CN114414049A - 一种提高光谱成像仪精确度的装置、系统、方法及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种提高光谱成像仪精确度的装置、系统、方法及介质，涉及光学领域。该装置包括：外部计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源。该装置中外部计算机与光谱成像仪以及光谱辐亮度计连接，用于当参考光源入射光谱成像仪时，根据光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性，并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，光谱成像仪中的计算单元用于当目标光源入射时光谱成像仪时根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。通过本申请的装置能够将目标光源的光谱辐亮度计算出来，完成对目标光源辐射信息的复原，提高光谱成像仪的精确度。
Description
技术领域
本申请涉及光学领域，特别是涉及一种提高光谱成像仪精确度的装置、方法、系统及介质。
背景技术
光谱成像技术可以同时获取目标的光谱与空间信息，在农业、林业、生态以及工业等场景中均有着广泛的应用。伴随着需求提升与技术进步，在保证信息获取准确性的前提下，小型化、轻量化、低成本是光谱成像仪器发展的趋势。
现有的光谱成像仪是一种新型的低成本、轻小型光谱成像仪，其采用单镜头、多带通窄带滤光片和彩色传感器组合，利用彩色传感器的不同子像元具有宽波段响应且响应波段之间有交叉的特性，实现了对不同光谱通道信息的同步获取。以典型RGB传感器为例，图1为多带通滤光片透过率与RGB传感器的量子效率曲线示意图。如图1所示，横坐标代表波长，纵坐标代表传感器量子效率以及滤光片透过率，此组合可以实现对550nm、720nm和840nm通道的光谱辐射信息探测。根据探测需求改变多带通窄带滤光片的光谱透过率曲线，即可获取其他光谱通道的目标信息，具有很高的使用灵活性。但是，对于该类型的光谱成像仪，其传感器直接捕捉的信号并非目标光的光谱辐射信息，导致光谱成像仪的精确度降低。
由此可见，如何提高光谱成像仪的精确度，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种提高光谱成像仪精确度的装置、系统、方法及介质，用于提高光谱成像仪的精确度。
为解决上述技术问题，本申请提供一种提高光谱成像仪精确度的装置，该装置包括：外部计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源；
所述参考光源包括：第一参考光源、第二参考光源；
所述参考光源、所述目标光源分别位于所述光谱成像仪镜头的前方；
所述光谱辐亮度计的光接收孔与所述光谱成像仪的入瞳处平行，用于测量当所述参考光源分别入射所述光谱成像仪时的所述光谱成像仪入瞳处的各光谱辐亮度；
所述外部计算机与所述光谱成像仪以及所述光谱辐亮度计连接，用于当所述第一参考光源、所述第二参考光源分别入射所述光谱成像仪时，分别对所述光谱成像仪设置增益以及积分时间，并记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过所述光谱辐亮度计探测出的所述光谱辐亮度，通过所述响应值、所述增益、所述积分时间、所述光谱辐亮度标定所述光谱成像仪的响应特性并将所述光谱成像仪的响应特性传输给所述光谱成像仪；
所述光谱成像仪中的计算单元用于当所述目标光源入射所述光谱成像仪时，记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据所述光谱成像仪的响应特性获取所述目标光源的光谱辐亮度。
优选地，所述第一参考光源为稳定的单色参考光源，所述第二参考光源为均匀的复色参考光源。
优选地，所述第二参考光源的谱段范围覆盖所述光谱成像仪的所有响应波段。
优选地，所述第一参考光源包括卤素灯、稳压电源、单色仪以及平行光管。
优选地，所述第二参考光源为由积分球生成的复色参考光源。
优选地，所述参考光源、所述目标光源分别位于所述光谱成像仪镜头前方第一预设距离内。
优选地，所述光谱辐亮度计和所述光谱成像仪均位于与所述光源发出的光束传输方向垂直的同一平面上。
为了解决上述技术问题，本申请还提供一种光谱成像系统，包括上述的提高光谱成像仪精确度的装置。
为了解决上述技术问题，本申请还提供一种提高光谱成像仪精确度的方法，应用于上述的提高光谱成像仪的精确度的装置，该方法包括：
当第一参考光源、第二参考光源分别入射所述光谱成像仪时，分别对所述光谱成像仪设置增益以及积分时间；并记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过所述光谱辐亮度计探测出的所述光谱辐亮度；
通过所述响应值、所述增益、所述积分时间、所述光谱辐亮度标定所述光谱成像仪的响应特性并将所述光谱成像仪的响应特性传输给所述光谱成像仪，以便当目标光源入射所述光谱成像仪时，所述光谱成像仪中的计算单元记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据所述光谱成像仪的响应特性获取所述目标光源的光谱辐亮度。
优选地，在所述完成对所述目标光源辐射信息的复原之后，还包括：
输出用于提示对所述目标光源辐射信息复原成功的提示信息。
为了解决上述技术问题，本申请还提供一种提高光谱成像仪精确度的装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述的提高光谱成像仪精确度方法的步骤。
为了解决上述技术问题，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的提高光谱成像仪精确度方法的步骤。
本申请所提供的提高光谱成像仪精确度的装置，包括：外部计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源。该装置中外部计算机与光谱成像仪以及光谱辐亮度计连接，用于当参考光源入射光谱成像仪时，根据光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，光谱成像仪中的计算单元用于当目标光源入射时光谱成像仪时根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。通过本申请的装置能够将目标光源的光谱辐亮度计算出来，完成对目标光源辐射信息的复原，提高了光谱成像仪的精确度。
此外，本申请还提供一种光谱成像系统、一种提高光谱成像仪精确度的方法、装置及计算机可读存储介质，具有上述提到的提高光谱成像仪精确度的装置相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为多带通滤光片透过率与RGB传感器的量子效率曲线示意图；
图2为本申请提供的一种提高光谱成像仪精确度的装置的结构图；
图3为三通道光谱成像仪的结构图；
图4为通过本申请的提高光谱成像仪精确度的装置获取目标光源的光谱辐亮度的流程图；
图5为三带通窄带滤光片与典型的RGB传感器组合实现三个光谱通道的目标光谱辐射信息探测的流程图；
图6为三带通窄带滤光片光谱透过率及RGB传感器的量子效率曲线示意图；
图7为四带通窄带滤光片光谱透过率及RGB-IR传感器的量子效率曲线示意图；
图8为单色光入射光谱成像仪的装置结构图；
图9为复色光入射光谱成像仪的装置结构图；
图10为本申请一实施例提供的提高光谱成像仪精确度的装置的结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种提高光谱成像仪精确度的装置、系统、方法及介质，用于提高光谱成像仪的精确度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。图2为本申请提供的一种提高光谱成像仪精确度的装置的结构图。如图2所示，该装置包括：外部计算机1、光谱成像仪2、光谱辐亮度计3、参考光源4、目标光源5；
参考光源4包括：第一参考光源、第二参考光源；
参考光源4、目标光源5分别位于光谱成像仪2镜头的前方；
光谱辐亮度计3的光接收孔与光谱成像仪2的入瞳处平行，用于测量当参考光源4分别入射光谱成像仪2时的光谱成像仪2入瞳处的各光谱辐亮度；
外部计算机1与光谱成像仪2以及谱辐亮度计3连接，用于当第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪2时，分别对光谱成像仪2设置增益以及积分时间，并记录光谱成像仪2的响应值、增益、积分时间以及记录通过光谱辐亮度计3探测出的光谱辐亮度，通过响应值、增益、积分时间、光谱辐亮度标定光谱成像仪2的响应特性并将光谱成像仪2的响应特性传输给光谱成像仪2；
光谱成像仪2中的计算单元用于当目标光源5入射光谱成像仪2时，记录光谱成像仪2的响应值、增益、积分时间，并根据光谱成像仪2的响应特性获取目标光源5的光谱辐亮度。
光谱成像仪2主要包括：滤光片、光学镜头和传感器。滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件，对于滤光片，本申请中采用的光谱成像仪2中的滤光片为多带通窄带滤光片。多带通窄带滤光片指的是在多个不连续的波段高透的滤光片且允许在特定的波段光信号通过，而对于这个波段以外的两侧光信号被阻止。如三带通窄带滤光片指的是在三个不连续的波段高透的滤光片，且允许的特定的波段光信号通过，而对于这个波段以外的两侧光信号被阻止。光学镜头是光谱成像仪2的关键设备，直接影响光谱成像仪2的成像质量，因此要选择合适的光学镜头。对于光学镜头的选择可以根据镜头的成像尺寸、镜头的分辨率、镜头焦距与视野角度、光圈或通光量等进行选择。对于传感器，在三通道光谱成像仪中使用的是RGB传感器，在四通道光谱成像仪中使用的是RGB-IR传感器，其中，RGB-IR传感器是在RGB传感器的基础上增加对于近红外波段信息的探测。此处以三通道光谱成像仪为例进行说明，图3为三通道光谱成像仪的结构图。由图3可以看出，三通道光谱成像仪6主要包括三带通窄带滤光片、光学镜头和RGB传感器。需要说明的是，三者的位置可以是如图3所示的三带通窄带滤光片放在光学镜头之前，也可以是将三带通窄带滤光片放在光学镜头以及RGB传感器之间。当三带通窄带滤光片放在光学镜头之前，入射光束首先进入三通道窄带滤光片，经过光学镜头之后进入RGB传感器中；当三带通窄带滤光片位于光学镜头以及RGB传感器之间时，入射光束首先进入光学镜头，再经过三带通窄带滤光片，之后进入RGB传感器。在实施中，对于三带通窄带滤光片的安装位置不作限定，为其中的一种安装位置即可。参考光源4、目标光源5分别位于光谱成像仪2的前方，当光源入射光谱成像仪2时，在光谱成像仪2中有限制光束入射的孔径称为光谱成像仪2的入瞳处。通过光谱成像仪2可同时探测红波段、蓝波段与绿波段的信号。通过光谱辐射响应规律分析，确定该光谱成像仪2光谱通道的标称中心波长、半高宽等基本信息。
光谱辐亮度计3是用来测量参考光源4的光谱辐亮度。本申请中，采用的光谱辐亮度计3是一种标准辐亮度计，相比于普通的光谱辐亮度计3更能准确测量参考光源4的光谱辐亮度。标准光谱辐亮度计的光接收孔与光谱成像仪2的入瞳处平行，并且连接外部计算机1，当参考光源4的入射光束进入光谱成像仪2的入瞳处时，探测参考光源4在光谱成像仪2入瞳处的光谱辐亮度，并将光谱辐亮度上传到外部计算机1上。
参考光源4包括第一参考光源以及第二参考光源。第一参考光源采用的是单色光源，在实施中，选择的是准单色光源，也就是保证单色光是一个波长的。第二参考光源采用的是复色光作为参考光源。
外部计算机1与光谱成像仪2以及谱辐亮度计3连接，当第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪2时，分别对光谱成像仪2设置增益以及积分时间，并记录光谱成像仪2的响应值、增益、积分时间以及记录通过光谱辐亮度计3探测出的光谱辐亮度，通过响应值、增益、积分时间、光谱辐亮度标定光谱成像仪2的响应特性并将光谱成像仪2的响应特性传输给光谱成像仪2。
光谱成像仪2中包含计算单元，当目标光源5入射光谱成像仪2时，该计算单元记录光谱成像仪2的响应值、增益、积分时间，并根据光谱成像仪2的响应特性获取目标光源5的光谱辐亮度。
图4为通过本申请的提高光谱成像仪精确度的装置获取目标光源的光谱辐亮度的流程图。通过上述的提高光谱成像仪精确度的装置获取目标光源的光谱辐亮度的具体过程如下：
S10：当第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪时，分别对光谱成像仪设置增益以及积分时间；并记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度；
通过外部计算机控制光谱成像仪以特定的积分时间、增益对参考光源成像。参考光源包括第一参考光源以及第二参考光源，分别记录当第一参考光源以及第二参考光源入射光谱成像仪时光谱成像仪的响应DN值及对应的传感器积分时间、增益等参数，并通过标准光谱辐亮度计同步探测第一参考光源、第二参考光源在光谱成像仪入瞳处的光谱辐亮度。
S11：通过响应值、增益、积分时间、光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，以便当目标光源入射光谱成像仪时，光谱成像仪中的计算单元记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。
要说明的是，在第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪之前，需要对光谱成像仪的关键组件光谱响应规律进行分析，具体包括对透过率、传感器量子效率以及系统透过率等规律进行分析，本申请中涉及的光谱成像仪，其每个像元的辐射响应是各光谱通道透射光能量的线性叠加。根据多带通窄带滤光片的光谱透过率曲线及传感器各波段的量子效率曲线，构建光谱成像仪的光谱辐射响应模型如公式(1)所示：
上述公式(1)中i和j为传感器的像元编号，k为每组像元的子像元编号，子像元分别对应不同的波段，根据目前传感器的典型配置，其子像元对应的具体波段包括但不限于红波段、绿波段、蓝波段以及近红外波段，bandi为光谱成像仪的光谱通道编号，N为光谱通道数，
为像元(i,j)中子像元k的响应值，f表征辐射响应函数，Lbandi为光谱成像仪光谱通道bandi的入瞳辐亮度。
当第一参考光源入射光谱成像仪时，通过向光谱成像仪入射不同波长的稳定准单色光，对光谱维度进行扫描成像，以获取光谱成像仪不同子像元在各波长处的归一化光谱响应系数
λl为第l个入射准单色光的中心波长。
进一步的，计算光谱成像仪各通道的等效归一化光谱响应系数
计算公式为公式(2)所示：
上述公式(2)中，λmin,bandi和λmax,bandi分别为光谱通道bandi的光谱响应波长下限及上限，Δλ为光谱响应函数标定时光谱维度的扫描步长。对于每种子像元，分别计算各通道的等效归一化光谱响应系数。
为表述方便，本申请中不失一般性的假设探测器的响应DN值与入射光信号辐亮度L成线性关系。为标定光谱成像仪的绝对辐射响应系数，向光谱成像仪入射均匀、稳定且光谱辐亮度已知的宽谱段参考光作为第二参考光源，其谱段范围需覆盖光谱成像仪的所有响应波段，使用标准光谱辐亮度计同步监测光谱成像仪入瞳处的光谱辐亮度。则式(1)可以改写为公式(3)：
上述公式(3)中，
为光谱成像仪传感器像元(i,j)中子像元k在光谱通道bandi等效波长处的绝对辐射响应系数，
为光谱成像仪传感器传感器像元(i,j)中子像元k的辐射响应偏置，其可通过遮挡光谱成像仪的入瞳直接测得，
为光谱成像仪子像元k在光谱通道bandi的入瞳等效辐亮度，需通过标准光谱辐亮度计测得的数据进行计算，在计算过程中需要用到上述公式(2)计算得到的等效归一化光谱响应系数
通过加权计算得到对应光谱通道的入瞳等效辐亮度。
进一步的，定义各波段子像元的通道间相对辐射响应比例系数如公式(4)所示：
将式(4)代入式(3)建立多元一次方程组，通过方程组求解得到绝对辐射响应系数
至此，外部计算机对光谱成像仪的响应特性进行了标定。之后外部计算机将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，在目标光源入射光谱成像仪时，光谱成像仪中的计算单元记录传感器的响应DN值、积分时间、增益等参数。根据目标光源入射时的增益、积分时间从上述公式中计算出的绝对辐射响应系数
中选取对应的绝对辐射响应系数。具体为：
当任意目标光入射至光谱成像仪入瞳时，光谱成像仪像元(i,j)的光谱辐射响应矩阵为公式(5)所示:
上述公式(5)中Q为每组像元中的子像元数目，Ltarget,bandi为目标光在光谱通道bandi处的入射辐亮度，Mi,j为光谱成像仪光谱辐射响应矩阵，其表达式为公式(6)：
根据式(5)、式(6)，推导得出目标光光谱辐亮度计算公式为公式(7)：
上述公式(7)中INV表示对矩阵求逆运算。
根据上述得到的光谱响应系数及绝对辐射响应系数标定结果代入上述公式(7)，即可解算出目标光的光谱辐亮度，完成目标光光谱辐射信息的复原。需要强调的是，对于本申请的提高光谱成像仪精确度的装置采用矩阵法复原目标光光谱辐射信息，其他求解多元线性方程组、多元非线性方程组的方法亦在本申请的保护范围内。
为了使本领域的技术人员更好的理解本申请通过上述的提高光谱成像仪精确度的装置获取目标光源的光谱辐亮度，下面结合图5对上述本申请作进一步的详细说明，本实施例以三带通窄带滤光片与典型的RGB传感器组合实现三个光谱通道的目标光谱辐射信息探测。图5为三带通窄带滤光片与典型的RGB传感器组合实现三个光谱通道的目标光谱辐射信息探测的流程图。该过程包括：
S100：三通道光谱成像仪关键组建光谱辐射响应规律分析。
重点对三通道光谱成像仪的窄带滤光片光谱透过率及传感器的量子效率曲线进行分析，图6为三带通窄带滤光片光谱透过率及RGB传感器的量子效率曲线示意图。如图6所示，本实施例中滤光片使用三带通窄带滤光片，传感器使用典型的RGB传感器，可同时探测红波段、蓝波段与绿波段的信号。通过光谱辐射响应规律分析，确定该光谱成像仪的光谱通道band1、band2和band3的标称中心波长、半高宽等基本信息。
S200：光谱成像仪光谱辐射响应模型构建。
根据三带通窄带滤光片的光谱透过率及传感器的量子效率曲线，构建光谱成像仪红波段、绿波段与蓝波段子像元的辐射响应模型。令上述实施例中的公式(1)中k＝1，2，3分别为红波段、绿波段与蓝波段子像元的编号，为便于表述分别以“R”、“G”和“B”进行变量标注。
其中，S200具体包括：
S201：构建红波段子像元辐射响应模型。
构建的红波段子像元辐射响应模型如公式(8)所示：
S202:构建绿波段子像元辐射响应模型。
构建的绿波段子像元辐射响应模型如公式(9)所示：
S203:构建蓝波段子像元辐射响应模型。
构建的绿波段子像元辐射响应模型如公式(10)所示：
S300：逐通道标定光谱响应函数。
S300具体包括：
S301：准单色光入射，光谱维度扫描，同步记录准单色光波长及对应光谱成像仪响应DN值。
在实施中，可以使用卤素灯、稳定电源、单色仪及平行光管生成准单色光作为参考光源，运用高精度转台控制参考光源入射至待标定光谱成像仪的不同视场，即照亮不同的像元。通过外部计算机控制光谱成像仪以特定的积分时间、增益对参考光成像，记录光谱成像仪的响应DN值及对应的传感器积分时间、增益等参数；通过标准光谱辐亮度计同步探测参考光在光谱成像仪入瞳处的光谱辐亮度并记录；根据S100中对光谱通道band1、band2和band3的基本信息分析结果，以步长Δλ不断改变单色仪的出射波长，通过光谱维度扫描以获取光谱成像仪在不同波长入射光下的响应DN值。
S302：分别计算红波段、绿波段、蓝波段对应像元的归一化光谱响应函数。
使用标准光谱辐亮度计记录的扫描波长处的参考光光谱辐亮度，计算不同子像元在各通道处的等效辐亮度
然后使用下列公式(11)、(12)、(13)进行归一化处理以剔除参考光源光谱对光谱响应函数标定的影响：
上述公式(11)、(12)、(13)中UNI表示归一化运算，λref1,l表示光谱响应函数标定参考光中第l个准单色光的中心波长。
S303：分别计算光谱通道band1、band2、band3的等效归一化光谱响应系数。
将上述公式(11)～(13)代入公式(2)，即可计算出光谱通道band1、band2和band3的等效归一化光谱响应系数
S400：逐像元标定绝对辐射响应系数。
S400具体包括：
S401：宽谱段稳定光源入射，同步记录入瞳光谱辐亮度、光谱成像仪响应DN值及传感器积分时间、增益等参数。
在实施中，可以使用积分球生成稳定、均匀的宽波段复色光作为参考光源，充满光谱成像仪的全视场，使用标准光谱辐亮度计同步测量入瞳处的光谱辐亮度。使用外部计算机控制光谱成像仪以不同的增益、积分时间对不同辐亮度的积分球出射光成像，分别记录光谱成像仪的响应DN值与对应的增益、积分时间等参数。
S402：分别计算光谱通道band1、band2、band3对应红波段、绿波段、蓝波段子像元的入瞳等效辐亮度。
使用上述步骤中得到的等效归一化光谱响应系数
计算各通道的等效中心波长，对S401中由标准光谱辐亮度计测得的光谱辐亮度进行插值，得到光谱通道band1、band2和band3所有子像元的入瞳等效辐亮度。
S403：分别计算光谱通道band1、band2、band3对应红波段、绿波段、蓝波段子像元的绝对辐射响应系数。
将S401中测得的DN值与S402中计算得到的各光谱通道所有像元处的入瞳等效辐亮度代入上述公式(8)～(10)，构建关于参考光的线性方程组，其中参数
和
可以通过遮挡光谱成像仪的入瞳取像元响应DN值直接测得。根据上述公式(4)计算红波段、绿波段、蓝波段子像元对应的不同光谱通道间的相对辐射响应比例系数，通过解方程组求得绝对辐射响应系数
和
需要说明的是，绝对辐射响应系数与传感器的增益、积分时间有关，应将绝对辐射响应系数的标定结果与对应的传感器增益、积分时间同步存储并使用。
S500：建立关于目标光的光谱辐射响应方程。
S500具体包括：
S501：目标光入射至光谱成像仪，记录传感器DN值响应及积分时间、增益等参数。
当目标光入射至光谱成像仪时，记录像元响应值
和
及传感器增益和积分时间，根据增益和积分时间选择对应的由S400标定得到的绝对辐射响应系数。
S502：建立包含红波段、绿波段、蓝波段子像元辐射响应的光谱成像仪光谱辐射响应方程。
根据S501确定的绝对辐射响应系数及获取的像元响应DN值，建立关于目标光的辐射响应方程如公式(14)所示：
上述公式中Mi，j的表达式为公式(15)所示：
S600：解算目标光的光谱辐射信息。
将S400、S500得到的结果代入上述公式(7)，解算出目标光的在光谱通道band1、band2和band3处的光谱辐亮度，完成目标光光谱辐射信息的复原。解算公式如公式(16)所示：
本实施例对于目标光光谱辐射信息的解算成功与否不需要多带通窄带滤光片透过率与传感器量子效率满足特定的规律，对于给定的传感器，可以任意选择多带通滤光片的带通范围，只要不同子像元的辐射响应方程之间不具有线性相关性，就可以通过构建光谱辐射响应模型、标定光谱辐射响应特性及解算目标光光谱辐亮度，完成目标光光谱辐射信息的复原。因此，可以根据不同需求选择不同的光谱通道。
为了使本领域的技术人员更好的理解本申请通过上述的提高光谱成像仪精确度的装置获取目标光源的光谱辐亮度，本实施例以四带通窄带滤光片与典型的RGB-IR传感器实现四个光谱通道的目标光谱辐射信息探测，每组像元在红波段、绿波段与蓝波段子像元的基础上加入了近红外波段子像元，图7为四带通窄带滤光片光谱透过率及RGB-IR传感器的量子效率曲线示意图。四通道光谱成像仪的结构与图3所示的三通道光谱成像仪一致，只是将三带通窄带滤光片更换为四带通窄带滤光片，将RGB传感器更换为RGB-IR传感器，其余保持一致。
通过上述的提高光谱成像仪精确度的装置获取四个光谱通道的目标光谱辐射信息，唯一的区别在于加入了光谱通道band4的目标辐射信息解算，相对应的传感器增加了近红外波段的探测，以“IR”对近红外波段子像元进行标注，具体方案及流程在此不再赘述。
本实施例所提供的提高光谱成像仪精确度的装置，包括：外部计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源。外部计算机与光谱成像仪以及光谱辐亮度计连接，用于当参考光源入射光谱成像仪时，根据光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，光谱成像仪中的计算单元用于当目标光源入射时光谱成像仪时根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。通过本申请的装置能够将目标光源的光谱辐亮度计算出来，完成对目标光源辐射信息的复原，提高了光谱成像仪的精确度。
由于入射光的光强、光谱等会随着时间发生漂移，可能会导致对目标光源辐射信息的计算出现较大的误差。因此，在实施中，选择第一参考光源为稳定的单色参考光源，第二参考光源为均匀的复色参考光源。
对于第一参考光源，选择稳定的单色参考光源，从而确保该光源的光强、光谱等不会随着时间发生漂移。对于第二参考光源，选择均匀、稳定的复色参考光源，稳定指的是光源的光强、光谱等不会随着时间的变化发生偏移，均匀指的是光谱成像仪2接收的是同一个平面上的光，在该平面上光强分布均匀。
本实施例所提供的选择第一参考光源为稳定的单色参考光源，第二参考光源为均匀的复色参考光源，可以防止光源随着时间的变化导致光强、光谱等发生改变，进而提高最终得到的目标光源的光谱辐亮度的准确性。
上述实施例中选择的第二参考光源为均匀、稳定的光源，为了能够得到目标光源5的光谱辐射亮度，在实施中，作为第二参考光源的谱段范围覆盖光谱成像仪2的所有响应波段。
本实施例所提供的第二参考光源的谱段范围覆盖光谱成像仪的所有响应波段，当任意谱段的目标光入射光谱成像仪时，能够保证对目标光源的光谱辐射信息计算出来。
在上述实施例中，第一参考光源为稳定的单色参考光源，即第一参考光源的光强、光谱等不会随着时间发生偏移，为了生成稳定的单色光，作为优选地实施方式，第一参考光源包括卤素灯、电源、单色仪以及平行光管。
图8为单色光入射光谱成像仪的装置结构图。如图8所示，装置中采用的电源为稳压电源8，稳压电源8与卤素灯7连接，为卤素灯7提供了稳定电压。卤素灯7产生的光束经过单色仪9，单色仪9是一种分光仪器，通过色散元件把复色光分解为准单色光，输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光。单色仪9采用的色散元件分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。单色仪9位于高精度转台11上，运用高精度转台11控制参考光源入射至光谱成像仪2的不同视场，即照亮不同的像元。光束经过单色仪9之后经过平行光管10产生平行光束进入光谱成像仪2。
该装置中由稳压电源8、卤素灯7、单色仪9、平行光管10生成的单色光作为参考光源，其中稳压电源8与卤素灯7连接，卤素灯7发出的光束经过位于高精度转台11上的单色仪9之后，进入平行光管10生成单色光作为参考光源。该单色光进入光谱成像仪2，由标准光谱辐亮度计对光谱成像仪2处的光谱辐亮度进行测量，外部计算机1连接光谱成像仪2，进而控制光谱成像仪2以特定的积分时间、增益对单色光成像，记录光谱成像仪2的响应DN值及对应的传感器积分时间、增益等参数。需要说明的是，本实施例中使用卤素灯7、稳定电源8、单色仪9及平行光管10生成准单色光作为参考光源，亦可使用如可调谐激光器等其他产生稳定、准直、准单色光的装置作为参考光源。
本实施例所提供的第一参考光源包括卤素灯、电源、单色仪以及平行光管，生成稳定的准单色光作为参考光源，可以保证光源的光强、光谱等不会随着时间发生偏移，进而最终获得的目标光的光谱辐射信息较为精确。
上述实施例中第二参考光源为均匀、稳定的光源。为了生成均匀的光源，作为优选地实施方式，采用第二参考光源为由积分球生成的复色参考光源。
积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，又称光度球，光通球等。球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。积分球的内壁应是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的0.2％。球内壁上涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系数接近于1的材料。常用的材料是氧化镁或硫酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁上。氧化镁涂层在可见光谱范围内的光谱反射比都在99％以上，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度。图9为复色光入射光谱成像仪的装置结构图。如图9所示，使用积分球12生成稳定、均匀的宽波段复色光作为参考光源4，充满光谱成像仪2的全视场，由标准光谱辐亮度计对光谱成像仪2入瞳处的光谱辐亮度进行测量，外部计算机1连接光谱成像仪2，进而控制光谱成像仪2以特定的积分时间、增益对单色光成像，记录光谱成像仪2的响应DN值及对应的传感器积分时间、增益等参数。需要说明的是，本实施例中使用积分球12作为参考光源，亦可使用其他满足要求的稳定、均匀的宽谱段光源作为参考光源。
本实施例所提供的采用由积分球生成的复色参考光源作为第二参考光源，由于进入积分球的光在积分球内部经过多次反射，形成照度均匀的光。照度均匀的光束作为参考光源进入光谱成像仪，进而最终获得的目标光的光谱辐射信息较为精确。
为了保证光源入射的光能够进入光谱成像仪2，并且减少光束在进入光谱成像仪2的过程中受到的干扰。作为优选地实施方式，参考光源4、目标光源5分别位于光谱成像仪2镜头前方第一预设距离内。
在实施中，光源位于光谱成像仪2镜头前方确保光源发出的光束能够进入光谱成像仪2，即参考光源4、目标光源5位于光谱成像仪2镜头的前方，但是当光源位于光谱成像仪2的前方较远距离时，由于大气中存在大气分子以及悬浮微粒对光束吸收或散射导致光强减弱，因此光源位于光谱成像仪2前方预设距离内。即参考光源4、目标光源5分别位于光谱成像仪2镜头前方第一预设距离在实施中，参考光源4包括第一参考光源以及第二参考光源，当第一参考光源入射光谱成像仪2时，第一参考光源位于光谱成像仪2镜头前方第一预设距离内，如上述实施例中，由卤素灯7、稳压电源8、单色仪9、平行光管10生成单色光作为第一参考光源，即卤素灯7、稳压电源8、单色仪9、平行光管10位于光谱成像仪2镜头前方预设距离内；由积分球12生成的复色光作为第二参考光源，即积分球12位于光谱成像仪2镜头前方预设距离内；同样地，当目标光源5入射光谱成像仪2时，目标光源5也要位于光谱成像仪2前方预设距离内。对于预设距离的选择不作限定，只要尽可能地减少光束在传输至光谱成像仪2的过程受到影响即可。
本实施例所提供的参考光源、目标光源分别位于光谱成像仪镜头前方第一预设距离内，可以减少光束在传输至光谱成像仪的过程中受到的影响，尽可能保证参考光源为稳定的光源，进而最终获得的目标光的光谱辐射信息较为精确。
在上述实施例中，光谱辐亮度计3的光接收孔与光谱成像仪2的入瞳处平行，用于测量当参考光源4分别入射光谱成像仪2时的光谱成像仪2入瞳处的各光谱辐亮度。对于光谱辐亮度计3和光谱成像仪2的优选地位置为光谱辐亮度计3和光谱成像仪2均位于与光源发出的光束传输方向垂直的同一平面上。
当参考光源4的入射光束进入光谱成像仪2的入瞳处时，光谱辐亮度计3探测参考光源4在光谱成像仪2入瞳处的光谱辐亮度。首先，光谱辐亮度计3和光谱成像仪2位于同一平面上，保证光谱辐亮度计3能够对光谱成像仪2入瞳处的光谱辐亮度进行测量；其次，当光谱辐亮度计3和光谱成像仪2均与光束传输方向垂直，可以保证参考光源4发出的大部分光束甚至全部光束能够进入光谱辐亮度计3以及光谱成像仪2。
本实施例所提供的光谱辐亮度计和光谱成像仪均位于与光源发出的光束传输方向垂直的同一平面上，使得参考光源产生的光束进入光谱辐亮度计以及光谱成像仪中，同时使得光谱辐亮度计能够对光谱成像仪入瞳处的光谱辐亮度进行较准确地测量，从而使得得出的目标光的光谱辐射信息较为准确。
本申请实施例还提供一种光谱成像系统，该光谱成像系统包括计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源；该系统中外部计算机与光谱成像仪以及光谱辐亮度计连接，用于当参考光源入射光谱成像仪时，根据光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，光谱成像仪中的计算单元用于当目标光源入射时光谱成像仪时根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。此外，可以由卤素灯、稳压电源、单色仪、平行光管生成第一参考光源，由积分球生成第二参考光源。由于上文中对于各部件进行了详细描述，故本实施例不再赘述。
本实施例所提供的光谱成像系统，具有上述提到的提高光谱成像仪精确度的装置相同的有益效果。
在上述实施例的基础上，本实施例还提供一种提高光谱成像仪精确度的方法，应用于上述的提高光谱成像仪的精确度的装置。该方法的具体步骤与上述图4中的步骤相同，具体为：
S10：当第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪时，分别对光谱成像仪设置增益以及积分时间；并记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度；
S11：通过响应值、增益、积分时间、光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，以便当目标光源入射光谱成像仪时，光谱成像仪中的计算单元记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。
由于上文中对于各步骤的具体过程已进行了详细描述，故本实施例不再赘述。
本实施例所提供的提高光谱成像仪精确度的方法，首先当第一参考光源、第二参考光源分别入射光谱成像仪时，分别对光谱成像仪设置增益以及积分时间；并记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过光谱辐亮度计探测出的光谱辐亮度，然后通过响应值、增益、积分时间、光谱辐亮度标定光谱成像仪的响应特性并将光谱成像仪的响应特性传输给光谱成像仪，以便当目标光源入射光谱成像仪时，光谱成像仪中的计算单元记录光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据光谱成像仪的响应特性获取目标光源的光谱辐亮度。相比于现有的光谱成像仪中的传感器直接获取的并非目标光源的光谱辐射信息，通过本光谱成像系统能够将目标光源的光谱辐亮度计算出来，完成对目标光源辐射信息的复原，提高了光谱成像仪的精确度。
通过上述实施例可以得出目标光源的光谱辐亮度，为了能够直观了解到是否对目标光源辐射信息完成复原，作为优选地实施方式，在完成对目标光源辐射信息的复原之后，还包括：
输出用于提示对目标光源辐射信息复原成功的提示信息。
输出用于提示对目标光源辐射信息复原成功的提示信息可以是在计算机的显示屏上直接显示复原成功，可以显示“√”或“Success”等代表复原成功过，也可以发出提示信息，如发出“复原成功”等提示信息，对于具体的提示信息不作限定，只要能提示对目标光源辐射信息复原成功的信息即可。
本实施例所提供的在完成对目标光源辐射信息的复原之后，输出用于提示对目标光源辐射信息复原成功的提示信息，通过提示信息，用户能够直观地了解到对目标光源辐射信息复原成功。
在上述实施例中，对于提高光谱成像仪精确度的方法进行了详细描述，本申请还提供提高光谱成像仪精确度的装置对应的实施例。
图10为本申请一实施例提供的提高光谱成像仪精确度的装置的结构图。本实施例基于硬件角度，如图10所示，提高光谱成像仪精确度的装置包括：
存储器20，用于存储计算机程序；
处理器21，用于执行计算机程序时实现如上述实施例中所提到的提高光谱成像仪精确度的方法的步骤。
本实施例提供的提高光谱成像仪精确度的装置可以包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。
其中，处理器21可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器21可以采用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器21可以在集成有图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器21还可以包括人工智能(Artificial Intelligence，AI)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器20可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器20还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器20至少用于存储以下计算机程序201，其中，该计算机程序被处理器21加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的提高光谱成像仪精确度方法的相关步骤。另外，存储器20所存储的资源还可以包括操作系统202和数据203等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统202可以包括Windows、Unix、Linux等。数据203可以包括但不限于上述所提到的提高光谱成像仪精确度的方法所涉及到的数据等。
在一些实施例中，提高光谱成像仪精确度的装置还可包括有显示屏22、输入输出接口23、通信接口24、电源25以及通信总线26。
本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构并不构成对提高光谱成像仪精确度的装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。
本申请实施例提供的提高光谱成像仪精确度的装置，包括存储器和处理器，处理器在执行存储器存储的程序时，能够实现如下方法：提高光谱成像仪精确度的方法，效果同上。
最后，本申请还提供一种计算机可读存储介质对应的实施例。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述方法实施例中记载的步骤。
可以理解的是，如果上述实施例中的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请提供的计算机可读存储介质包括上述提到的提高光谱成像仪精确度的方法，效果同上。
以上对本申请所提供的提高光谱成像仪精确度的装置、系统、方法及介质进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (12)
1.一种提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，包括：外部计算机、光谱成像仪、光谱辐亮度计、参考光源、目标光源；
所述参考光源包括：第一参考光源、第二参考光源；
所述参考光源、所述目标光源分别位于所述光谱成像仪镜头的前方；
所述光谱辐亮度计的光接收孔与所述光谱成像仪的入瞳处平行，用于测量当所述参考光源分别入射所述光谱成像仪时的所述光谱成像仪入瞳处的各光谱辐亮度；
所述外部计算机与所述光谱成像仪以及所述光谱辐亮度计连接，用于当所述第一参考光源、所述第二参考光源分别入射所述光谱成像仪时，分别对所述光谱成像仪设置增益以及积分时间，并记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过所述光谱辐亮度计探测出的所述光谱辐亮度，通过所述响应值、所述增益、所述积分时间、所述光谱辐亮度标定所述光谱成像仪的响应特性并将所述光谱成像仪的响应特性传输给所述光谱成像仪；
所述光谱成像仪中的计算单元用于当所述目标光源入射所述光谱成像仪时，记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据所述光谱成像仪的响应特性获取所述目标光源的光谱辐亮度。
2.根据权利要求1所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述第一参考光源为稳定的单色参考光源，所述第二参考光源为均匀的复色参考光源。
3.根据权利要求1所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述第二参考光源的谱段范围覆盖所述光谱成像仪的所有响应波段。
4.根据权利要求2所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述第一参考光源包括卤素灯、稳压电源、单色仪以及平行光管。
5.根据权利要求2所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述第二参考光源为由积分球生成的复色参考光源。
6.根据权利要求1所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述参考光源、所述目标光源分别位于所述光谱成像仪镜头前方第一预设距离内。
7.根据权利要求1所述的提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，所述光谱辐亮度计和所述光谱成像仪均位于与所述光源发出的光束传输方向垂直的同一平面上。
8.一种光谱成像系统，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的提高光谱成像仪精确度的装置。
9.一种提高光谱成像仪精确度的方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任意一项所述的提高光谱成像仪的精确度的装置，该方法包括：
当第一参考光源、第二参考光源分别入射所述光谱成像仪时，分别对所述光谱成像仪设置增益以及积分时间；并记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间以及记录通过所述光谱辐亮度计探测出的所述光谱辐亮度；
通过所述响应值、所述增益、所述积分时间、所述光谱辐亮度标定所述光谱成像仪的响应特性并将所述光谱成像仪的响应特性传输给所述光谱成像仪，以便当目标光源入射所述光谱成像仪时，所述光谱成像仪中的计算单元记录所述光谱成像仪的响应值、增益、积分时间，并根据所述光谱成像仪的响应特性获取所述目标光源的光谱辐亮度。
10.根据权利要求9所述的提高光谱成像仪精确度的方法，其特征在于，在所述完成对所述目标光源辐射信息的复原之后，还包括：
输出用于提示对所述目标光源辐射信息复原成功的提示信息。
11.一种提高光谱成像仪精确度的装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求9或10所述的提高光谱成像仪精确度方法的步骤。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求9或10所述的提高光谱成像仪精确度方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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2021
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