CN109489818A - 一种基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法。首先通过图像处理的方法获取光纤面端分布情况，并采用滤光片蚀刻的方法获取与光纤面端分布相同的奇偶滤光片。然后利用均匀光源及奇偶滤光片获取未受到相邻光纤辐射干扰的探测器数据，并利用此数据求解光纤在各探测器上的能量分布。最后利用视场合成光纤光谱成像仪成像关系建立光纤输入信号与探测器输出信号的成像方程，并通过求解该方程实现通过探测器输出复原光纤输入，进而利用光纤输入辐射信号重建二维空间及一维光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法。
背景技术
光谱成像数据包含两维空间信息和一维光谱信息，而由于探测器的二维空间特性，传统光谱成像仪同一时间仅能获取二维数据，为获得完整的三维数据，一般需要一定时间的积累。这使得利用传统光谱成像技术无法观测瞬变现象。
随着光谱成像技术的发展和光谱应用范围的扩展，动目标的特性测量，目标识别，跟踪也成为光谱成像技术的重要应用。而为了满足这一需求，适应于探测快速变化目标的各类视频光谱成像技术被提了出来，这类技术的共性为可以同时获取两维空间、一维光谱、一维时间共四维信息。现有的视频光谱成像技术体制主要有光纤视场合成技术、微透镜阵列技术、探测器马赛克镀膜技术及压缩编码技术等。
其中光纤视场合成技术基于光纤视场合成光谱成像仪(fiber-reformattingimaging spectrometry，FRIS)实现，光纤视场合成光谱成像仪是以牺牲一定空间分辨率的条件下，实现对四维数据立方体的同时测量。相比于其他技术，光纤视场合成技术无运动部件，时间分辨率及光谱分辨率均有较大优势。
此类型光谱成像仪是将传统光谱仪与视场合成光纤束结合起来，其中视场合成光纤束是指输入端为面阵光纤束，以接受二维图像，而通过光纤束的重排列，在输出端以线阵呈现，以此达到将图像由二维转化为一维的目的。一般的光纤视场合成光谱成像仪是在色散型成像光谱仪或空间调制成像光谱仪的前置系统焦面上放置视场合成光纤束，通过光纤束将二维图像分割转换为一维带状图像，然后再利用传统的分光技术，对一维图像进行分光，并在探测器上采集光谱数据，将得到的图像数据依据视场合成光纤束的排列方式进行复原，得到最终的数据立方体。这种技术是以损失视场为代价实现二维影像和一维光谱的同时测量，即通过一次曝光获得完整的数据立方体。
在理想情况下每根光纤所输出的光线经过色散落在与其对应的一列像元上，每根光纤对应且仅对应一列像元，每列像元对应且仅对应一根光纤。然而在现实情况中，受制于光纤传像束的制造工艺，光纤线端间距及其角度存在一定误差，使得光纤与探测器对应关系存在随机性，最终导致复原的数据立方体精确度较低。
发明内容
为了获得正确完整的数据立方体，本发明提出一种基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法。本发明采用与视场合成光纤分布相同的特异性滤光片，通过前置滤光片遮挡平行光管出射光线，实现仪器入射光分别照亮奇数位光纤及偶数位光纤，从而获取每根光纤未受相邻光纤影响情况下在探测器上的信号输出强度，再根据获取的信号强度大小确定光纤输出在探测器像元上的强度分布，并通过探测器及光纤定标系数，建立成像关系方程，通过求解该方程建立探测器响应与光线入射强度的对应关系。并基于光纤面阵线阵之间的位置排布规律，复原出完整的数据立方体。最后通过插值的方法，填充由于坏光纤所造成的信息缺失及图像位置偏差，最终获得正确完整的数据立方体。
本发明的技术解决方案是提供一种基于视场合成光纤光谱成像仪的数据复原方法，包括以下步骤：
步骤1：标定光纤与探测器的相对位置，获得各光纤能量在探测器像元上的分布系数；
1a、将与视场合成光纤束面端排布相对应的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片先后分别置于平行光管的出光口与视场合成光纤束面端之间；
仪器入射光先后照亮视场合成光纤束中奇数位置光纤及偶数位置光纤，采集视场合成光纤束中每根光纤在探测器像元上的信号输出强度；
其中偶数位置光纤信号输出强度为DN_cali(x,y)odd，奇数位置光纤信号输出强度为DN_cali(x,y)even；x为探测器空间维度，y为探测器光谱维度；
1b、利用探测器辐射定标参数Par(x,y)及探测器暗电平参数DC(x,y)修正DN_cali(x,y)odd及DN_cali(x,y)even，获得Rad_cali(x,y)odd及Rad_cali(x,y)even；
Rad_cali(x,y)odd＝[DN_cali(x,y)odd-DC(x,y)]·Par(x,y)
Rad_cali(x,y)even＝[DN_cali(x,y)even-DC(x,y)]·Par(x,y)；
1c、根据Rad_cali(x,y)odd及Rad_cali(x,y)even确定各光纤能量在探测器像元上的分布系数ε；
ε2i'+1,y-1+ε2i'+1,y＝1；
ε2i',y-1+ε2i',y＝1；
式中，i’为光纤序号，ε2i’+1，y为第2i’+1根光纤在探测器第y列像元上的分布系数，ε2i’+1，y-1为第2i’+1根光纤在探测器第y-1列像元上的分布系数，ε2i’，y为第2i’根光纤在探测器第y列像元上的分布系数，ε2i’，y-1为第2i’根光纤在探测器第y-1列像元上的分布系数，F_cali(2i'+1,λx)为定标时第2i'+1根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度，F_cali(2i',λx)为定标时第2i'根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度；
步骤2：数据复原
2a、采集待测目标数据DN_obs，利用下述公式求解待测光纤线端输出强度F；
其中F(i，λx)为第i根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度；
2b、通过待测光纤线端输出强度F及光纤透过率定标系数ξ(i，λx)获取各光纤的面端输入辐射强度F’；
F'(x,y)＝F(i,λx)/ξ(i,λx)
2c、最后利用光纤线端与面端空间蛇形对应关系，采用线端蛇形折叠的方式，将F’(x,y)复原至三维数据立方体。
进一步地，通过下述步骤制备步骤1a中与视场合成光纤束面端排布相对应的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片：
1)：获取视场合成光纤束面端的排布特性；
1.1)：利用光源对光纤线端进行照射，点亮光纤面端，并在面端利用探测器接收输出光纤输出，获取光纤面端图像；
1.2)：基于获取的图像数据，首先进行预处理，填补出现缺损的光纤图像；
1.3)：再通过选取阈值，对图像进行二值化操作，再利用图像形态学操作抑制偶然噪声，并通过图像连通域分析，分离各条光纤，对每个连通域求其重心与半径，并以各连通域重心作为光纤圆心坐标，通过确定面端光纤的每根光纤圆心位置及半径，获取光纤面端的排布特性；
2)：根据视场合成光纤束面端的排布特性用激光蚀刻的方式分别制备与视场合成光纤束面端排布相同的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片。
进一步地，步骤2c之后还包括：
通过插值的方法，填充由于光纤坏点所造成的信息缺失及图像位置偏差，最终获得正确完整的数据立方体。
进一步地，为了降低噪声影响，步骤1a中分别采集n帧经奇数位置滤光片及偶数位置滤光片遮挡后视场合成光纤束中每根光纤在探测器像元上的信号输出，将n帧数据平均后得到DN_cali(x,y)odd与DN_cali(x,y)even；其中n大于等于100。
本发明的有益效果是：
本发明通过奇偶特异性滤光片，获取不受相邻光纤干扰的光纤线端输出，结合光纤透过率及探测器参数，利用获取奇偶光纤输出结果，求解光纤辐射方程，进而获取各光纤能量在探测器像元上的分布系数ε。最终通过能量分布系数ε及传统定标参数，建立完备的由线端观测结果至面端数据立方体的对应关系，实现完整数据立方体的复原。该发明的提出，解决了视场合成光纤视频光谱仪数据高精度复原及辐射测量误差的工程难题，复原精度高不受相邻光纤影响，为该类设备的广泛应用打下了基础。
附图说明
图1为视场合成光纤束线端及面端示意图；
图2为光纤两端及探测器对应关系示意，即光纤线端与面一一对应，且线端信号经色散后成像在探测器列方向；
图3为图像复原流程图；
图4a为视场合成光纤束面端分布示意图；
图4b及图4c分别为奇偶滤光片分布示意图；
图5a与图5b分别为图像复原结果及真实景物；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
本发明首先通过测量视场合成光纤束的面端排布制备与面端排布特征相同的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片，即奇数位置滤光片对应视场合成光纤束面端中的奇数位置的光纤，偶数位置滤光片对应视场合成光纤束面端中偶数位置的光纤，如图4a、4b及4c所示；其次，利用制备好的奇偶滤光片标定各光纤与探测器的位置；最后利用标定得出的各光纤能量在探测器像元上的分布系数建立成像关系方程，通过求解该方程建立探测器响应与光线入射强度的对应关系，并基于光纤面阵线阵之间的位置排布规律，复原出完整的数据立方体，如图5a及5b所示。
为了制备与视场合成光纤束面端分布相同的奇偶滤光片，首先需要获取视场合成光纤束面端分布，本发明利用光源对视场合成光纤束线端进行照射，点亮光纤面端，并在面端利用探测器接收光纤输出，从而获取光纤面端图像。基于获取的图像数据，首先进行预处理，填补出现缺损的光纤图像，再通过选取合理的阈值，对图像进行二值化操作，再利用图像形态学操作抑制偶然噪声，并通过图像连通域分析，分离各条光纤，对每个连通域求其重心与半径，并以各连通域重心作为光纤圆心坐标，具体方法如下：
其中xcenter，ycenter为对应连通域的中心坐标，xi，yi为连通域内第i个像元坐标，n为对应连通域内像元个数，R为对应连通域半径。
通过确定视场合成光纤束面端光纤的每根光纤圆心位置及半径，就获取了光纤面端的排布特性，再采用激光蚀刻的方式分别制备奇数位置滤光片及偶数位置滤光片，用以帮助完成光纤探测器相对位置标定。
本发明分别利用上述制备好的奇数偶数位置滤光片实现间隔遮挡视场合成光纤束线端光纤输出，消除相邻光纤干扰的目的，实现光纤与探测器的相对位置标定。
标定实验需在暗室内进行，并采用卤钨灯作为照明光源，利用积分球均匀光源，积分球输出光线经过平行光管准直之后，再先后分别经过奇数位置与偶数位置滤光片，将照明光线滤为与视场合成光纤束面端分布相同，间隔点亮的形式点亮视场合成光纤束面端，在后端利用视场合成光纤成像光谱仪分别采集奇数位置与偶数位置滤光片投射数据。在奇数位置与偶数位置滤光片下，分别采集100帧DN值以降低噪声影响。
将单次采集的100帧数据平均，并利用探测器相对辐射定标参数及探测器暗电平参数修正平均后的DN值，具体方法如下：
Rad_cali(x,y)odd＝[DN_cali(x,y)odd-DC(x,y)]·Par(x,y) (3)
Rad_cali(x,y)even＝[DN_cali(x,y)even-DC(x,y)]·Par(x,y) (4)；
其中，x为空间维度，y为光谱维度，DC(x,y)为x、y位置上的暗电平参数，Par(x,y)为探测器辐射定标参数，DN_cali(x,y)odd为在奇数位置滤光片作用下采集并平均后的DN值；DN_cali(x,y)even为在偶数位置滤光片作用下采集并平均后的DN值；Rad_cali(x,y)odd为标定实验中，在奇数位置滤光片作用下探测器x行、y列上接受的辐射强度；Rad_cali(x,y)even为标定实验中，在偶数位置滤光片作用下探测器x行、y列上接受的辐射强度。
在理想情况下，探测器空间维度上，光纤束中光纤与探测器的相对关系可以认为是每根光纤与探测器一个像元一一对应，但在实际情况下，可以认为每根光纤对应一至两个像元，且每一像元对应一至两根光纤。以探测器像元出发，实际情况下的对应关系可表示为：
Rad_cali(x,y)＝εi,yF_cali(i,λx)+εi+1,yF_cali(i+1,λx) (5)
其中i为光纤序号，1≤i≤I-1，1≤y≤Y，I为光纤数，Y为探测器空间维像元数，一般Y＞I，εi,y表示第i根光纤能量在第y列像元上的分布系数，且εi,y+εi,y+1＝1，F_cali(i,λx)表示第i根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度。为实现探测器及光纤标定，需要求解Y+I个未知数。在不使用奇偶滤光片的情况下，Y个像元输出仅能求解Y个变量。通过奇偶滤光片分两次曝光能够求解2Y个变量，实现对上式的求解，奇数位置滤光片下，探测器光纤对应关系可表示为：
在偶数位置滤光片下，对应关系可表示为：
通过公式(6)与公式(7)奇偶滤光片能量分布关系，能够分别求解奇偶光纤与探测器的对应关系及其能量在各探测器上的占比εi,y，以奇数位置滤光片方程求解为例：
ε2i'+1,y-1+ε2i'+1,y＝1 (9)
基于光纤能量在探测器上的分布系数ε，可以实现在真实观测情况下，利用探测器输出DN值复原出光纤线端输入辐射强度信息，进而实现整个数据立方体的复原。
具体复原过程如下：
首先将获取的探测器输出DN值转化为辐射强度信息，方法如下式：
Rad_obs(x,y)＝[DN_obs(x,y)-DC(x,y)]·Par(x,y)
视场合成光纤光谱成像仪在观测目标时，像元信号组成方程组如下所示：
其中DN_obs(x,y)为探测器输出，εi,y为光纤能量在探测器上的分布系数，Par(x,y)及DC(x,y)为辐射定标参数及暗电平参数，以上四参量均为已知量，F(i,λx)为待求解的光纤线端输出辐射强度。在仪器设计时，为保证上述方程可解，设计yend≥iend即探测器数大于等于光纤数，即可通过求解上述方程获取F(i,λx),i∈[1,iend]。分别求解各行探测器，就能获取所有光纤在各个波段的输出响应情况。
获取光纤输出能量分布F(i,λ)后，通过光纤透过率定标系数ξ(i,λ)即可获取各光纤的面端输入辐射强度F'(x,y)＝F(i,λ)/ξ(i,λ)；
最后利用光纤线段与面端空间蛇形对应关系，采用线端蛇形折叠的方式，将F'(x,y)复原至三维数据立方体。
Claims (4)
1.一种基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：标定光纤与探测器的相对位置，获得各光纤能量在探测器像元上的分布系数；
1a、分别采集经奇数位置滤光片及偶数位置滤光片遮挡后视场合成光纤束中每根光纤在探测器像元上的信号输出；所述奇数位置滤光片及偶数位置滤光片与视场合成光纤束面端排布相对应；
其中奇数位置光纤信号输出为DN_cali(x,y)odd，偶数位置光纤信号输出为DN_cali(x,y)even；x为探测器空间维度，y为探测器光谱维度；
1b、利用探测器暗电平参数DC(x,y)及探测器辐射定标参数Par(x,y)修正DN_cali(x,y)odd及DN_cali(x,y)even，获得奇数位置光纤信号输出强度Rad_cali(x,y)odd及偶数位置光纤信号输出强度Rad_cali(x,y)even；
Rad_cali(x,y)odd＝[DN_cali(x,y)odd-DC(x,y)]·Par(x,y)
Rad_cali(x,y)even＝[DN_cali(x,y)even-DC(x,y)]·Par(x,y)；
1c、根据Rad_cali(x,y)odd及Rad_cali(x,y)even确定各光纤能量在探测器像元上的分布系数ε；
ε2i'+1,y-1+ε2i'+1,y＝1；
ε2i',y-1+ε2i',y＝1；
式中，i’为光纤序号，ε2i’+1，y为第2i’+1根光纤在探测器第y列像元上的分布系数，ε2i’+1，y-1为第2i’+1根光纤在探测器第y-1列像元上的分布系数，ε2i’，y为第2i’根光纤在探测器第y列像元上的分布系数，ε2i’，y-1为第2i’根光纤在探测器第y-1列像元上的分布系数，F_cali(2i'+1,λx)为定标时第2i'+1根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度，F_cali(2i',λx)为定标时第2i'根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度；
步骤2：数据复原
2a、采集待测目标数据DN_obs，利用下述公式求解待测光纤线端输出强度F；
其中F(i，λx)为第i根光纤在第x行探测器对应波长λx上的输出强度；
2b、通过待测光纤线端输出强度F及光纤透过率定标系数ξ(i，λx)获取各光纤的面端输入辐射强度F’：
F'(x,y)＝F(i,λx)/ξ(i,λx)；
2c、最后利用光纤线端与面端空间蛇形对应关系，采用线端蛇形折叠的方式，将F′(x,y)复原至三维数据立方体。
2.根据权利要求1所述的基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法，其特征在于：通过下述步骤制备步骤1a中与视场合成光纤束面端排布相对应的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片：
1)：获取视场合成光纤束面端的排布特性；
1.1)：利用光源对光纤线端进行照射，点亮光纤面端，并在面端利用探测器接收输出光纤输出，获取光纤面端图像；
1.2)：基于获取的图像数据，首先进行预处理，填补出现缺损的光纤图像；
1.3)：再通过选取阈值，对图像进行二值化操作，再利用图像形态学操作抑制偶然噪声，并通过图像连通域分析，分离各条光纤，对每个连通域求其重心与半径，并以各连通域重心作为光纤圆心坐标，通过确定面端光纤的每根光纤圆心位置及半径，获取光纤面端的排布特性；
2)：根据视场合成光纤束面端的排布特性用激光蚀刻的方式分别制备与视场合成光纤束面端排布相同的奇数位置滤光片及偶数位置滤光片。
3.根据权利要求1所述的基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法，其特征在于：步骤2c之后还包括：
通过插值的方法，填充由于坏光纤所造成的信息缺失及图像位置偏差，最终获得正确完整的数据立方体。
4.根据权利要求1所述的基于光纤视场合成光谱成像仪的数据复原方法，其特征在于：
步骤1a中分别采集n帧经奇数位置滤光片及偶数位置滤光片遮挡后视场合成光纤束中每根光纤在探测器像元上的信号输出，将n帧数据平均后得到DN_cali(x,y)odd与DN_cali(x,y)even；其中n大于等于100。
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