CN113405660B - 一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置及其定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置及其定标方法，所述光谱辐射定标装置包括宽谱带标准灯和漫反射板组合，所述漫反射板组合包括可伸缩支撑架和可调节转轴，所述可伸缩支撑架上设置有中心孔，所述中心孔两边的位置分别设置有聚四氟乙烯标准漫反射板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板，所述可调节转轴与中心孔处连接，所述可伸缩支撑架设置在光谱成像设备前端，所述宽谱带标准灯设置在可伸缩支撑架上方。本发明可实现水下光谱成像设备在轨运行期间的光谱定标和辐射定标，弥补仪器设备因下潜布放和在轨运行过程中光机结构微小变化导致的实验室定标结果不准确，可提高光谱辐射定标精度。

Description

一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置及其定标 方法

技术领域：

本发明涉及水下光谱成像设备定标技术领域，具体涉及一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置及其定标方法。

背景技术：

水下光谱成像设备在真正使用过程中，受下潜布放阶段和在轨运行期间海洋动力环境(冲击、振动)等不可避免因素影响，使其光学、机械结构和电子学部件参数发生微小改变，造成光谱成像设备响应度下降。同时由于水下光谱成像设备在真正使用时，海洋水下背景环境因素与实验室定标背景环境不完全相同。考虑到以上情况，下潜前的实验室定标响应函数将会产生差异，数据反演结果将不再适用，在实验室定标的基础上对水下光谱成像设备进行下潜在轨光谱辐射定标进行补充就非常必要。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置及其定标方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置，包括宽谱带标准灯和漫反射板组合，所述漫反射板组合包括可伸缩支撑架和可调节转轴，所述可伸缩支撑架上设置有中心孔，所述可伸缩支撑架上位于中心孔两边的位置分别设置有聚四氟乙烯标准漫反射板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板，所述可调节转轴与可伸缩支撑架的中心孔处连接，且可调节转轴与可伸缩支撑架之间呈倾斜结构，所述可伸缩支撑架设置在光谱成像设备前端，所述宽谱带标准灯设置在可伸缩支撑架上方。

一种光谱成像设备水下在轨光谱辐射定标的方法，包括如下步骤：

1)辐射定标：

由水下光谱成像设备的数字化输出DN值得到与之对应对应的水下目标绝对光谱辐射亮度L(λ)；设水下光谱成像设备在轨运行期间，水下目标光谱辐亮度L(λ)和下潜在轨辐射定标参考标准光谱辐亮度为L_c(λ)，对应的数值输出分别为：

DN(i，j)＝C(i，j)L(λ)+b(i，j) (1)

DN_c(i，j)＝C(i，j)L_c(λ)+b(i，j) (2)

式中，C(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的辐射响应度；b(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的暗电流输出；

利用(1)，(2)式可得水下目标光谱辐亮度为：

水下光谱成像设备下潜在轨运行期间，定期测量在轨定标参考标准对应的电子学输出DN_c(i，j)，L_c(λ)又是事先标定精确已知的，利用公式(3)即可完成水下光谱成像设备下潜在轨辐射定标；

2)光谱定标：

S1：漫反射板组合未切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的暗电流值D_ij；

S2：通过可调节转轴将掺杂稀土元素的聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将光谱定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值A_ij；

S3：通过可调节转轴将聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将辐射定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值B_ij；

S4：将测得的光谱响应数据代入公式(1),进行归一化，得到去掉暗电流噪声后光谱定标漫反射板光谱响应归一化值结果C_ij；

其中i代表行，表示光谱维像元号，j代表列，表示空间维像元号，每个值多次采集测量取平均值，减小误差；

S5：固定视场方向，选中心视场，即选取特定j＝J值，得到单一视场方向上光谱维像元号和归一化值对应关系，即固定j＝J值，给出一个i值，得到一个C_iJ，得到一个横坐标为像元号，纵坐标为归一化值的二维数据图；

S6：采用高斯拟合方法进行寻峰处理，确定峰值中心像元号X_ij和吸收峰峰位波长Y_ij数据组即[X_ij,Y_ij]，假设光谱定标漫反射板有m个吸收峰，则得到m个数据组；

S7：基于光谱成像设备成像探测器CCD近似成线性排列，由上一步得到的数据组建立光谱定标方程，采用最小二乘法进行回归分析，如下式所示：

式中a_j b_j为待估算参数，代表光谱定标方程的常数项和一次项系数；m为吸收峰个数，

为空间维取第j列即j固定时，X_ij，Y_ij的均值，由公式(2)便可给出固定视场下的光谱定标方程函数，即实现光谱定标。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用聚四氟乙烯标准漫反射板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板组合的形式建立光谱辐射标准，可实现水下光谱成像设备在轨运行期间的光谱定标和辐射定标，弥补仪器设备因下潜布放和在轨运行过程中光机结构微小变化导致的实验室定标结果不准确，可提高光谱辐射定标精度。

附图说明：

图1为本发明的一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置示意图；

附图标记为：1-宽谱带标准灯、2-漫反射板组合、21-可伸缩支撑架、22-可调节转轴、23-中心孔、24-聚四氟乙烯标准漫反射、25-掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板、3-光谱成像设备。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置，包括宽谱带标准灯1和漫反射板组合2，所述漫反射板组合2包括可伸缩支撑架21和可调节转轴22，所述可伸缩支撑架21上设置有中心孔23，所述可伸缩支撑架21上位于中心孔23两边的位置分别设置有聚四氟乙烯标准漫反射24板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板25，所述可调节转轴22与可伸缩支撑架21的中心孔23处连接，且可调节转轴22与可伸缩支撑架21之间呈倾斜结构，所述可伸缩支撑架21设置在光谱成像设备3前端，所述宽谱带标准灯1设置在可伸缩支撑架21上方。

一种光谱成像设备水下在轨光谱辐射定标的方法，包括如下步骤：

1)辐射定标：

由水下光谱成像设备的数字化输出DN值得到与之对应的水下目标绝对光谱辐射亮度L(λ)；设水下光谱成像设备在轨运行期间，水下目标光谱辐亮度L(λ)和下潜在轨辐射定标参考标准光谱辐亮度为L_c(λ)，对应的数值输出分别为：

DN(i，j)＝C(i，j)L(λ)+b(i，j) (1)

DN_c(i，j)＝C(i，j)L_c(λ)+b(i，j) (2)

式中，C(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的辐射响应度；b(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的暗电流输出；

利用(1)，(2)式可得水下目标光谱辐亮度为：

水下光谱成像设备下潜在轨运行期间，定期测量在轨定标参考标准对应的电子学输出DN_c(i，j)，L_c(λ)又是事先标定精确已知的，利用公式(3)即可完成水下光谱成像设备下潜在轨辐射定标；

2)光谱定标：

S1：漫反射板组合未切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的暗电流值D_ij；

S2：通过可调节转轴将掺杂稀土元素的聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将光谱定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值A_ij；

S3：通过可调节转轴将聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将辐射定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值B_ij；

S4：将测得的光谱响应数据代入公式(1),进行归一化，得到去掉暗电流噪声后光谱定标漫反射板光谱响应归一化值结果C_ij；

其中i代表行，表示光谱维像元号，j代表列，表示空间维像元号，每个值多次采集测量取平均值，减小误差；

S5：固定视场方向，选中心视场，即选取特定j＝J值，得到单一视场方向上光谱维像元号和归一化值对应关系，即固定j＝J值，给出一个i值，得到一个C_iJ，得到一个横坐标为像元号，纵坐标为归一化值的二维数据图；

S6：采用高斯拟合方法进行寻峰处理，确定峰值中心像元号X_ij和吸收峰峰位波长Y_ij数据组即[X_ij,Y_ij]，假设光谱定标漫反射板有m个吸收峰，则得到m个数据组；

S7：基于光谱成像设备成像探测器CCD近似成线性排列，由上一步得到的数据组建立光谱定标方程，采用最小二乘法进行回归分析，如下式所示：

式中a_j b_j为待估算参数，代表光谱定标方程的常数项和一次项系数；m为吸收峰个数，

为空间维取第j列即j固定时，X_ij，Y_ij的均值，由公式(2)便可给出固定视场下的光谱定标方程函数，即实现光谱定标。

其中可伸缩支撑架选用高度可精确调节的可伸缩支撑架，可调节转轴选用角度可精确调节转轴，以便于漫反射板组合中的两块漫反射板更好的切入光路。

本发明采用聚四氟乙烯标准漫反射板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板组合的形式建立光谱辐射标准，可实现水下光谱成像设备在轨运行期间的光谱定标和辐射定标，弥补仪器设备因下潜布放和在轨运行过程中光机结构微小变化导致的实验室定标结果不准确，可提高光谱辐射定标精度。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种水下光谱成像设备下潜在轨光谱辐射定标装置的定标方法，其特征在于：所述定标装置包括宽谱带标准灯和漫反射板组合，所述漫反射板组合包括可伸缩支撑架和可调节转轴，所述可伸缩支撑架上设置有中心孔，所述可伸缩支撑架上位于中心孔两边的位置分别设置有聚四氟乙烯标准漫反射板和掺杂稀土元素的聚四氟乙烯漫反射板，所述可调节转轴与可伸缩支撑架的中心孔处连接，且可调节转轴与可伸缩支撑架之间呈倾斜结构，所述可伸缩支撑架设置在光谱成像设备前端，所述宽谱带标准灯设置在可伸缩支撑架上方；

所述定标方法包括如下步骤：

1)辐射定标：

由水下光谱成像设备的数字化输出DN值得到与之对应的水下目标绝对光谱辐射亮度L(λ)；设水下光谱成像设备在轨运行期间，水下目标光谱辐亮度L(λ)和下潜在轨辐射定标参考标准光谱辐亮度为L_c(λ)，对应的数值输出分别为：

DN(i，j)＝C(i，j)L(λ)+b(i，j) (1)

DN_c(i，j)＝C(i，j)L_c(λ)+b(i，j) (2)

式中，C(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的辐射响应度；b(i，j)为水下光谱成像设备第i行，第j列探测器像元的暗电流输出；

利用(1)，(2)式可得水下目标光谱辐亮度为：

水下光谱成像设备下潜在轨运行期间，定期测量在轨定标参考标准对应的电子学输出DN_c(i，j)，L_c(λ)又是事先标定精确已知的，利用公式(3)即可完成水下光谱成像设备下潜在轨辐射定标；

2)光谱定标：

S1：漫反射板组合未切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的暗电流值D_ij；

S2：通过可调节转轴将掺杂稀土元素的聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将光谱定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值A_ij；

S3：通过可调节转轴将聚四氟乙烯标准漫反射板切入光路，即将辐射定标漫反射板切入光路，记录光谱成像设备成像探测器CCD每个像元的DN响应值B_ij；

S4：将测得的光谱响应数据代入公式(1)，进行归一化，得到去掉暗电流噪声后光谱定标漫反射板光谱响应归一化值结果C_ij；

其中i代表行，表示光谱维像元号，j代表列，表示空间维像元号，每个值多次采集测量取平均值，减小误差；

S5：固定视场方向，选中心视场，即选取特定j＝J值，得到单一视场方向上光谱维像元号和归一化值对应关系，即固定j＝J值，给出一个i值，得到一个C_iJ，得到一个横坐标为像元号，纵坐标为归一化值的数据图；

S6：采用高斯拟合方法进行寻峰处理，确定峰值中心像元号X_ij和吸收峰峰位波长Y_ij数据组即[X_ij，Y_ij]，假设光谱定标漫反射板有m个吸收峰，则得到m个数据组；

S7：基于光谱成像设备成像探测器CCD近似成线性排列，由上一步得到的数据组建立光谱定标方程，采用最小二乘法进行回归分析，如下式所示：

式中a_jb_j为待估算参数，代表光谱定标方程的常数项和一次项系数；m为吸收峰个数，

为空间维取第j列即j固定时，X_ij，Y_ij的均值，由公式(2)便可给出固定视场下的光谱定标方程函数，即实现光谱定标。

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