测成像光谱仪测量目标的实测信号中乘以有效光谱信号所占比例得到有效光谱信号，即完成光谱杂散光修正。

进一步的，所述待测成像光谱仪的归一化光谱响应函数R^归一化(x,y,λ_i)的计算过程如下：

已知待测成像光谱仪对入射波长为λ_i的单色光的响应度则对于每一次入射的入射波长为λ_i的单色光，对在待测成像光谱仪像元列方向y上的光谱响应之和进行归一化处理，得到归一化光谱响应函数为：

其中，S_待测仪器(x,y,λ_i)为待测成像光谱仪对入射波长为λ_i的单色光的输出信号，S_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计对入射波长为λ_i的单色光的输出信号，R_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计对入射波长为λ_i的单色光的响应度，R_{绝对辐射计}(λ_i)是已知的，表示待测成像光谱仪对入射波长为λ_i的单色光在像元列方向y上的响应之和，y_j表示待测成像光谱仪有效光谱响应范围内的每一列，j＝1,2,...,k，一共k列。

进一步的，利用成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出一系列等光谱采样间隔的单色均匀光依次进入并充满待测成像光谱的视场，同时利用绝对辐射计标定出成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出该一系列单色光的光谱能量分布，如式(1)所示：

式(1)中，L(λ_i)为高精度单色仪的输出光谱辐射量。

进一步的，所述成像光谱仪光谱杂散光测量系统包括：

高稳定高亮度光源系统，发出连续光谱信号；

高精度单色仪，接收连续光谱信号并输出单色光，通过改变高精度单色仪的输出波长从而输出不同的单色光；

积分球系统，对单色光进行均匀化并输出光谱信号；

光谱辐亮度调节及监测系统，用于调节积分球系统输出的光谱信号强度；

绝对辐射计，用于标定积分球系统输出的光谱信号；

待测成像光谱仪，接收积分球系统输出的光谱信号，经计算得出待测成像光谱仪对不同单色光的光谱响应信号，根据待测成像光谱仪的光谱定标结果，区分出杂散光光谱响应在总光谱响应中的比例，即得到待测成像光谱仪的光谱杂散光系数。

进一步的，所述高精度单色仪包括入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、出射狭缝，所述高稳定高亮度光源系统发出的连续光谱信号依次通过入射狭缝入射、准直镜准直、光栅干涉、聚焦镜汇聚、出射狭缝出射至积分球系统中。

进一步的，所述高稳定高亮度光源系统选择大功率氙灯或大功率钨灯。

进一步的，所述高精度单色仪选用杂散光系数小于10^-5的单色仪。

本发明的有益效果是：

本发明能从根本上消除光谱杂散光对成像光谱仪测量结果的影响，提高了仪器测量精度，并且该方法计算简单，易于编程，便于实时计算。

附图说明

图1为本发明中所采用的一种成像光谱仪光谱杂散光测量系统的结构示意图。

图中：1、高稳定高亮度光源系统，2、高精度单色仪，21、入射狭缝，22、准直镜，23、光栅，24、聚焦镜，25、出射狭缝，3、积分球系统，4、光谱辐亮度调节及监测系统，5、绝对辐射计，6、待测成像光谱仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法是通过成像光谱仪光谱杂散光测量系统实现的。如图1所示，所说的一种成像光谱仪光谱杂散光测量系统，主要由高稳定高亮度光源系统1、高精度单色仪2、积分球系统3、光谱辐亮度调节及监测系统4、绝对辐射计5和待测成像光谱仪6组成。成像光谱仪光谱杂散光测量系统是利用高稳定高亮度光源系统1发出高强度的连续光谱信号，经高精度单色仪2的作用后输出高纯度单色光(杂散光系数小于10^-5)，高纯度单色光经积分球系统3均匀化后照明待测成像光谱仪6。通过改变高精度单色仪2输出波长，记录待测成像光谱仪6对不同单色光的光谱响应信号，包括有效光谱响应信号和杂散光响应信号，同时利用绝对辐射计5标定出积分球系统3输出的不同光谱信号，由此可得出待测成像光谱仪6对不同单色光的且包含杂散光的光谱响应函数，根据待测成像光谱仪6的光谱定标结果，区分出杂散光光谱响应在总光谱响应中的比例，即得到待测成像光谱仪6的光谱杂散光系数。

高精度单色仪2是由入射狭缝21、准直镜22、光栅23、聚焦镜24、出射狭缝25组成的。高稳定高亮度光源系统1发出高强度的连续光谱信号依次通过入射狭缝21入射、准直镜22准直、光栅23干涉、聚焦镜24汇聚、出射狭缝25出射至积分球系统3。积分球系统3与光谱辐亮度调节及监测系统4相连，通过光谱辐亮度调节及监测系统4调节积分球系统3输出的光谱信号强度。

光谱辐亮度调节及监测系统4具体选用NIST标准硅探测器。

通过高稳定高亮度光源系统1发出高强度的连续光谱信号，由于需要经过高精度单色仪2和积分球系统3的衰减后才能进入待测成像光谱仪6，因此要求高稳定高亮度光源系统1必须是高亮度光源，一般紫外波段可选大功率氙灯，可见波段可选大功率钨灯。

高强度的连续光谱信号进入高精度单色仪2，为了避免高精度单色仪2自身的杂光对测量结果的影响，因此高精度单色仪2选用杂散光系数小于10^-5的单色仪，可通过设置消杂光光阑和涂覆消杂光黑漆等方法进一步降低高精度单色仪2的杂光系数。

由于需要均匀充满待测成像光谱仪6的视场，所以经高精度单色仪2输出高纯度单色光进入积分球系统3，通过光谱辐亮度调节及监测系统4来调节积分球系统3输出的光谱信号强度，以满足待测成像光谱仪6探测动态范围，并在测试当中监测积分球系统3输出光谱信号的变化情况，用于修正积分球系统3输出光谱信号起伏的影响。

本发明根据光谱杂散光对待测成像光谱仪6的影响原理，利用高精度单色仪2输出一系列单色均匀光依次进入并充满待测成像光谱仪6的视场，并利用绝对辐射计5记录一系列单色光光谱的能量，经计算得到待测成像光谱仪5各像元的归一化光谱响应函数；然后与目标相对光谱分布联合计算各像元响应信号中有效光谱信号(即修正光谱杂散光后的实际信号)与总信号的比例，最后在观测目标时的实测信号中乘以有效光谱信号所占比例即得到有效光谱信号，完成对待测成像光谱仪的光谱杂散光修正。

本发明的一种已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，具体实施需要四个步骤：

步骤i：如图1所示，利用成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出一系列等光谱采样间隔的单色均匀光依次进入并充满待测成像光谱仪6的视场，同时利用绝对辐射计5标定出成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出该一系列单色光的光谱能量分布，如式(1)所示：

式(1)中，S_待测仪器(x,y,λ_i)为待测成像光谱仪6对入射波长为λ_i的单色光的输出信号，S_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计5对入射波长为λ_i的单色光的输出信号；R_待测仪器(x,y,λ_i)为待测成像光谱仪6对入射波长为λ_i的单色光的响应度，R_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计5对入射波长为λ_i的单色光的响应度，其中R_{绝对辐射计}(λ_i)是已知的；L(λ_i)为高精度单色仪2的输出光谱辐射量；x和y分别为待测成像光谱仪6的像元行序号和列序号，不同列序号(y)代表待测成像光谱仪6不同的标称光谱位置；i表示成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出一系列单色光的序号，其中i的值为1,2,3…,n(λ₁～λ_n覆盖待测成像光谱仪6的光谱范围)。

步骤ii：由上述方程组即式(1)可计算得到待测成像光谱仪6对入射波长为λ_i的单色光的响应度，即：则对于每一次入射的入射波长为λ_i的单色光，对在待测成像光谱仪6像元列方向y上的光谱响应之和进行归一化处理，即得到归一化光谱响应函数为：

式(2)中，表示待测成像光谱仪6对入射波长为λ_i的单色光在像元列方向y上的响应之和，y_j表示待测成像光谱仪6有效光谱响应范围内的每一列，j＝1,2,...,k，一共k列。

步骤iii：与目标相对光谱分布联合计算各像元响应信号中有效光谱信号(即修正光谱杂散光后的实际信号)与总信号的比例。

由已知的目标相对光谱分布L_X(λ_i)和待测成像光谱仪6的归一化光谱响应函数R^归一化(x,y,λ_i)，则待测成像光谱仪6输出相对光谱信号为：

S^相对(x,y,λ_i)＝R^归一化(x,y,λ_i)×L_X(λ_i) (3)

对于每一个入射波长λ_i，根据待测成像光谱仪6在该入射波长λ_i处的光谱采样间隔与其光谱分辨率的关系(假设光谱分辨率是光谱采样间隔的m倍)，对待测成像光谱仪6输出相对光谱信号在像元列方向(y)上寻找光谱信号最大值所对应的列序号(y_j)，则像元列序号为(j-m)～(j+m)范围内的信号为有效光谱信号，其余列序号处的信号为光谱杂散光信号，则像元列序号y_j的总信号(包括有效光谱信号和光谱杂散光信号)为：而其中的有效光谱信号为：

其中，对于入射波长从λ_p到λ_q的单色光入射时，像元列序号y_j的光谱响应信号处于上述定义的有效光谱信号中，即y∈(y_j-m,y_j+m)。

因此，各像元响应信号中有效光谱信号与总信号的比例为：

步骤iv：最后在待测成像光谱仪6测量目标的实测信号中乘以有效光谱信号所占比例得到有效光谱信号，即完成光谱杂散光修正。

通过以上四步即可完成对已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光的修正。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，包括以下步骤：

已知目标相对光谱分布L_X(λ_i)和待测成像光谱仪(6)的归一化光谱响应函数R^归一化(x,y,λ_i)，则待测成像光谱仪(6)输出相对光谱信号为：

S^相对(x,y,λ_i)＝R^归一化(x,y,λ_i)×L_X(λ_i) (3)

其中，x和y分别为待测成像光谱仪(6)的像元行序号和列序号，不同列序号代表待测成像光谱仪(6)不同的标称光谱位置，i表示成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出的一系列单色光的序号，i＝1,2,3…,n，λ_i为单色光的入射波长，λ₁～λ_n覆盖待测成像光谱仪(6)的光谱范围；

对于每一个入射波长λ_i，根据待测成像光谱仪(6)在该入射波长λ_i处的光谱采样间隔与其光谱分辨率的关系，假设光谱分辨率是光谱采样间隔的m倍，对待测成像光谱仪(6)输出相对光谱信号在像元列方向y上寻找光谱信号最大值所对应的列序号y_j，则像元列序号为(j-m)～(j+m)范围内的信号为有效光谱信号，其余列序号处的信号为光谱杂散光信号，则像元列序号y_j的总信号为：而其中的有效光谱信号为：

其中，对于入射波长从λ_p到λ_q的单色光入射时，像元列序号y_j的光谱响应信号处于上述定义的有效光谱信号中，即y∈(y_j-m,y_j+m)；

因此，各像元响应信号中有效光谱信号与总信号的比例为：

最后在待测成像光谱仪(6)测量目标的实测信号中乘以有效光谱信号所占比例得到有效光谱信号，即完成光谱杂散光修正。

2.根据权利要求1所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，所述待测成像光谱仪(6)的归一化光谱响应函数R^归一化(x,y,λ_i)的计算过程如下：

已知待测成像光谱仪(6)对入射波长为λ_i的单色光的响应度则对于每一次入射的入射波长为λ_i的单色光，对在待测成像光谱仪(6)像元列方向y上的光谱响应之和进行归一化处理，得到归一化光谱响应函数为：

其中，S_待测仪器(x,y,λ_i)为待测成像光谱仪(6)对入射波长为λ_i的单色光的输出信号，S_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计(5)对入射波长为λ_i的单色光的输出信号，R_{绝对辐射计}(λ_i)为绝对辐射计(5)对入射波长为λ_i的单色光的响应度，R_{绝对辐射计}(λ_i)是已知的，表示待测成像光谱仪(6)对入射波长为λ_i的单色光在像元列方向y上的响应之和，y_j表示待测成像光谱仪(6)有效光谱响应范围内的每一列，j＝1,2,...,k，一共k列。

3.根据权利要求2所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，利用成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出一系列等光谱采样间隔的单色均匀光依次进入并充满待测成像光谱仪(6)的视场，同时利用绝对辐射计(5)标定出成像光谱仪光谱杂散光测量系统输出该一系列单色光的光谱能量分布，如式(1)所示：

式(1)中，L(λ_i)为高精度单色仪(2)的输出光谱辐射量。

4.根据权利要求1所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，所述成像光谱仪光谱杂散光测量系统包括：

高稳定高亮度光源系统(1)，发出连续光谱信号；

高精度单色仪(2)，接收连续光谱信号并输出单色光，通过改变高精度单色仪(2)的输出波长从而输出不同的单色光；

积分球系统(3)，对单色光进行均匀化并输出光谱信号；

光谱辐亮度调节及监测系统(4)，用于调节积分球系统(3)输出的光谱信号强度；

绝对辐射计(5)，用于标定积分球系统(3)输出的光谱信号；

待测成像光谱仪(6)，接收积分球系统(3)输出的光谱信号，经计算得出待测成像光谱仪(6)对不同单色光的光谱响应信号，根据待测成像光谱仪(6)的光谱定标结果，区分出杂散光光谱响应在总光谱响应中的比例，即得到待测成像光谱仪(6)的光谱杂散光系数。

5.根据权利要求4所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，所述高精度单色仪(2)包括入射狭缝(21)、准直镜(22)、光栅(23)、聚焦镜(24)、出射狭缝(25)，所述高稳定高亮度光源系统(1)发出的连续光谱信号依次通过入射狭缝(21)入射、准直镜(22)准直、光栅(23)干涉、聚焦镜(24)汇聚、出射狭缝(25)出射至积分球系统(3)中。

6.根据权利要求4所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，所述高稳定高亮度光源系统(1)选择大功率氙灯或大功率钨灯。

7.据权利要求4所述的已知目标相对光谱分布的成像光谱仪光谱杂散光修正算法，其特征在于，所述高精度单色仪(2)选用杂散光系数小于10^-5的单色仪。