CN107957296B - 一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法 - Google Patents

一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法。本发明针对大孔径静态干涉光谱成像技术原理特点，提出了降低干涉图采样频率、探测器倍频采样的干涉图采样方法。本发明解决了大孔径静态干涉光谱成像仪在高空间分辨率成像时由于瞬时视场角降低，使得系统入射能量降低，导致系统信噪比降低的技术问题，实现了同一目标积分时间延长的效果，从而提高了系统信噪比。

Description

一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法
技术领域
本发明涉及一种光谱成像技术，尤其涉及一种干涉光谱成像技术。
背景技术
光谱成像技术融合了光谱技术与成像技术，同时获得地物目标的几何特性与辐射特性，实现目标特性的综合探测。随着空间遥感应用对目标特性的精细识别要求的不断提高，光谱成像仪器的光谱分辨率、空间分辨率指标不断提升。
大孔径静态干涉光谱成像技术一次成像获得视场内两维地物目标的不同光程差干涉信息；通过飞行器平台飞行推扫获得同一地物目标各个光程差干涉信息，经过多帧成像后可获得连续地物目标的各个光程差干涉信息，再经光谱复原后获得光谱信息。0
在高空间分辨率应用中，由于瞬时视场角降低，系统入射能量降低导致信噪比降低，在空间分辨率降低至一定程度后信噪比指标的降低使得应用效果也受到约束；因此在光谱成像技术领域，高空间分辨率指标与高信噪比指标成为仪器设计时的矛盾，在满足高空间分辨率指标时提高信噪比指标是光谱成像技术的关键技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，解决了背景技术中高空间分辨率成像导致系统信噪比降低的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，包括以下步骤：
1)将目标信号在平行光路中用分束器分成两束完全相干的光线，然后对两束光线通过成像镜进行干涉成像，产生目标干涉信号；所述分束器为横向剪切分束器，分束器的横向剪切量d满足单边采样点数为2t，其中：t为光谱分辨率要求的目标干涉图像单边采样点数；
2)使用光电探测器采集步骤1所产生的目标干涉信号，经模数转换获得目标干涉图像；
3)将光电探测器输出第2a帧图像中第2b-1行数据与第2a-1帧中第2b行数据相加，其中a、b均为大于等于1的自然数；
4)将光电探测器输出第2a帧图像中第2b行数据与第2a+1帧中第2b-1行数据相加。
进一步地，上述分束器包括SAGNAC分束器、双角反射体分束器、基于Savart偏光镜的双折射型分束器或者基于Wollaston棱镜的双折射角分束器。
进一步地，上述目标干涉信号是以零光程差位置为中心分别对应不同视场角目标的不同光程差干涉信号。
进一步地，上述光电探测器面阵规格为m×n，其中：m为光电探测器穿轨方向像元列数，n为光电探测器沿轨方向像元行数；沿轨方向像元数n不小于2t，其中：t为光谱分辨率指标要求的目标干涉图像单边采样点数。
本发明的有益效果：
1、本发明方法成倍的延长了系统积分时间。本发明采用的干涉图采样技术，通过对同一目标多帧曝光实现积分时间延长，相当于实现了2级数字延时积分。
2、本发明应用于大孔径静态干涉光谱成像仪后，可以使得系统信噪比大幅提高，有效的改善了现有干涉光谱成像仪系统信噪比受空间分辨率制约的现状。
附图说明
图1为大孔径静态干涉光谱成像仪原理说明图；
图2为大孔径静态干涉光谱成像仪信号处理流程图；
图3为大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图逐行采样示意图；
图4为本发明大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图并行采样示意图；
图5为本发明大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图并行倍频采样示意图；
附图标记说明：1—前置成像镜，2—准直镜，3—SAGNAC干涉仪，4—傅里叶成像镜，5—干涉图，6—探测器。
具体实施方式
本发明的原理是：该大孔径静态干涉光谱成像仪的干涉图采样方法，当需要提高空间分辨率时，为保持较高信噪比，采用倍频采样干涉图的方式获取干涉信息，从而实现对地物目标成像时间的延长，提高信号输入从而提高信噪比。
该大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，包括以下步骤：
1)将分束器的剪切量参数设置为正常逐行采样的一半；
2)将光电探测器的帧频设置为正常逐行采样帧频；
3)将探测器获得的偶数帧数据中奇数行数据与前一阵数据偶数行累加；
4)将探测器获得的偶数帧数据中偶数行数据与后一阵数据奇数行累加。
本发明的具体实施方式如下：
大孔径静态干涉光谱成像仪光谱分辨率指标为60谱段，仪器光谱范围为0.45um～0.90um。在上述指标下，波数分辨率为185.185cm-1，最大光程差为0.0027cm；根据奈奎斯特采样定理，仪器采样间隔为2.25×10-5cm，因此单边采样时需要光电探测器单边行数为120。在500km轨道高度时，如果空间分辨率为30m，需要探测器帧频为240fps。
采用本发明中提出的方法时，先将横向剪切分束器的剪切量d调整为一半；这样为满足光谱分辨率就需要将探测器上采样间隔扩大一倍，使得可以同时获取地面2行目标的干涉信息，此时只要按照120fps帧频曝光即可获得与正常逐行曝光采样一样的效果。
本发明中提出了剪切量减小一半，而帧频不降低的倍频采样方法；实际探测器单边采样点数为240，探测器曝光帧频为240fps。与常规逐行采样方式不同的是，偶数帧曝光获得的图像数据的奇行和偶行分别和前一帧、后一帧图像中的偶数行、奇数行数据重复，只要将偶数帧图像的奇数行加到前一帧的偶数行上，同时将偶数行加到后一帧数据的奇数行上即可实现积分时间的等效翻倍；这样相当于成倍提高了像元驻留时间，从而将干涉图信噪比提高至40％以上。
图1为大孔径静态干涉光谱成像仪原理说明，其中3-干涉仪为SAGNAC型横向剪切干涉仪，通过剪切成像在探测器上获得干涉图。
图2为大孔径静态干涉仪数据采集处理过程，横向剪切分束器剪切光束后通过成像镜实现干涉成像，光电探测器转换干涉图后由模数转换器转换为数字图像；数字图像在图像处理器内实时的对偶数帧的图像进行拆行，再分别累加至前一帧和后一阵图像中。
图3和图4为大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样原理说明。图3为未使用本发明提出的采样方式时逐行采样原理；图4为本发明提出的并行倍频采样方式原理。图3说明在正常采样模式下，一次曝光获得t行(t＝120)目标的t种光程差干涉信息，获取地面一行目标的完整干涉信息需要以帧频120曝光。图4说明在并行采样模式下，一次曝光获得的是120行目标的120种光程差干涉信息，获取地面一行目标的完整干涉信息需要曝光60次即可。
图5为本发明中提出的干涉图采样方法说明，在图4中所示的并行采样基础上，倍频曝光采样使得两帧之间多采集一次，从而获得了偶数帧图像。偶数帧图像的奇数行(如图中X2-S1)实际上获得的干涉信息与前一阵图像的偶数行一致，因此可以提出后累加到前一帧图像上；同样偶数帧图像的偶数行(如图中X3-S1)与后一帧图像的奇数行干涉信息一致，也可以提取后向后累加。
图中，f-1……f-t为曝光帧序号；P11……Pmt为该帧图像干涉信息；P11a、P11b为；X1……X2t为地物行序；X1-S1……X8-S3……为各行地物不同光程差干涉信息。
本发明提出的干涉图采样方法本质上是在干涉图并行采样的基础上，通过倍频曝光获得每个地物目标的2次曝光；从而等效于曝光时间延长1倍。
因此，通过将横向剪切分束器设置为2倍并行采样的剪切量，而将曝光帧频设置为正常逐行采样的帧频，可以通过将偶数帧图像抽行分别向前一帧、后一帧数据累加而获得等效积分时间提高一倍的益处；从而实现系统信噪比的提升。

Claims (4)

1.一种星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将目标信号在平行光路中用分束器分成两束完全相干的光线，然后对两束光线通过成像镜进行干涉成像，产生目标干涉信号；所述分束器为横向剪切分束器，分束器的横向剪切量d满足单边采样点数为2t，其中：t为光谱分辨率要求的目标干涉图像单边采样点数；将分束器的剪切量参数设置为正常逐行采样的一半；
2)使用光电探测器采集步骤1所产生的目标干涉信号，经模数转换获得目标干涉图像；
将光电探测器的帧频设置为正常逐行采样帧频；
3)将光电探测器输出第2a帧图像中第2b-1行数据与第2a-1帧中第2b行数据相加，其中a、b均为大于等于1的自然数；
4)将光电探测器输出第2a帧图像中第2b行数据与第2a+1帧中第2b-1行数据相加。
2.根据权利要求1所述的星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，其特征在于：所述分束器包括SAGNAC分束器、双角反射体分束器、基于Savart偏光镜的双折射型分束器或者基于Wollaston棱镜的双折射角分束器。
3.根据权利要求1所述的星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，其特征在于：所述目标干涉信号是以零光程差位置为中心分别对应不同视场角目标的不同光程差干涉信号。
4.根据权利要求1所述的星载大孔径静态干涉光谱成像仪干涉图采样方法，其特征在于：所述光电探测器面阵规格为m×n，其中：m为光电探测器穿轨方向像元列数，n为光电探测器沿轨方向像元行数；沿轨方向像元数n不小于2t，其中：t为光谱分辨率指标要求的目标干涉图像单边采样点数。
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