CN111044153A - 一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置，包括：相同实验室条件下测量相同黑体在入瞳处的图谱关联探测器的输出；由于图谱关联探测设备有其自身响应规律，在短波红外上不够灵敏，起伏多为探测器自身噪声干扰导致，故将这部分数据进行平滑去噪处理；在系统辐射在动态范围内非线性响应的前提下，建立数值模型，合理的假设系统辐射亮度转换关系为一元二次多项式；通过多组不同温度黑体测量，获取系统内部参数，系即统响应系数和系统辐射偏置；定量化的对探测设备的辐射响应进行相关检测与分析，利用L1范数对设备内部参数进行论证，从而将光电探测器的输出更准确的转换为入射的辐射亮度，也更符合图谱关联探测设备的光谱仪特性。
Description
技术领域
本发明涉及定量化光学遥感和光谱辐射学、光谱信息处理的交叉领域，更具体地，涉及一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置。
背景技术
红外辐射能量是物质的一种固有属性，温度超过绝对零度的任何物质，都会向外辐射能量，并且物体的温度越高，辐射的能量越强，它是万事万物的基本特性。随着对红外辐射的深入研究逐渐形成一套红外辐射理论。多光谱红外图谱关联探测系统是建立在红外辐射理论的基础上，对物方目标获取定量化的红外光谱信息。然而任何设备仪器都有其自身的测量特性，同样强度的光被探测设备测量输出后，沿着光谱的分布有的强有的弱，即光学传感器对光的响应能力在不同的波长并不相同，所以我们要对设备做辐射定标。这是光谱信息测量和处理过程中不可替换的关键技术之一。
通过在实验室内对几种不同温度黑体红外辐射的测量，会得到黑体在物方的红外光谱，此时使用定标的方法校准设备在不同波长上的响应不均，使输出的光谱和标准温度的普朗克曲线尽量相一致。这种以黑体的光谱作为标准对设备进行校正的方法，经常是线性的，其速度快计算量小，但是系统辐射的转换不可能处处是线性关系。鉴于线性是非线性的特殊情况，需要提出一种图谱关联系统红外光谱非线性定标方法，将光电探测器的输出转换为入射的辐射亮度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决图谱关联系统沿光谱分布的响应不均的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法，用黑体的光谱作为标准，校正图谱关联系统沿光谱分布的响应非均匀性，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集同一实验环境下不同温度黑体在图谱关联系统入瞳处的红外辐射，输出对应的电压值曲线；
S2，确定不同温度黑体辐射的光谱对应的标准辐射亮度曲线；
S3，预设输出电压值与标准辐射亮度之间对应为非线性关系，基于选取的几组温度黑体对应的输出电压值曲线和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；
S4，将剩余未选取的几组温度黑体对应的输出电压值代入所述步骤S3求解的非线性关系，求出未选取的几组温度黑体中各组黑体温度对应的计算辐射亮度曲线；
S5，对比所述计算辐射亮度曲线和对应温度的标准辐射亮度曲线，选出与标准辐射亮度曲线最相近的计算辐射亮度曲线对应的非线性关系作为该温度下的最优非线性关系。需要说明的是，本发明所提及的图谱关联系统对应为图谱关联探测装置以及所有可以完成图谱探测功能的装置。本发明并不对相关的图谱关联系统做任何限定。
在一个可选的实施例中，所述输出电压值与标准辐射亮度之间对应的非线性关系为：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射光谱对应的输出电压曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克辐射强度曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的系统响应系数，offset(λ)为该温度对应的系统内部谱偏置。
在一个可选的实施例中，所述黑体有N组温度，N为大于3正整数；步骤S3选取m组温度黑体的输出电压值和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；3≤m≤N，且m为正整数；
所述步骤S4将剩余N-m组黑体温度对应的输出电压值代入步骤S3所求得的非线性关系，确定对应的计算辐射亮度曲线；
所述步骤S5具体为：
S51，确定此次选取的m组黑体温度计算的非线性关系下，其余N-m组黑体温度中各个黑体温度对应的辐射亮度偏差；其中，辐射亮度偏差为将各个黑体温度的输出电压代入此次计算的非线性关系所得的计算辐射亮度曲线与标准辐射亮度曲线之间的偏差；
S52，遍历m，确定各种m组温度组合情况下求出的非线性对应关系，并确定该非线性关系下对应温度的黑体的计算辐射亮度曲线和标准辐射亮度曲线之间的偏差；
S53，选取各个黑体温度的
个辐射亮度偏差中最小偏差对应的非线性关系作为该温度的最优非线性对应关系。
在一个可选的实施例中，该方法还包括如下步骤：
若所述图谱关联系统输出电压的灵敏度小于预设值，则对其进行分段平滑去噪处理。
第二方面，本发明提供一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标装置，用黑体的光谱作为标准，校正图谱关联系统沿光谱分布的响应非均匀性，包括：
采集单元，用于采集同一实验环境下不同温度黑体在图谱关联系统入瞳处的红外辐射，输出对应的电压值曲线；
确定单元，用于确定不同温度黑体辐射的光谱对应的标准辐射亮度曲线；
定标单元，用于预设输出电压值与标准辐射亮度之间对应为非线性关系，基于选取的几组温度黑体对应的输出电压值曲线和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；以及将剩余未选取的几组温度黑体对应的输出电压值代入所述步骤S3求解的非线性关系，求出未选取的几组温度黑体中各组黑体温度对应的计算辐射亮度曲线；以及对比所述计算辐射亮度曲线和对应温度的标准辐射亮度曲线，选出与标准辐射亮度曲线最相近的计算辐射亮度曲线对应的非线性关系作为该温度下的最优非线性关系。
在一个可选的实施例中，所述输出电压值与标准辐射亮度之间对应的非线性关系为：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射光谱对应的输出电压曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克辐射强度曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的系统响应系数，offset(λ)为该温度对应的系统内部谱偏置。
在一个可选的实施例中，所述黑体有N组温度，N为大于3正整数；所述定标单元，用于选取m组温度黑体的输出电压值和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；3≤m≤N，且m为正整数；将剩余N-m组黑体温度对应的输出电压值代入所求得的非线性关系，确定对应的计算辐射亮度曲线；确定此次选取的m组黑体温度计算的非线性关系下，其余N-m组黑体温度中各个黑体温度对应的辐射亮度偏差；其中，辐射亮度偏差为将各个黑体温度的输出电压代入此次计算的非线性关系所得的计算辐射亮度曲线与标准辐射亮度曲线之间的偏差；遍历m，确定各种m组温度组合情况下求出的非线性对应关系，并确定该非线性关系下对应温度的黑体的计算辐射亮度曲线和标准辐射亮度曲线之间的偏差；以及选取各个黑体温度的
个辐射亮度偏差中最小偏差对应的非线性关系作为该温度的最优非线性对应关系。
在一个可选的实施例中，该装置还包括：去噪单元，用于若所述图谱关联系统输出电压的灵敏度小于预设值，则对其进行分段平滑去噪处理。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置，对比传统两点线性定标方法，本发明提出的非线性定标法矫正得到的辐射亮度更符合设备非线性响应的规律，具体表现矫正得来的辐射亮度曲线更贴合对应的普朗克曲线。
本发明提供一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置，对比传统两点线性方法，本发明提出的非线性定标法更符合图谱关联探测设备的光谱仪特性，能更准确的得到设备内部偏置谱和系统响应曲线。
附图说明
图1为本发明提供的25℃-80℃的理论普朗克辐射曲线示意图；
图2为本发明提供的普朗克公式光谱辐亮度曲线示意图；
图3为本发明提供的三点非线性定标方法流程图；
图4为本发明提供的25-80℃原始DN值曲线图；
图5为本发明提供的25-80℃的50帧平均后DN值曲线图；
图6为本发明提供的图谱设备探测器响应规律示意图；
图7(a)为本发明提供的是全波段内分段平滑前后对比图；
图7(b)为本发明提供的分段平滑前后对比在2um-4um处的放大展示图；
图8(a)为本发明提供的由25℃-50℃-80℃的DN值矫正得来的设备参数增益a示意图；
图8(b)为本发明提供的由25℃-50℃-80℃的DN值矫正得来的设备参数增益b示意图；
图8(c)为本发明提供的由25℃-50℃-80℃的DN值矫正得来的设备参数增益c示意图；
图9(a)为本发明提供的用25℃、60℃、70℃计算的内部参数去矫40℃出来的辐射亮度曲线图；
图9(b)为本发明提供的用30℃、40℃、60℃计算的内部参数去矫50℃出来的辐射亮度曲线图；
图9(c)为本发明提供的用50℃、70℃、80℃计算的内部参数去矫60℃出来的辐射亮度曲线图；
图10为本发明提供的线性与非线性方法对比的L1范数示意图；
图11为本发明提供的图谱关联系统红外光谱的非线性定标装置架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种图谱关联系统红外光谱非线性定标方法，其目的在于，建立数值模型，以黑体的光谱作为标准校正设备的响应不均，将光电探测器的输出(电压即DN值)转换为入射的辐射亮度。
为实现上述目的，本发明提供了一种图谱关联系统红外光谱非线性定标方法，使用图谱协同关联探测设备实现对设备探测到的电压值的定量化分析，所述方法包括以下步骤：
(1)同一实验室环境下，测得多组温度黑体在设备入瞳处的探测电压值DN(λ)′。
(2)由于图谱关联探测设备有其自身独特的响应规律，在响应范围的两端不够灵敏，起伏多为探测器自身噪声干扰导致，故将上一步得到的电压值进行分段平滑去噪处理，得到DN(λ)。
(3)根据普朗克黑体辐射理论，计算测量仪器已知光谱波段内的标准辐射亮度Sinput(λ)。
(4)假设系统辐射在动态范围内的响应是非线性关系，通过多组黑体的校准，获取系统相关参数，即系统响应系数Gain1(λ)、Gain2(λ)和系统辐射偏置offset(λ)。
(5)用上一步得到的系统内部参数，对已测得的黑体在入瞳处的探测电压值DN(λ)进行校正，对比得到的辐射亮度Sinput(λ)′是否和标准温度的普朗克曲线Sinput(λ)相一致。
(6)对比非线性定标方法和两点线性定标方法，哪种方法得到的辐射亮度和标准温度的普朗克曲线的相似度更大，就选用哪种方法。
作为进一步优选的，所述步骤(1)具体包括：
保持实验室温度、湿度相似的情况下，选取K1℃～K2℃区间每隔
的N组测试温度点，待黑体温度稳定后，将其对准并完全覆盖图谱探测设备的光学窗口。测量并输出n帧黑体在设备入瞳处的探测电压值DN(λ)′。
进一步地，步骤(1)还包括：将将n组DN值曲线求平均作为该温度点下的实测DN值曲线，原则上用来平均的样本n越多越接近设备真实的电压输出值。
作为进一步优选的，所述步骤(2)具体包括：
顺应图谱关联探测设备有其自身独特的响应规律，响应范围两端的数据不足以体现在定标的定量模型计算中，故将两端的数据分别进行多种滤波变换，实现平滑去噪处理，中间波长范围则不做任何处理使之保持设备原始特性。理论上符合图谱探测器的基本性能规律。
作为进一步优选的，所述步骤(3)具体包括：
运用黑体辐射理论中热力学温度、波长与黑体辐射出射度三者的关系，根据普朗克公式
计算出在理想黑体在N组测试温度点上，光谱响应范围内每个波数对应的辐射亮度，即绘出对应波段的标准普朗克曲线Sinput(λ)
作为进一步优选的，所述步骤(4)具体包括：
假设系统辐射在动态范围内非线性响应是一元二次的关系，则有三点法系统辐射亮度转换公式：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中DN(λ)是某温度对应黑体辐射的实测DN值曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的设备响应系数，即两个增益，offset(λ)为该温度对应的设备内部谱偏置。
光谱响应范围内每个波数有一个在步骤1中实测的由设备传出的DN值，及一个在步骤2中计算的理论辐射亮度值Sinput，这样的话需要3一元二次个方程，即需要3个温度对应的数据可求设备内部参数Gain1(λ)、Gain2(λ)、offset(λ)。
作为进一步优选的，所述步骤(5)具体包括：
用上一步得到的系统内部参数Gain1(λ)、Gain2(λ)、offset(λ)，对其他(n-3)组温度黑体在设备入瞳处的真实探测电压值DN(λ)进行系统辐射转换，代入三点法系统辐射亮度转换公式，即可算得该温度黑体在设备入瞳处的理论入射辐射量Sinput(λ)′。
进一步地，步骤(5)还包括：对比通过本发明校正得到的辐射亮度Sinput(λ)′是否和标准温度的普朗克曲线Sinput(λ)相一致，可知计算得来的设备内部参数合不合适矫正该温度的DN值。理论上越贴合普朗克曲线，则对传感器响应校正的效果越好。
进一步地，步骤(5)还包括：引入具体的量化衡量指标--矫正曲线和普朗克曲线差的L1范数来参考与普朗克曲线的贴合情况，
即λ越小，传感器响应校正的效果越好。
总结后得到规律：由待矫正温度附近的温度点的探测器的输出值和理论值夹逼待矫正温度点得到的设备内部参数更准确，矫正后的辐射亮度曲线更贴合该温度的标准普朗克曲线，即更符合普朗克规律。
作为进一步优选的，所述步骤(6)具体包括：
对比非线性定标方法和两点线性定标方法，哪种方法校正设备的在不同波长上的响应效果越好，使输出的辐射亮度和标准温度的普朗克曲线的相似度更大，就选用哪种方法。
在详细解释本发明的技术方案之前，先介绍传统的两点定标法。两点法是建立在系统辐射在动态范围内线性响应的前提下实现的。系统辐射亮度转换公式如下：DN(λ)＝Gain(λ)·Sinput(λ)+offset(λ)。
具体实例的实验过程中，采集25℃低温黑体辐射曲线作为低温黑体校正数据文件，同时采集80℃高温黑体辐射曲线作为高温黑体校正数据文件。通过两点校正法分别计算得到仪器的响应曲线和内部自身辐射引起的辐射偏置曲线：
其中DN1(λ)、DN2(λ)是不同温度黑体辐射的实测DN值曲线，S1(λ)、S2(λ)是对应温度的黑体普朗克曲线，可以两个方程可求解两个未知数，即可求得Gain(λ)和offset(λ)。再根据求出的偏置和增益，可以由实测DN值曲线矫正得到对应的解辐射亮度，该方法的优点是计算量小，缺点是如果高低温相差不大，光谱辐射亮度变化很小，黑体温度不稳定时，测量时很小的误差会造成计算时较大的误差，另外且建立在系统辐射在动态范围内看做线性响应，然而实际转换时不可能处处是线性关系。
鉴于线性是非线性的特殊情况，故参照两点法，本发明提出一种三点非线性的光谱定标方法，当实际转换过程中出现传统线性的情况时，二次项系数解出来为0并不影响定标的准确性。
需要说明的是，本发明实施例仅以m取3为例进行说明，m还可取大于3的其他整数，本发明并不对此做任何限定。
在本发明中运用了黑体辐射理论中热力学温度、波长与黑体辐射出射度三者的关系。温度超过绝对零度(-273℃)的任何物质，就会向外辐射能量，物体的温度越高，辐射能量越高。根据普朗克公式可计算出在理想黑体在每个测试温度点上，探测器响应的波段范围中对应的辐射亮度，即绘出标准普朗克曲线，如图1所示。关系对应函数：
其中，波数v＝10000/λ，h为普朗克常数，其值为6.63×10-34J·s；k为玻尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K；c为光速，大小为3×108m/s；C1为第一辐射常数，C1＝2πhc2＝3.741832×10-12W·cm2；C2为第二辐射常数，C2＝hc/k＝1.4388cm·K。
如图2所示，用普朗克公式和维恩公式给出了一系列温度的光谱辐亮度曲线以及最大辐射波长。其中8um～14um波段的辐射能占辐射总能量的46％，温度低于300K的室温物体辐射有75％集中在10um以上的波段区域。在无太阳光反射条件下就能探测到常温环境下的物体，例如：树木、行人和车辆等，一般需要采用工作波段在10um的长波探测器。对于较热的物体，例如发动机尾喷管及尾焰等，温度范围覆盖600K到2000K，最大辐射波长出现在中、短红外波。因此，红外图谱关联探测系统波段范围主要覆盖2um～12um，波数对应覆盖830cm-1～5000cm-1。
本发明所提供的三点非线性光谱定标方法，具体流程如图3所示，包括：
(1)测量黑体在入瞳处的原始DN值曲线。在一个可选的实施方式中，定标实验采用的腔室黑体SR-200，环境温度26.00℃，环境相对湿度46％RH。测试过程中选取了25.00℃、30.00℃、40.00℃、50.00℃、60.00℃、70.00℃、80.00℃的7组测试温度点计算仪器的定标参数。测量设备性能描述：响应波段2μm～12μm成谱，8μm～14μm成像；红外图像大小640*480，50Hz成像，1Hz(4cm-1)成谱。
在一个可选的实施例中，将黑体设置为25.00℃，待黑体温度稳定后，将其对准并完全覆盖图谱设备的光学窗口，让黑体在设备入瞳处测量并保存50帧，依次测30.00℃～80.00℃的6组数据，如图4所示。
步骤(1)还包括：将每个温度点下实采50组数据进行平均，当作后续计算的每个温度点DN值曲线，如图5所示。
(2)因图谱关联探测设备有其自身响应规律，如图6所示在短波红外(2um-4um)及部分长波(10.5um-12um)上不够灵敏，故此处的起伏多为探测器自身噪声干扰，不足以体现在定标的定量模型计算中，故将这部分数据进行平滑去噪处理。短波部分(2um-4um)以10为窗口做中值滤波去除椒盐噪声，再以40为窗口做均值滤波去除大的起伏，再复以40为窗口做均值滤波；中波不做处理；长波部分(10.5um-12um)以为步长做中值滤波平滑，再以5为步长做均值滤波平滑，使之理论上符合探测器基本性能规律。如图7(a)所示是全波段内分段平滑前后对比，7(b)是分段平滑前后对比在2um-4um的放大展示图。
(3)利用普朗克公式计算出在理想黑体在25.00℃、30.00℃、40.00℃、50.00℃、60.00℃、70.00℃、80.00℃时光谱响应范围内每个波数对应的理论辐射亮度，即绘出对应波段的标准普朗克曲线Sinput(λ)。
(4)默认系统辐射在动态范围内非线性响应是一元二次的关系，则有三点法系统辐射亮度转换公式：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gaain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射的实测DN值曲线，S(λ)是该温度下对应的黑体普朗克曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的设备响应系数，即两个增益，offset(λ)为该温度对应的设备内部谱偏置。
在每个波数上，有一个实测的由设备传出的DN值，及上一步计算的理论普朗克辐射亮度值Sinput，这样的话想解出Gain1(λ)、Gain2(λ)、offset(λ)最少需要3一元二次个方程，即需要3个温度对应的数据求设备内部参数，可选方案有
种。
同样方法计算其他1041个波数上的设备内部参数，即形成内部偏置谱线和两条响应系数曲线。当求解一元二次个方程无解时，则用临近波数上的参数来代替该点的参数。
在一个可选的实施例中，如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示是由25℃-50℃-80℃的DN值矫正得来的设备内部参数，其中的增益a、增益b、增益c分别对应着三点法系统辐射亮度转换公式的Gain1(λ)、Gain2(λ)、offset(λ)。
(5)定量化的对探测设备的辐射响应进行相关检测与分析，实得到的验室内设备内部参数，可以矫正探测设备内部自身仪器的影响，从而将光电探测器的输出(电压即DN值)转换为入射的辐射亮度的定量关系。即上个步骤的反过程。具体实施为：从7个温度点中选3个当成原始数据去求解设备内部参数，用算得的内部参数Gain1(λ)、Gain2(λ)、offset(λ)和其余4个温度的实测DN值可计算该温度下的辐射亮度Sinput′。
再对比图1中标准黑体温度普朗克曲线Sinput(λ)，可知计算得来的设备内部参数合不合适矫正该温度的DN值。如图9(a)所示是用25℃、60℃、70℃计算的内部参数去矫40℃出来的辐射亮度，与标准普朗克曲线越贴近则矫正效果越好，图9(b)是用30℃、40℃、60℃计算的内部参数去矫50℃出来的辐射亮度曲线，图9(c)是用50℃、70℃、80℃计算的内部参数去矫60℃出来的辐射亮度曲线。由图可知比较符合标准普朗克曲线，满足定标要求。
步骤(5)进一步总结出定标矫正规律：由待矫正温度附近的温度点的探测器的输出值和理论值夹逼待矫正温度点得到的设备内部参数更准确，矫正后的辐射亮度曲线更贴合该温度的标准普朗克曲线，即更符合普朗克规律。
步骤(6)定量化的误差分析，对比非线性定标方法和两点线性定标方法。由于数据量大，肉眼感性看容易失误，于是引入具体的量化衡量指标矫正曲线和普朗克曲线差的L1范数来参考与普朗克曲线的贴合情况。L1范数(L1 norm)是指向量中各个元素绝对值之和，也叫“稀疏规则算子”。
在一个可选的实施例中，L1范数越小说明两条曲线越接近，算的辐射亮度曲线和标准普朗克曲线越接近，说明矫正效果越好。两点线性法从7个温度点中选2个求内部参数，去矫正其他5个温度点的辐射亮度，和对应5个温度点的标准普朗克曲线相比较，有
种情况，得到105个L1范数。三点非线性法从7个温度点中选3个求内部参数，去矫正其他4个温度点的辐射亮度，和对应这4个温度点的标准普朗克曲线相比较，有
种情况，得到140个L1范数。
将他们画在同一个图里，如图10所示，肉眼可见，浅色曲线相对深色曲线低，且定量来看，两点法105个L1范数的均值比三点法140个L1范数的均值小：
线性平均L1范数均值＝sum(L1_norm_mea_linear)/105＝968.5；非线性两端平滑L1范数均＝sum(L1_Nnorm_sege_nolinear)/140＝813.2。说明对比传统两点线性定标方法，本发明提出的三点非线性定标法矫正得到的辐射亮度更符合设备非线性响应的规律，矫正效果更好。
图11为本发明提供的图谱关联系统红外光谱的非线性定标装置架构图，如图11所示，包括：
采集单元210，用于采集同一实验环境下不同温度黑体在图谱关联系统入瞳处的红外辐射，输出对应的电压值曲线；
确定单元220，用于确定不同温度黑体辐射的光谱对应的标准辐射亮度曲线；
定标单元230，用于预设输出电压值与标准辐射亮度之间对应为非线性关系，基于选取的几组温度黑体对应的输出电压值曲线和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；以及将剩余未选取的几组温度黑体对应的输出电压值代入所述步骤S3求解的非线性关系，求出未选取的几组温度黑体中各组黑体温度对应的计算辐射亮度曲线；以及对比所述计算辐射亮度曲线和对应温度的标准辐射亮度曲线，选出与标准辐射亮度曲线最相近的计算辐射亮度曲线对应的非线性关系作为该温度下的最优非线性关系。
在一个可选的实施例中，所述输出电压值与标准辐射亮度之间对应的非线性关系为：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射光谱对应的输出电压曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克辐射强度曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的系统响应系数，offset(λ)为该温度对应的系统内部谱偏置。
在一个可选的实施例中，所述黑体有N组温度，N为大于3正整数；所述定标单元230，用于选取m组温度黑体的输出电压值和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；3≤m≤N，且m为正整数；将剩余N-m组黑体温度对应的输出电压值代入所求得的非线性关系，确定对应的计算辐射亮度曲线；确定此次选取的m组黑体温度计算的非线性关系下，其余N-m组黑体温度中各个黑体温度对应的辐射亮度偏差；其中，辐射亮度偏差为将各个黑体温度的输出电压代入此次计算的非线性关系所得的计算辐射亮度曲线与标准辐射亮度曲线之间的偏差；遍历m，确定各种m组温度组合情况下求出的非线性对应关系，并确定该非线性关系下对应温度的黑体的计算辐射亮度曲线和标准辐射亮度曲线之间的偏差；以及选取各个黑体温度的
个辐射亮度偏差中最小偏差对应的非线性关系作为该温度的最优非线性对应关系。
在一个可选的实施例中，该装置还包括：去噪单元240，用于若所述图谱关联系统输出电压的灵敏度小于预设值，则对其进行分段平滑去噪处理。
本发明公开了一种图谱关联系统非线性定标方法，包括：相同实验室条件下测量相同黑体在入瞳处的图谱关联探测器的输出(电压即DN值)；由于图谱关联探测设备有其自身响应规律，在短波红外上不够灵敏，起伏多为探测器自身噪声干扰导致，故将这部分数据进行平滑去噪处理；在系统辐射在动态范围内非线性响应的前提下，建立数值模型，合理的假设系统辐射亮度转换关系为一元二次多项式；通过多组不同温度黑体测量，获取系统内部参数，系即统响应系数和系统辐射偏置；定量化的对探测设备的辐射响应进行相关检测与分析，利用L1范数对设备内部参数进行论证，从而将光电探测器的输出(电压即DN值)更准确的转换为入射的辐射亮度，也更符合图谱关联探测设备的光谱仪特性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法，用黑体的光谱作为标准，校正图谱关联系统沿光谱分布的响应非均匀性，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集同一实验环境下不同温度黑体在图谱关联系统入瞳处的红外辐射，输出对应的电压值曲线；
S2，确定不同温度黑体辐射的光谱对应的标准辐射亮度曲线；
S3，预设输出电压值与标准辐射亮度之间对应为非线性关系，基于选取的几组温度黑体对应的输出电压值曲线和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；
S4，将剩余未选取的几组温度黑体对应的输出电压值代入所述步骤S3求解的非线性关系，求出未选取的几组温度黑体中各组黑体温度对应的计算辐射亮度曲线；
S5，对比所述计算辐射亮度曲线和对应温度的标准辐射亮度曲线，选出与标准辐射亮度曲线最相近的计算辐射亮度曲线对应的非线性关系作为该温度下的最优非线性关系。
2.根据权利要求1所述的非线性定标方法，其特征在于，所述输出电压值与标准辐射亮度之间对应的非线性关系为：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinput(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射光谱对应的输出电压曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克辐射强度曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的系统响应系数，offset(λ)为该温度对应的系统内部谱偏置。
3.根据权利要求1所述的非线性定标方法，其特征在于，所述黑体有N组温度，N为大于3正整数；步骤S3选取m组温度黑体的输出电压值和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；3≤m≤N，且m为正整数；
所述步骤S4将剩余N-m组黑体温度对应的输出电压值代入步骤S3所求得的非线性关系，确定对应的计算辐射亮度曲线；
所述步骤S5具体为：
S51，确定此次选取的m组黑体温度计算的非线性关系下，其余N-m组黑体温度中各个黑体温度对应的辐射亮度偏差；其中，辐射亮度偏差为将各个黑体温度的输出电压代入此次计算的非线性关系所得的计算辐射亮度曲线与标准辐射亮度曲线之间的偏差；
S52，遍历m，确定各种m组温度组合情况下求出的非线性对应关系，并确定该非线性关系下对应温度的黑体的计算辐射亮度曲线和标准辐射亮度曲线之间的偏差；
S53，选取各个黑体温度的
个辐射亮度偏差中最小偏差对应的非线性关系作为该温度的最优非线性对应关系。
4.根据权利要求1至3任一项所述的非线性定标方法，其特征在于，还包括如下步骤：
若所述图谱关联系统输出电压的灵敏度小于预设值，则对其进行分段平滑去噪处理。
5.一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标装置，用黑体的光谱作为标准，校正图谱关联系统沿光谱分布的响应非均匀性，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集同一实验环境下不同温度黑体在图谱关联系统入瞳处的红外辐射，输出对应的电压值曲线；
确定单元，用于确定不同温度黑体辐射的光谱对应的标准辐射亮度曲线；
定标单元，用于预设输出电压值与标准辐射亮度之间对应为非线性关系，基于选取的几组温度黑体对应的输出电压值曲线和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；以及将剩余未选取的几组温度黑体对应的输出电压值代入所述步骤S3求解的非线性关系，求出未选取的几组温度黑体中各组黑体温度对应的计算辐射亮度曲线；以及对比所述计算辐射亮度曲线和对应温度的标准辐射亮度曲线，选出与标准辐射亮度曲线最相近的计算辐射亮度曲线对应的非线性关系作为该温度下的最优非线性关系。
6.根据权利要求5所述的非线性定标装置，其特征在于，所述输出电压值与标准辐射亮度之间对应的非线性关系为：
DN(λ)＝Gain(λ)1·Sinptt(λ)2+Gain(λ)2·Sinput(λ)+offset(λ)
其中，DN(λ)是某温度对应黑体辐射光谱对应的输出电压曲线，Sinput(λ)是该温度下对应的黑体普朗克辐射强度曲线，Gain1(λ)、Gain2(λ)为该温度对应的系统响应系数，offset(λ)为该温度对应的系统内部谱偏置。
7.根据权利要求5所述的非线性定标方法，其特征在于，所述黑体有N组温度，N为大于3正整数；所述定标单元，用于选取m组温度黑体的输出电压值和标准辐射亮度曲线，求解所述非线性关系；3≤m≤N，且m为正整数；将剩余N-m组黑体温度对应的输出电压值代入所求得的非线性关系，确定对应的计算辐射亮度曲线；确定此次选取的m组黑体温度计算的非线性关系下，其余N-m组黑体温度中各个黑体温度对应的辐射亮度偏差；其中，辐射亮度偏差为将各个黑体温度的输出电压代入此次计算的非线性关系所得的计算辐射亮度曲线与标准辐射亮度曲线之间的偏差；遍历m，确定各种m组温度组合情况下求出的非线性对应关系，并确定该非线性关系下对应温度的黑体的计算辐射亮度曲线和标准辐射亮度曲线之间的偏差；以及选取各个黑体温度的
个辐射亮度偏差中最小偏差对应的非线性关系作为该温度的最优非线性对应关系。
8.根据权利要求5至7任一项所述的非线性定标装置，其特征在于，还包括：去噪单元，用于若所述图谱关联系统输出电压的灵敏度小于预设值，则对其进行分段平滑去噪处理。
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