CN113884185A - 一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法和装置，可以通过输入光谱弯曲校正参数来实时校正成像光谱仪图像。成像光谱仪探测器所获取的光谱图像数据为二维图像，其中一维为光谱维，另一维为空间维。通过相同谱线像元拟合的方法得到全像面的谱线校正参数，校正参数传送到成像光谱仪主控制器。在每行光谱仪CCD图像数据读出前，主控器提取该行的校正参数并传输到数据读出电路，计算每个像元DN值数据偏移量。读出电路将校正后的像元DN值按实际计算位置依次读出，获得线型修正后的光谱图像。经过校正重新读出的光谱图像消除了光谱弯曲现象，实现了光谱图像的实时修正，给地面后期数据处理带来了便利。

Description

一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法和装置

技术领域

本发明涉及遥感探测领域，具体为曲面光栅成像光谱仪和面阵式CCD图像读出方法和装置。

背景技术

曲面光栅成像光谱仪在遥感领域发挥着重要作用，现阶段曲面成像光谱仪所获得的面阵图像数据均为光谱维和空间维结合的二维图像数据。成像光谱仪由于光学系统如光栅等色散元件引起的单色光在空间维方向上的畸变、失真，或光谱仪准直系统或成像系统产生的像差，导致目标谱线在CCD探测器感光面的响应弯曲(光谱smile现象)。smile现象广泛存在于推扫式曲面成像光谱仪二维图像数据中，严重影响后期数据反演的准确性，须对其进行预处理。目前，通常采用的处理方式是获得成像光谱仪面阵数据后，通过后端软件对光谱数据进行光谱匹配，重新获得准确的光谱数据。这在一定程度上增加了后期数据反演的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法和装置，以解决现有技术光谱数据存在的光谱弯曲问题。本发明考虑到存在于曲面成像光谱仪数据的光谱弯曲现象具有固定不变的特性，其弯曲程度不会因光强改变而改变，因光谱仪使用元件、光路不同而异。对于某一特定光谱仪，可根据其谱线弯曲特性进行校正处理。成像光谱仪以CCD探测器为核心成像器件，CCD在成像电路驱动模块驱动下将感光面面阵数据垂直转移到帧转移区，之后按行进行读出。根据这一成像读出原理，在地面进行光谱定标时通过拟合的方法计算出像面光谱弯曲校正系数，通过地面上注或直接固化到成像光谱仪主控中。成像光谱读出电路在CCD每一行读出前先读取谱线校正参数，找到对应行的校正系数，根据每行数据校正系数修正谱线的读出位置，实现每一空间维像元列对应固定谱线的实时校正。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：在控制器中增加参数存储和计算模块，成像电路中增加读出运算模块，通过谱线校正参数改变CCD图像数据的读出方式，校正参数由地面数据定标得到。

本发明的技术方案为：一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法，具体的实现步骤如下：

步骤(1)、获得成像光谱仪的光谱弯曲校正系数；

步骤(2)、成像光谱仪主控器将获得的光谱弯曲校正系数通过通讯接口传输到成像光谱仪读出装置中，用于根据不同的成像光谱仪光谱弯曲进行参数校正，成像光谱仪读出装置实时接收并存储光谱弯曲校正系数；

步骤(3)、成像读出装置的FPGA根据面阵探测器的特点，按行或列依次读出面阵探测器的像元，并利用AD模数转换器读出像元的数字响应值，即DN值；

步骤(4)、读出电路准备开始读出面阵探测器的第n行,读出电路将存储的第n行校正系数读出，并将该行校正系数分解为整数部分a(n)和小数部分b(n)，数字响应值读出后将该行存储单元清零；

步骤(5)、读出电路读出第n行第1列像元DN值，将第n行第1列像元DN值乘以(1-b(n))，的值与原本存储于a(n)+1列的值求和存储于a(n)+1列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+2列的值求和存储于a(n)+2列；

步骤(6)、读出电路读出第n行第2列像元DN值，将第n行第2列像元DN值乘以(1-b(n))的值与原本存储于a(n)+2列的值求和，结果存储于a(n)+2列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+3列的值求和存储于a(n)+3列；

步骤(7)、按步骤(5)、(6)的规律，直到第n行所有像元DN值全部读出完成；

步骤(8)、n值加1，重复执行(4)、(5)、(6)、(7)，直到整个像面所有DN值全部读出完成；最终读出全部的二维光谱图像数据。

进一步的，所述步骤(1)、获得成像光谱仪的光谱弯曲畸变修正参数，具体如下：

步骤(1.1)、利用待校正的成像光谱仪直接获得不同视场的标准谱线灯光谱点阵图像，利用汞灯不同视场谱线点的畸变程度，选择合适的拟合曲线，计算全像面的校正系数；

或者用待校正的成像光谱仪获得不同视场的标准谱线灯光谱线阵图像，获得不同视场谱线点的畸变程度，直接计算全像面的校正系数；

步骤(1.2)已知待校正成像光谱仪中不同视场的弧状亮点对应同一谱线，分别记录谱线响应峰值对应CCD上的像元位置，将这些相同谱线的光谱弯曲值进行多项式拟合，然后根据数据拟合结果计算得到的每条光谱在空间维上的弯曲值，即弯曲像元数量；

得到的拟合公式为：

y＝exp(5.34879+0.00129·x-4.6653e^-6·x²) (1)

其中，y为实际光谱维像元位置，x为空间维像元位置，该拟合公式的相关系数为0.995；

步骤(1.3)以中心视场为校正基准像元，计算每个空间维视场的像元偏差，得到全像面的光谱弯曲校正系数

校正系数由(a+b)格式所表示,a是校正系数的整数部分，表示读出的像元值需要偏移的像元数目，b是校正系数的小数部分，表示需要将该像元值的(1-b)倍部分分配到当前像元，同时将该像元值的b倍部分分配到其后一个像元中，提高光谱校正精确度。

根据本发明的另一方面，提出一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取装置，该装置包括：

CCD成像探测器、成像电路和主控制器；

主控制器接收卫星平台发送的成像参数和校正系数，成像参数包括积分时间、增益系统和成像模式，校正系数包括整数部分a(n)和小数部分b(n)，存储于参数存储模块中；

成像电路模块包括探测器驱动模块、读出电路模块和运算模块；

所述驱动模块驱动CCD探测器成像产生二维图像数据，读出电路模块根据成像完成指令将二维图像数据按行读出；

所述运算模块将主控制器传送的行校正系数分解处理，并按照行数据进行校正读出；

二维图像数据全部读出后，将数据通过数据下传链路传送到卫星平台，待卫星过境下传至地面。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可通过上注线型修正系数控制CCD成像电路的数据读出，对光谱弯曲进行修正，地面可直接进行数据反演，简化了后期处理步骤。

(2)本发明针对成像光谱仪在轨数据变形的问题，通过硬件实现数据的直接校正，使处理过程更加稳定、可靠。

(3)本发明处理流程简单有效，可替代CCD成像光谱仪的原始预处理过程中的光谱定标过程，相对比现技术能够提供实时谱线修正。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为本发明的原理框图；

图3为汞灯谱线特征峰像元拟合结果；

图4为未使用该方法原读出方式汞灯光谱图像；

图5为使用该方法处理后汞灯光谱图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，提出一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法，所述的方法具体包括如下步骤，如图1所示：

步骤(1)、获得成像光谱仪的光谱弯曲畸变修正参数。既可以利用待校正的成像光谱仪直接获得不同视场的标准谱线灯(可以是汞灯或其他标准谱线灯)光谱点阵图像，利用汞灯不同视场谱线点的畸变程度，选择合适的拟合曲线，计算全像面(视场)的校正系数。还可以利用待校正的成像光谱仪获得不同视场的标准谱线灯(可以是汞灯或其他标准谱线灯)光谱线阵图像，获得不同视场谱线点的畸变程度，直接计算全像面(视场)的校正系数。已知待校正成像光谱仪中不同视场的弧状亮点对应同一谱线，分别记录谱线响应峰值对应CCD上的像元位置。将这些相同谱线的光谱弯曲值进行多项式拟合，然后根据数据拟合结果计算得到的每条光谱在空间维上的弯曲值(弯曲像元数量)。

得到的拟合公式为：

y＝exp(5.34879+0.00129·x-4.6653e^-6·x²) (1)

其中，y为实际光谱维像元位置，x为空间维像元位置，该拟合公式的相关系数为0.995。

以中心视场为校正基准像元，计算每个空间维视场的像元偏差，得到全像面的光谱弯曲校正系数

校正系数由(a+b)格式所表示,a是校正系数的整数部分，表示读出的像元值需要偏移的像元数目，b是校正系数的小数部分(小于1的浮点数)，表示需要将该像元值的(1-b)倍部分分配到当前像元，同时将该像元值的b倍部分分配到其后一个像元中，提高光谱校正精确度。

步骤(2)、成像光谱仪主控器将获得的光谱弯曲校正系数通过通讯接口传输到成像光谱仪读出装置中(可根据不同的成像光谱仪光谱弯曲修正参数)，成像光谱仪读出装置实时接收并存储光谱弯曲校正参数。

步骤(3)、成像读出装置的FPGA根据面阵探测器的特点，按行(或列)依次读出面阵探测器的像元(AD模数转换器读出像元的DN值强度)。

步骤(4)、读出电路准备开始读出面阵探测器的第n行(n值从1开始，0<n<257，不同的面阵探测器，其n值可以进行相应的修改),读出电路将存储的第n行校正系数传读出，将该行存储单元清零。

步骤(5)、读出电路读出第n行第1列像元DN值，将第n行第1列像元DN值乘以(1-b(n))的值与原本存储于a(n)+1列的值求和存储于a(n)+1列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+2列的值求和存储于a(n)+2列。

步骤(6)、读出电路读出第n行第2列像元DN值，将第n行第2列像元DN值乘以(1-b(n))的值与原本存储于a(n)+2列的值求和，结果存储于a(n)+2列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+3列的值求和存储于a(n)+3列。

步骤(7)、按步骤(5)、(6)的规律，直到第n行所有像元DN值全部读出完成。

步骤(8)、n值加1，重复执行(4)、(5)、(6)、(7)，直到整个像面所有DN值全部读出完成。最终读出的光谱图像如图5所示，光谱弯曲得到明显改善，相同谱线在图像中的位置相同。

根据本发明的另一个实施例，如图2所示，为本发明的一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取装置，包括CCD成像探测器、成像电路和主控制器。主控制器接收卫星平台发送的成像参数和校正系数，成像参数包括积分时间、增益系统和成像模式，校正系数包括整数部分a(n)和小数部分b(n)，存储于参数存储模块中。成像电路模块分为探测器驱动模块、读出电路模块和运算模块。驱动模块驱动CCD探测器成像产生二维图像数据，读出模块根据成像完成指令将二维图像数据按行读出。运算模块将主控制器传送的行校正系数分解处理，并按照行数据进行校正读出。二维图像数据全部读出后，将数据通过数据下传链路传送到卫星平台，待卫星过境下传至地面；图3为空间维汞灯相同谱线空间维拟合结果，根据该拟合结果可计算出CCD探测器整个像面的校正系数。

如图4所示，以汞灯光谱图像为例，具体的实现步骤如下：

该图像是放置于光谱仪入射狭缝不同视场角度的7个汞灯测试光源成像光谱，其相同谱线在CCD像元上位置不同，存在明显的光谱弯曲现象。

步骤(1)、计算校正系数，已知该汞灯光谱中左侧7个弧状亮点(汞灯谱线特征峰)对应同一谱线，这7条谱线响应峰值对应CCD上的像元位置分别是(218,31)、(225,72)、(228,94)、(230,126)、(229,158)、(227,193)、(223,218)。其中，坐标x轴对应光谱维，坐标y轴对应空间维。将这7条汞灯光谱特征峰像元位置进行多项式拟合，然后根据拟合结果计算得到每个像元的光谱弯曲值。

得到的拟合结果为：

y＝exp(5.34879+0.00129·x-4.6653e^-6·x²) (1)

其中，y为实际光谱维像元位置，x为空间维像元位置，该拟合公式的相关系数为0.995。

以中心视场空间维第229行为校正基准像元，计算每个空间维视场的像元偏差，得到全像面的光谱弯曲校正系数

步骤(2)、光谱弯曲校正系数通过上注的方式传输到光谱仪主控制器中(也可提前固化在主控器的ROM中)，每次成像之后主控将校正系数表传输到图像读出电路的FPGA。FPGA按照校正系数表进行AD模数转换器读出。当校正系数不为整数时，说明不能按整数像元进行修正。此时，对相应像元DN值进行比例分解修正，比例分解值由校正系数决定。

步骤(3)、读出电路准备开始读出第n行(n值从1开始，0<n<257),读出第n行校正系数。

步骤(4)、读出电路读出第n行第1列像元DN值，根据第n行校正系数

将第n行第1列像元DN值乘以

尾数的差值，延后

的整数部分个像元读出。第

整数部分个像元之前为空数据读出，DN值为0。

步骤(5)、第n行像元DN值乘以系数

的尾数值与下一列的原始DN值相加，延后

的整数部分加1个像元读出。

步骤(7)、重复执行步骤(3)、(4)、(5)，直到第n行所有像元DN值全部读出完成。

步骤(8)、n值加1，重复执行(3)、(4)、(5)，直到整个像面所有DN值全部读出完成。最终读出的光谱图像如图5所示，光谱弯曲得到明显改善，相同谱线在图像空间维中的位置相同。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法，其特征在于：具体的实现步骤如下：

步骤(1)、获得成像光谱仪的光谱弯曲校正系数；

步骤(2)、成像光谱仪主控器将获得的光谱弯曲校正系数通过通讯接口传输到成像光谱仪读出装置中，用于根据不同的成像光谱仪光谱弯曲进行参数校正，成像光谱仪读出装置实时接收并存储光谱弯曲校正系数；

步骤(3)、成像读出装置的FPGA根据面阵探测器的特点，按行或列依次读出面阵探测器的像元，并利用AD模数转换器读出像元的数字响应值，即DN值；

步骤(4)、读出电路准备开始读出面阵探测器的第n行,读出电路将存储的第n行校正系数读出，并将该行校正系数分解为整数部分a(n)和小数部分b(n)，数字响应值读出后将该行存储单元清零；

步骤(5)、读出电路读出第n行第1列像元DN值，将第n行第1列像元DN值乘以(1-b(n))，的值与原本存储于a(n)+1列的值求和存储于a(n)+1列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+2列的值求和存储于a(n)+2列；

步骤(6)、读出电路读出第n行第2列像元DN值，将第n行第2列像元DN值乘以(1-b(n))的值与原本存储于a(n)+2列的值求和，结果存储于a(n)+2列，DN值乘以b(n)的值与原本存储于a(n)+3列的值求和存储于a(n)+3列；

步骤(7)、按步骤(5)、(6)的规律，直到第n行所有像元DN值全部读出完成；

步骤(8)、n值加1，重复执行(4)、(5)、(6)、(7)，直到整个像面所有DN值全部读出完成；最终读出全部的二维光谱图像数据。

2.根据权利要求1所述的一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取方法，其特征在于：所述步骤(1)、获得成像光谱仪的光谱弯曲畸变修正参数，具体如下：

步骤(1.1)、利用待校正的成像光谱仪直接获得不同视场的标准谱线灯光谱点阵图像，利用汞灯不同视场谱线点的畸变程度，选择合适的拟合曲线，计算全像面的校正系数；

或者用待校正的成像光谱仪获得不同视场的标准谱线灯光谱线阵图像，获得不同视场谱线点的畸变程度，直接计算全像面的校正系数；

步骤(1.2)已知待校正成像光谱仪中不同视场的弧状亮点对应同一谱线，分别记录谱线响应峰值对应CCD上的像元位置，将这些相同谱线的光谱弯曲值进行多项式拟合，然后根据数据拟合结果计算得到的每条光谱在空间维上的弯曲值，即弯曲像元数量；

得到的拟合公式为：

y＝exp(5.34879+0.00129·x-4.6653e^-6·x²) (1)

其中，y为实际光谱维像元位置，x为空间维像元位置，该拟合公式的相关系数为0.995；

步骤(1.3)以中心视场为校正基准像元，计算每个空间维视场的像元偏差，得到全像面的光谱弯曲校正系数

校正系数由(a+b)格式所表示,a是校正系数的整数部分，表示读出的像元值需要偏移的像元数目，b是校正系数的小数部分，表示需要将该像元值的(1-b)倍部分分配到当前像元，同时将该像元值的b倍部分分配到其后一个像元中，提高光谱校正精确度。

3.一种曲面成像光谱仪光谱弯曲实时校正读取装置，其利用权利要求1-2之一的方法进行校正读取，其特征在于，该装置包括：

CCD成像探测器、成像电路和主控制器；

主控制器接收卫星平台发送的成像参数和校正系数，成像参数包括积分时间、增益系统和成像模式，校正系数包括整数部分a(n)和小数部分b(n)，存储于参数存储模块中；

成像电路模块包括探测器驱动模块、读出电路模块和运算模块；

所述驱动模块驱动CCD探测器成像产生二维图像数据，读出电路模块根据成像完成指令将二维图像数据按行读出；

所述运算模块将主控制器传送的行校正系数分解处理，并按照行数据进行校正读出；

二维图像数据全部读出后，将数据通过数据下传链路传送到卫星平台，待卫星过境下传至地面。

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