CN107727231A - 一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，首先计算光谱成像仪采集的暗电流数据的均值；由暗电流数据计算光谱成像仪在暗背景条件下像元间响应的非均匀性系数；选择光谱图像边缘的暗像元区，计算该暗像元区的平均值；利用该暗像元区的平均值对光谱成像仪采集的暗电流数据进行修订；再按照修订后的暗电流数据对探测器输出的每一帧图像进行减暗电流处理，得到减去暗电流后的图像数据；对该减去暗电流后的图像数据进行后期图像处理，得到条带噪声消除后的光谱图像。该方法可以解决对垂直推扫维随时间出现的条带噪声修正难的问题，从而改善光谱图像的质量，提高光谱图像数据的利用率。

Description

一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法

技术领域

本发明涉及光谱成像设备技术领域，尤其涉及一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法。

背景技术

推扫式色散型光谱成像仪利用棱镜或者光栅作为色散元件，在连续谱段上得到同一目标的直接光谱，如图1所示为现有技术中棱镜色散成像原理示意图，参考图1：光谱成像仪一般由七部分组成，分别是指向镜、望远镜物镜、狭缝、准直镜、棱镜、成像镜和面阵探测器。目标辐射经过望远物镜聚焦到狭缝上，透过狭缝的光经过准直之后进入色散系统，色散元件将其沿垂直狭缝方向色散为不同波段，获得目标的光谱信息，被面阵探测器接收，称为光谱维，与狭缝对应的方向是垂直轨道的方向，称为空间维。成像光谱仪沿垂直狭缝方向推扫，形成另一维空间维，这里将之称为推扫维，最终形成既含有两维空间信息又含有一维光谱信息的数据立方体。

在光谱成像仪数据采集过程中可能会由于探测器本身的非均匀性，工作状态的改变，外界环境的改变，元器件的老化等因素导致获取的光谱图像中存在条带噪声。为了提高光谱图像数据的利用率，改善光谱图像的质量，必须对条带噪声加以消除，现有技术中针对条带噪声的消除通常有直方图匹配法，矩匹配法，傅里叶变换法和小波变换法等，但上述方法普遍操作复杂，且无法对条带噪声进行有效处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，该方法可以解决对垂直推扫维随时间出现的条带噪声修正难的问题，从而改善光谱图像的质量，提高光谱图像数据的利用率。

一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，所述方法包括：

步骤1：首先计算光谱成像仪采集的暗电流数据的均值；

步骤2：由暗电流数据计算光谱成像仪在暗背景条件下像元间响应的非均匀性系数；

步骤3：选择光谱图像边缘的暗像元区，计算该暗像元区的平均值；

步骤4：利用该暗像元区的平均值对光谱成像仪采集的暗电流数据进行修订；

步骤5：再按照修订后的暗电流数据对探测器输出的每一帧图像进行减暗电流处理，得到减去暗电流后的图像数据；

步骤6：对该减去暗电流后的图像数据进行后期图像处理，得到条带噪声消除后的光谱图像。

所述的暗像元区具体为：

在光谱成像仪设计时预留的探测器像面上无入瞳光线的区域。

在所述步骤1中，具体利用如下公式来计算暗电流数据的均值：

其中，i为单帧图像的光谱维大小，有M行；j为单帧图像的空间维大小，有N列；dark(i,j)为光谱成像仪采集的暗电流数据。

在所述步骤2中，非均匀性系数的具体计算公式为：

a(i，j)＝dark(i，j)/dark_m。

在所述步骤3中：

具体按照如下公式来计算暗像元区的平均值：#

其中，s为暗像元区光谱维大小，有m行，t为暗像元区空间维大小，有n列；A(s，t)为光谱成像仪采集的暗像元区的暗电流数据；m≤M,n≤N。

在所述步骤4中，修订后的暗电流数据表示为：

dark_c(i，j)＝A_m*a(i，j)。

在所述步骤5中，具体按照如下公式进行减暗电流处理：

A′(i，j)＝A(i，j)-dark_c(i，j)

其中，A(i，j)为光谱成像仪获取的原始图像数据，A′(i，j)为减去暗电流后的图像数据。

在所述步骤6中，所进行的后期图像处理包括：

相对辐射定标、绝对辐射定标、谱线弯曲校正和彩色合成处理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可以解决对垂直推扫维随时间出现的条带噪声修正难的问题，从而改善光谱图像的质量，提高光谱图像数据的利用率，且算法简单、通用性强，便于硬件实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1所示为现有技术中棱镜色散成像原理示意图；

图2为本发明实施例所提供对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法流程示意图；

图3所示为本发明实施例中光谱成像仪获取的原始数据；

图4所示为本发明实施例中暗电流均值随时间的变化示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所述方法利用光谱成像仪本身的数据特性，通过计算暗背景条件下响应的非均匀性系数，利用暗像元区的均值对整个探测器面阵的暗电流数据进行修订，从而消除随时间序列产生的条带噪声。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，

步骤1：计算光谱成像仪采集的暗电流数据的均值；

在该步骤中，具体可以利用如下公式来计算

其中，i为单帧图像的光谱维大小，有M行，j为单帧图像的空间维大小，有N列；dark(i,j)为光谱成像仪采集的暗电流数据。

步骤2：由暗电流数据计算光谱成像仪在暗背景条件下像元间响应的非均匀性系数；

在该步骤中，非均匀性系数的具体计算公式为：

a(i，j)＝dark(i，j)/dark_m

步骤3：选择光谱图像边缘的暗像元区，计算该暗像元区的平均值；

如图3所示为本发明实施例中光谱成像仪获取的原始数据，图3边缘的黑框部分即为暗像元区，该区域是在光谱成像仪设计时预留的探测器像面上无入瞳光线的区域，具体可以按照如下公式来计算该暗像元区的平均值：#

其中，s为暗像元区光谱维大小，有m行，t为暗像元区空间维大小，有n列；A(s，t)为光谱成像仪采集的暗像元区的暗电流数据；m≤M,n≤N。

如图4所示为本发明实施例中暗电流均值随时间的变化示意图，参考图4：暗电流呈现明显的周期性变化，导致获取的光谱图像出现周期性的条带噪声。

步骤4：利用该暗像元区的平均值对光谱成像仪采集的暗电流数据进行修订；

通过该步骤的修订，就可以得到修订后的暗电流数据：

dark_c(i，j)＝A_m*a(i，j)

步骤5：再按照修订后的暗电流数据对探测器输出的每一帧图像进行减暗电流处理，得到减去暗电流后的图像数据；

在该步骤中，具体可以按照如下公式进行减暗电流处理：

A′(i，j)＝A(i，j)-dark_c(i，j)

其中，A(i，j)为光谱成像仪获取的原始图像数据，A′(i，j)为减去暗电流后的图像数据。

步骤6：对该减去暗电流后的图像数据进行后期图像处理，得到条带噪声消除后的光谱图像。

在该步骤中，所进行的后期图像处理可以包括：

相对辐射定标、绝对辐射定标、谱线弯曲校正和彩色合成处理等。

进一步的，上述条带噪声的修正方法可以应用于其它载荷成像类型如滤光片型，干涉型光谱成像仪获取的带有条带噪声的数据等，这里不做限定。

综上所述，本发明实施例所提供的方法可以解决对垂直推扫维随时间出现的条带噪声修正难的问题，从而改善光谱图像的质量，提高光谱图像数据的利用率，且算法简单、通用性强，便于硬件实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：首先计算光谱成像仪采集的暗电流数据的均值；

步骤2：由暗电流数据计算光谱成像仪在暗背景条件下像元间响应的非均匀性系数；

步骤3：选择光谱图像边缘的暗像元区，计算该暗像元区的平均值；

步骤4：利用该暗像元区的平均值对光谱成像仪采集的暗电流数据进行修订；

步骤5：再按照修订后的暗电流数据对探测器输出的每一帧图像进行减暗电流处理，得到减去暗电流后的图像数据；

步骤6：对该减去暗电流后的图像数据进行后期图像处理，得到条带噪声消除后的光谱图像。

2.根据权利要求1所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，所述的暗像元区具体为：

在光谱成像仪设计时预留的探测器像面上无入瞳光线的区域。

3.根据权利要求1所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤1中，具体利用如下公式来计算暗电流数据的均值：

<mrow> <mi>d</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>d</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>k</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>M</mi> <mo>*</mo> <mi>N</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，i为单帧图像的光谱维大小，有M行；j为单帧图像的空间维大小，有N列；dark(i,j)为光谱成像仪采集的暗电流数据。

4.根据权利要求3所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤2中，非均匀性系数的具体计算公式为：

a(i，j)＝dark(i，j)/dark_m。

5.根据权利要求3所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤3中：

具体按照如下公式来计算暗像元区的平均值：

<mrow> <mi>A</mi> <mo>_</mo> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>*</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，s为暗像元区光谱维大小，有m行，t为暗像元区空间维大小，有n列；A(s，t)为光谱成像仪采集的暗像元区的暗电流数据；m≤M,n≤N。

6.根据权利要求5所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤4中，修订后的暗电流数据表示为：

dark_c(i，j)＝A_m*a(i，j)。

7.根据权利要求6所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤5中，具体按照如下公式进行减暗电流处理：

A′(i，j)＝A(i，j)-dark_c(i，j)

其中，A(i，j)为光谱成像仪获取的原始图像数据，A′(i，j)为减去暗电流后的图像数据。

8.根据权利要求1所述对光谱成像仪条带噪声进行修正的方法，其特征在于，在所述步骤6中，所进行的后期图像处理包括：

相对辐射定标、绝对辐射定标、谱线弯曲校正和彩色合成处理。