CN111076816B - 大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法 - Google Patents

Abstract

为了有效解决激光器视场无法覆盖整个探测器面阵而导致定标系数不完整影响光谱定标精度，以及对整个探测器面阵逐列进行光谱定标效率低的技术问题，本发明提供了一种大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法。本发明基于大孔径静态干涉成像光谱仪反演光谱，建立了干涉图像径向畸变与反演光谱波数偏移之间的对应模型。在定标过程中标准光源无法覆盖整个探测器视场范围时，本发明能够用部分甚至只用一行的光谱定标数据获取整个探测器面阵的光谱定标系数，最终服务于大孔径静态干涉成像光谱仪的光谱反演，有效的提高了光谱定标的精度，对大孔径静态干涉成像光谱仪数据处理技术的研究具有重要的意义。

Description

大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法

技术领域

本发明涉及一种全视场光谱定标误差的校正方法，特别涉及一种大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法。

背景技术

光谱成像技术始于20世纪80年代，是遥感成像技术的重要分支。成像光谱仪可同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，具有“图谱合一”的特点，在很多领域都有重要的应用。其中，大孔径静态干涉成像光谱仪(Large Aperture Static ImagingSpectrometry,LASIS)^[1]无狭缝和运动部件，高通量和高稳定性的优势并存。大孔径静态干涉成像光谱仪具有大视场干涉型成像光谱仪在成像方面覆盖范围广的显著优势，有很大的发展潜力。

大孔径静态干涉成像光谱仪探测器面阵包含多个探测单元，当探测器面阵规模逐渐扩大时，由于各个探测单元的有限视场会使光程差发生改变，干涉图像存在径向畸变。与此同时，实验室光谱定标所用的激光器无法覆盖整个探测器面阵，一次光谱定标仅能获得成像光谱仪部分视场探测像元的定标系数。对于这种情况，常用的方法有两种，一种是全视场都使用中心视场的光谱定标系数，这样做忽略了边缘视场畸变问题带来的影响，会使得反演得到的光谱信号中心波长位置发生偏移，由于中心波长位置对定标系数误差非常敏感，所以该方法会严重影响光谱定标精度；另一种是对整个探测器面阵逐列进行光谱定标，这样做虽然保证了定标精度，但是大大的降低了定标的工作效率，随着探测器像元的增多，该方法很难满足实际工作需求。因此发明一种操作简单，可适性强，精度高的定标方法十分有必要。

[1]董瑛,相里斌,赵葆常.大孔径静态干涉成像光谱仪的干涉系统分析[J].光学学报,2001,21(3)。

发明内容

为了有效解决激光器视场无法覆盖整个探测器面阵而导致定标系数不完整影响光谱定标精度，以及对整个探测器面阵逐列进行光谱定标效率低的技术问题，本发明提供了一种大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：

大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法，其特殊之处在于，包括步骤：

步骤1)：设畸变中心像元位置为0，获取标准激光干涉图像的反演光谱模拟值，并对其进行不同程度的畸变处理，确定畸变率为k时，标准激光干涉图像每个像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k,r)；r为当前像元与畸变中心之间的距离；

步骤2)：设真实干涉图像的畸变中心像元位置为O，获取畸变率为k′时，真实干涉图像中第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-i|)；i为LASIS探测器的第i行，1≤i≤n且为整数；为LASIS探测器的成像区总行数；

步骤3)：获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行的反演光谱的测试波数a′_m；1≤m≤n且为整数；

步骤4)：对步骤3)所得小视场干涉图中第m行的反演光谱的波数测试值a′_m进行实验室光谱定标，获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m；

步骤5)：通过计算获取第s行像元对应的反演光谱的真实波数a_s；s＝1，2，3…，n；待获取到全部n行像元对应的反演光谱的真实波数a₁、a₂……a_n，即完成全视场光谱定标误差校正；

a_s＝a_m÷p(k′,|O-m|)×p(k′,|O-s|)

其中：

a_m为第m行像元对应的反演光谱的真实波数；

p(k′,|O-m|)为第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率，可通过所述步骤2求得；

p(k′,|O-s|)为第s行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率，可通过所述步骤2求得。

进一步地，步骤2)具体为：

利用平行光管对成像光谱仪进行测试，绘制成像光谱仪的畸变图，对畸变图进行拟合得到真实干涉图像的畸变中心像元位置O和畸变率k′，根据步骤1)可得第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率为p(k′,|O-i|)。

进一步地，步骤3)具体为：

利用标准激光器作为光源通过LASIS的成像系统，得到的干涉图可覆盖LASIS探测器的部分视场，可获取小视场LASIS探测器的响应测试值，并根据响应测试值反演光谱，行为光谱维，列为空间维，将各行光谱的波数序列依次记为a′₁……a′_n，若激光器覆盖的LASIS探测器中心像元序列为m，则对应的反演波数序列为a′_m，即第m行的反演光谱的波数测试值为a′_m。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1.本发明基于大孔径静态干涉成像光谱仪反演光谱，建立了干涉图像径向畸变与反演光谱波数偏移之间的对应模型。在定标过程中标准光源无法覆盖整个探测器视场范围时，本发明能够用部分甚至只用一行的光谱定标数据(即a_m)获取整个探测器面阵的光谱定标系数，最终服务于大孔径静态干涉成像光谱仪的光谱反演，有效的提高了光谱定标的精度，对大孔径静态干涉成像光谱仪数据处理技术的研究具有重要的意义。

2.本发明在校正了畸变误差的同时非常大程度地节约了实验室光谱定标的成本。

3.本发明在轨卫星光学载荷再定标领域有很大的应用前景，并且当仪器后续在轨运行时，可结合载荷的外方位元素标定对畸变模型进行修正，实现再定标。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的流程图；

图2为利用本发明校正光谱峰值波数前后的对比图，(a)为取中心视场定标系数标定后，校正前各行光谱峰值波数；(b)为本发明实施例校正处理后各行光谱峰值波数。

图3为待测目标与反演光谱图对应关系示例。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明在大孔径静态干涉成像光谱仪的干涉图像与反演光谱映射关系的基础上，分析干涉图像引起的反演光谱波数的偏移，建立约束机制，实现全视场光谱定标误差校正。

参照图1，为本发明的具体步骤如下：

步骤1)：设畸变中心像元位置为0，获取标准激光干涉图像的反演光谱模拟值，并对其进行不同程度的畸变处理(即采用不同的畸变率对所述反演光谱模拟值进行畸变处理)，确定畸变率为k时，标准激光干涉图像每个像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k,r)；r为当前像元与畸变中心之间的距离；

步骤2)：获取真实干涉图像的畸变中心像元位置O，进而根据步骤1)所得的标准激光干涉图像每个像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k,r)，计算畸变率为k′时，真实干涉图像中第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-i|)；i为LASIS探测器的第i行；

利用平行光管对成像光谱仪进行测试，绘制成像光谱仪的畸变图，对畸变图进行拟合得到真实干涉图像的畸变中心像元位置O和畸变率k′，根据步骤1)可得第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率为p(k′,|O-i|)，其中1≤i≤n且为整数；为LASIS探测器的成像区总行数；

步骤3)：获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行的反演光谱的测试波数a′_m；

利用标准激光器作为光源通过LASIS的成像系统，得到的干涉图可覆盖LASIS探测器的部分视场，可获取小视场LASIS探测器的响应测试值，并根据响应测试值反演光谱，行为光谱维，列为空间维，将各行光谱的波数序列依次记为a′₁……a′_n，若激光器覆盖的LASIS探测器中心像元序列为m，则对应的反演波数序列为a′_m，即第m行的反演光谱的波数测试值为a′_m，其中1≤m≤n且为整数；

步骤4)：通过实验室光谱定标获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m；

令步骤3)所用标准激光器为定标光源，对步骤3)所得小视场干涉图中第m行的反演光谱的波数测试值a′_m进行常规的实验室光谱定标操作，可得到第mm行的反演光谱的波数真实波数为a_m，其中1≤m≤n且为整数；

步骤5)：通过计算获取第1行反演光谱的真实波数a₁；

根据步骤2)可得到所有像元反演光谱的波数偏移率p与像元序列i之间的对应关系p(k′,|O-i|)，令i为1和m时可得到第1行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-1|)及第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-m|)，根据步骤4)可得到第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m，并按照对应关系式(1)获取第1行像元对应的反演光谱的真实波数a₁；

a₁＝a_m÷p(k′,|O-m|)×p(k′,|O-1|)……关系式(1)

其中：

a_m为第m行像元对应的反演光谱的真实波数；

p(k′,|O-m|)为第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率；

p(k′,|O-1|)为第1行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率；

步骤6)：通过计算获取第2行反演光谱的真实波数a₂；

根据步骤2)可得到第2行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-2|)及第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-m|)，根据步骤4)可得到第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m，并按照对应关系式(2)获取第2行像元对应的反演光谱的真实波数a₂；

a₂＝a_m÷p(k′,|O-m|)×p(k′,|O-2|)……关系式(2)

其中：

p(k′,|O-2|)为第2行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率；

步骤7)：通过计算获取第3行反演光谱的真实波数a₃；

根据步骤2)可得到第3行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-3|)及第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′,|O-m|)，根据步骤4)可得到第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m，并按照对应关系式(3)获取第3行像元对应的反演光谱的真实波数a₃；

a₃＝a_m÷p(k′,|O-m|)×p(k′,|O-3|)……关系式(3)

其中：

p(k′,|O-3|)为第3行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率；

步骤8)：依次类推，直至获取第n行像元对应的反演光谱的真实波数a_n，完成全视场光谱定标误差校正。

a_n＝a_m÷p(k′,|O-m|)×p(k′,|O-n|)……关系式(4)

其中：

p(k′,|O-n|)为第n行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率。

上述步骤3)也可在步骤1)之前进行。

图3所示为待测目标与反演光谱图的对应关系，反演光谱图的行为像元维，列为光谱维，即每个待测目标的光谱对应于光谱图的一行。当无畸变时，光谱维是一致的，每一列反演光谱的波数序列一样，即对于任一个特定的波数，它在每一行的位置是相同的。当有畸变时，畸变中心O所在行的波数序列不会发生偏移，而其他的波数序列会发生偏移，即对于任一个特定的波数，它在每一行的位置会偏离无畸变时的位置，且离畸变中心O的距离越远偏移越明显。

对于一个固定的探测器，它每个像元得到的反演光谱应该是一样的，最大值位置也应该是一样的，因此理想状态下反演光谱应该是一条直线。但实际的反演光谱有很多误差，最大值位置会不一样，因而会在一定范围内波动，即产生畸变。

仿真验证：

参照图2，(a)图为取中心视场定标系数标定后各行光谱峰值波数，可以看出边缘视场的峰值波数由于径向畸变的影响而减小，(b)图为本发明处理后各行光谱峰值波数。(a)图中间的凸起是由于径向畸变导致的；从(b)图可以看出，在经过本发明校正后图(a)中间的凸起没有了，说明有径向畸变导致的误差被本发明的方法校正了。

Claims (3)

1.大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1)：设畸变中心像元位置为0，获取标准激光干涉图像的反演光谱模拟值，并对其进行不同程度的畸变处理，确定畸变率为k时，标准激光干涉图像每个像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k，r)；r为当前像元与畸变中心之间的距离；

步骤2)：获取真实干涉图像的畸变中心像元位置O，进而根据步骤1)所得的标准激光干涉图像每个像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k，r)，计算畸变率为k′时，真实干涉图像中第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率p(k′，|O-i|)；i为LASIS探测器的第i行，1≤i≤n且为整数；n为LASIS探测器的成像区总行数；

步骤3)：获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行的反演光谱的测试波数a′_m；1≤m≤n且为整数；

步骤4)：对步骤3)所得小视场干涉图中第m行的反演光谱的波数测试值a′_m进行实验室光谱定标，获取LASIS探测器的小视场干涉图中第m行像元对应的反演光谱的真实波数a_m；

步骤5)：通过计算获取第s行像元对应的反演光谱的真实波数a_s；s＝1，2，3...，n；待获取到全部n行像元对应的反演光谱的真实波数a₁、a₂......a_n，即完成全视场光谱定标误差校正；

a_s＝a_m÷p(k′，|O-m|)×p(k′，|O-s|)

其中：

a_m为第m行像元对应的反演光谱的真实波数；

p(k′，|O-m|)为第m行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率，可通过所述步骤2)求得；

p(k′，|O-s|)为第s行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率，可通过所述步骤2)求得。

2.根据权利要求1所述的大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法，其特征在于：

步骤2)具体为：

利用平行光管对成像光谱仪进行测试，绘制成像光谱仪的畸变图，对畸变图进行拟合得到真实干涉图像的畸变中心像元位置O和畸变率k′，根据步骤1)可得第i行像元对应的反演光谱谱线的波数偏移率为p(k′，|O-i|)。

3.根据权利要求1所述的大孔径静态干涉成像光谱仪全视场光谱定标误差校正方法，其特征在于：

步骤3)具体为：

利用标准激光器作为光源通过LASIS的成像系统，得到的干涉图可覆盖LASIS探测器的部分视场，可获取小视场LASIS探测器的响应测试值，并根据响应测试值反演光谱，行为光谱维，列为空间维，将各行光谱的波数序列依次记为a′₁......a′_n，若激光器覆盖的LASIS探测器中心像元序列为m，则对应的反演波数序列为a′_m，即第m行的反演光谱的波数测试值为a′_m。

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