DE102005050876B4

DE102005050876B4 - Method and apparatus for calibrating hyperspectral instruments and a hyperspectral instrument

Info

Publication number: DE102005050876B4
Application number: DE200510050876
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Schwarzer; Andreas Dr. Eckardt; Hermann Prof. Dr. Kaufmann; Stefan Dr. Hofer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Kayser Threde GmbH; GeoForschungsZentrum Potsdam
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Kayser Threde GmbH; GeoForschungsZentrum Potsdam
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: DE102005050876A1

Abstract

Vorrichtung zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes, umfassend mindestens eine Kalibrationsquelle, die ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugt, und ein Hyperspektralinstrument, das mindestens einen matrixförmigen Hyperspektralsensor umfasst, wobei eine Dimension die spektralen Informationen eines Bildpunktes erfasst und eine zweite Dimension eine Ortsinformation eines Bildpunktes erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelbreite in der Dimension der spektralen Information an mindestens einem der Ränder der Matrix schmaler als im mittleren Bereich ist, wobei anhand der absoluten spektralen Lage von Teilen des Spektrums der Kalibrationsquelle (3) auf den schmaleren Pixeln (8) auf die Lage des Spektrums bezogen auf die mittleren Pixel (7) zurückgeschlossen werden kann.contraption for calibrating a hyperspectral instrument comprising at least a calibration source that produces a reproducible, stable spectrum, and a hyperspectral instrument comprising at least one hyperspectral matrix-type sensor , wherein one dimension is the spectral information of a Pixel captured and a second dimension a location information of a pixel, characterized in that the pixel width in the dimension of the spectral information on at least one the edges the matrix is narrower than in the middle region, where based on the absolute spectral location of parts of the spectrum of the calibration source (3) on the narrower pixels (8) related to the location of the spectrum closed back to the middle pixel (7) can be.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten sowie ein Hyperspektralinstrument.The The invention relates to a method and a device for calibration of hyperspectral instruments and a hyperspectral instrument.

Hyperspektralinstrumente dienen zur Erfassung einer Vielzahl von spektralen Kanälen, wobei je nach Anwendungsgebiet der Bereich von 200 nm bis ins nahe Infrarot gehen kann. Typischerweise umfassen die Hyperspektralinstrumente Elemente zur spektralen Zerlegung und einen matrixförmigen Hyperspektralsensor. Dabei dient die eine Dimension des Hyperspektralsensors zur Erfassung der unterschiedlichen Wellenlängen und die andere zur Abbildung eines Bildstreifens. Der gesamte Informationsgehalt der Matrix ist somit die volle spektrale Information eines Bildstreifens. Zur Kalibration der Hyperspektralinstrumente ist bereits vorgeschlagen worden, schmalbandige Kalibrationsquellen zu verwenden, die Fraunhofer Linien des Sonnenspektrums oder Absorptionslinien von mit seltenen Erden dotierten Diffusermaterialien verwenden. Alle diese Verfahren basieren auf dem Prinzip, die Position von Absorptions- oder Emissionslinien, die schmaler als eine Pixelbreite in der spektralen Richtung sind, mit Hilfe einzelner Pixel zu bestimmen. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist es, dass die Position dieser Absorptions- oder Emissionslinien praktisch nur auf ein Pixel genau bestimmt werden kann. Die Breite der Pixel kann jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da dann neben den technologischen Grenzen vor allem das Signal-Rausch-Verhältnis zu schlecht wird.Hyperspectral serve to detect a plurality of spectral channels, wherein depending on the application, the range from 200 nm to the near infrared can go. Typically, the hyperspectral instruments include Spectral decomposition elements and a matrix-type hyperspectral sensor. The one dimension of the hyperspectral sensor is used for detection of different wavelengths and the other to image a picture strip. The entire information content The matrix is thus the full spectral information of a picture strip. For the calibration of the hyperspectral instruments has already been proposed to use narrow-band calibration sources, the Fraunhofer Lines of solar spectrum or absorption lines of rare Use earth doped diffuser materials. All these procedures are based on the principle, the position of absorption or emission lines, which are narrower than a pixel width in the spectral direction, using individual pixels to determine. A disadvantage of this known Procedure is that the position of these absorption or emission lines practically only one pixel can be determined exactly. The width However, the pixel can not be reduced arbitrarily, because then in addition to the technological limits, especially the signal-to-noise ratio too bad becomes.

Aus der US 6,111,640 A eine Vorrichtung zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes bekannt, umfassend mindestens eine Kalibrationsquelle, die ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugt, und ein Hyperspektralinstrument, das mindestens einen matrixförmigen Hyperspektralsensor umfasst, wobei eine Dimension die spektralen Informationen eines Bildpunktes erfasst und eine zweite Dimension eine Ortsinformation eines Bildpunktes erfasst.From the US 6,111,640 A a device for calibrating a hyperspectral instrument, comprising at least one calibration source that generates a reproducible, stable spectrum, and a hyperspectral instrument comprising at least one matrix-type hyperspectral sensor, one dimension detecting the spectral information of a pixel and a second dimension detecting a location information of a pixel ,

Aus der EP 1 626 256 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfeinerung der örtlichen Auflösung multispektraler Fernerkundungsdaten bekannt, wobei die örtlichen Teilgebiete eines Multispektralsensors unterschiedlich groß sind.From the EP 1 626 256 A1 For example, a method and a device for refining the spatial resolution of multispectral remote sensing data is known, wherein the local subareas of a multispectral sensor are of different sizes.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten sowie ein hierfür geeignetes Hyperspektralinstrument zu schaffen, mittels dessen bei gutem Signal-Rausch-Verhältnis eine hohe Kalibrationsgüte erreichbar ist.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a method and a device for calibrating hyperspectral instruments as well a for this to provide a suitable hyperspectral instrument by means of which good signal-to-noise ratio one high quality of calibration is reachable.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1, 6 and 7. Further advantageous embodiments emerge the dependent claims.

Hierzu ist die Pixelbreite in der Dimension der spektralen Information an Rändern der Matrix schmaler als im mittleren Bereich, wobei anhand der absoluten spektralen Lage von Teilen des Spektrums der Kalibrationsquelle auf den schmalen Pixeln auf die Lage des Spektrums bezogen auf die mittleren Pixel zurückgeschlossen werden kann. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Matrix zu unterteilen, wobei der mittlere Bereich für die Nutzinformationen und der oder die Randbereiche für die Kalibration ausgelegt sind. Somit kann die Pixelbreite im mittleren Bereich auf ein ausreichendes SNR-Verhältnis ausgelegt werden, wobei die Pixelbreite in den Randbereichen auf die Genauigkeit der Kalibration abgestimmt wird. Dabei kann das Verhältnis zwischen der Pixelbreite der mittleren Pixel und der Pixel am Rand beispielsweise 3–10:1 betragen. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht Kalibrationsquellen mit scharfen Linien erforderlich sind, da über die Randbereiche ein Teilspektrum hochaufgelöst aufgenommen wird (je nach Pixelbreite der Pixel im Randbereich).For this is the pixel width in the dimension of the spectral information on the edges the matrix narrower than the middle range, using the absolute spectral location of parts of the spectrum of the calibration source on the narrow pixels on the location of the spectrum relative to the closed back to the middle pixel can be. The basic idea of the invention lies therein, the matrix subdivide the middle range for the payload and the border area (s) for the calibration are designed. Thus, the pixel width in the middle Range to be designed for a sufficient SNR ratio, where the pixel width in the border areas on the accuracy of the calibration is agreed. The ratio between the pixel width can be For example, the average pixels and pixels at the edge may be 3-10: 1. Another advantage is that calibration sources are not sharp Lines are needed because over the border areas a sub-spectrum is recorded high-resolution (depending on Pixel width of the pixels in the border area).

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zwei Kalibrationsquellen, wobei diese vorzugsweise unterschiedliche Spektren emittieren. Dies vereinfacht die Erzeugung eines Gesamtspektrums, das auf dem linken und rechten Rand der Matrix ein Signal erzeugt, das ausreichend groß ist.Preferably The device comprises two calibration sources, these preferably emit different spectra. This simplifies the production an overall spectrum that is on the left and right edges of the matrix generates a signal that is sufficiently large.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vor dem Eingang des Hyperspektralinstruments ein einschwenkbarer, diffuser Kalibrationsscreen angeordnet, wobei die Kalibrationsquellen auf den Kalibrationsscreen ausgerichtet sind, so dass die vom Kalibrationsscreen reflektierte Strahlung gestreut in das Hyperspektralinstrument gelangt. Dies ermöglicht eine Anordnung der für die Kalibration notwendigen Elemente derart, dass diese den normalen Betrieb nicht stören, so dass die Kalibration auch in-orbit, d.h. auf dem Satelliten durchgeführt werden kann.In a further preferred embodiment is a swiveling in front of the entrance of the hyperspectral instrument, diffused calibration screen, with the calibration sources aligned to the calibration screen, so that the from the calibration screen reflected radiation passes scattered into the hyperspectral instrument. this makes possible an arrangement of for the calibration necessary elements such that these normal operation do not bother, so that the calibration is also in-orbit, i. can be performed on the satellite.

Der Hyperspektralsensor ist vorzugsweise als CCD- oder CMOS-Matrix-Sensor ausgebildet.Of the Hyperspectral sensor is preferably as a CCD or CMOS matrix sensor educated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The Fig. Show:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kalibration von Hyperspektralinstrumenten und 1 a schematic representation of an apparatus for calibrating hyperspectral instruments and

2 eine schematische Darstellung der Pixel-Verteilung eines matrixförmigen Hyperspektralsensors. 2 a schematic representation of the pixel distribution of a matrix-shaped Hyperspectral sensor.

Die Vorrichtung 1 zur Kalibration eines Hyperspektralinstrumentes 2 umfasst zwei Kalibrationsquellen 3, die jeweils ein reproduzierbares, stabiles Spektrum erzeugen, und einen diffusen Kalibrationsscreen 4 mit nachgeordneter Blende 5. Der Kalibrationsscreen 4 ist schwenkbar gelagert und kann zu Kalibrationszwecken in die optische Achse des Hyperspektralinstrumentes 2 geschwenkt werden. Im Betrieb des Hyperspektralinstrumentes 2 ist der Kalibrationsscreen 4 hingegen aus der optischen Achse geschwenkt. Je nach Ausgestaltung kann die Blende 5 ortsfest oder verschwenkbar ausgebildet sein, es muss nur sichergestellt werden, dass während des Kalibrationsvorganges keine zusätzliche Strahlung von einer nicht dargestellten Eingangsoptik auf den Kalibrationsscreen 4 fällt. Vereinfacht ausgedrückt muss bei einer ortsfesten Blende 5 diese bei der Kalibration geschlossen und im Betrieb geöffnet werden. Die beiden Kalibrationsquellen 3 sind nun derart ausgerichtet, dass deren Strahlung auf den Kalibrationsscreen 4 fällt und von dort in das Hyperspektralinstrument 2 fällt. Das Hyperspektralinstrument 2 umfasst mindestens ein Element, das die Strahlung der Kalibrationsquellen ebenso wie die Strahlung im Betrieb spektral zerlegt und auf einen matrixförmigen Hyperspektralsensor 6 abbildet, wobei jeweils ein Bildstreifen spektral zerlegt auf dem Hyperspektralsensor 6 abgebildet wird.The device 1 for the calibration of a hyperspectral instrument 2 includes two calibration sources 3 , each producing a reproducible, stable spectrum, and a diffuse calibration screen 4 with subordinate aperture 5 , The calibration screen 4 is pivotally mounted and can be used for calibration purposes in the optical axis of the hyperspectral instrument 2 be panned. In operation of the hyperspectral instrument 2 is the calibration screen 4 however, pivoted from the optical axis. Depending on the configuration, the aperture 5 be formed stationary or pivotable, it only needs to be ensured that during the calibration process no additional radiation from an input optics, not shown on the calibration screen 4 falls. In simple terms, a fixed aperture must be used 5 These are closed during calibration and opened during operation. The two calibration sources 3 are now aligned so that their radiation on the calibration screen 4 falls and from there into the hyperspectral instrument 2 falls. The hyperspectral instrument 2 comprises at least one element which spectrally disassembles the radiation of the calibration sources as well as the radiation during operation and a matrix-type hyperspectral sensor 6 each image band spectrally decomposed on the hyperspectral sensor 6 is shown.

Dieser Hyperspektralsensor 6 ist in 2 schematisch dargestellt. Dabei dient die erste Dimension D1 zur Bilderzeugung und die zweite Dimension D2 enthält die spektrale Information. Dabei sei nachfolgend angenommen, dass von unten nach oben in der 2 die Wellenlänge ansteigt. Wie man nun weiter der 2 entnehmen kann, sind im mittleren Bereich Pixel 7 mit einer Pixelbreite B und ober- und unterhalb Pixel 8 mit einer Pixelbreite b angeordnet, wobei gilt B > b. Das Spektralzerlegeelement ist dabei derart ausgerichtet, dass das interessierende Spektrum auf die Pixel 7 fällt, wo sich aufgrund ihrer Größe ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis einstellen lässt. Die Pixel 8 hingegen dienen primär zur Kalibration.This hyperspectral sensor 6 is in 2 shown schematically. The first dimension D1 is used for image generation and the second dimension D2 contains the spectral information. It is assumed below that from bottom to top in the 2 the wavelength increases. How to continue the 2 are in the middle area pixels 7 with a pixel width B and above and below pixels 8th arranged with a pixel width b, where B> b. The spectral decomposition element is aligned in such a way that the spectrum of interest on the pixels 7 falls where, due to their size, a good signal-to-noise ratio can be set. The pixels 8th however, they are primarily used for calibration.

Zur Erläuterung der Kalibration diene folgendes Beispiel: Der interessierende Spektralbereich sei der sichtbare Bereich von 380–780 nm, wobei dann durch eine Grobeinstellung das Spektrum von 360–800 nm die Pixel 7 überdeckt. Die Kalibrationsquellen erzeugen nun ein Spektrum von 260–1100 nm, wobei die spektrale Verteilung reproduzierbar fest ist. Der Anteil des Spektrums von 800–1100 nm fällt dann auf die oberen Pixel 8 und der Anteil von 360–200 nm auf die unteren Pixel 8. Da nun die spektrale Empfindlichkeit der Pixel 7, 8a priori bekannt ist und auch das Spektrum der Kalibrationsquellen 3, kann nun anhand der Auswertung der Pixel 8 die Lage des Spektrums absolut auf eine Pixelbreite b bestimmt werden. Liegt beispielsweise bei 260 nm ein relatives Maximum vor, so wird dies bei einem bestimmten unteren Pixel 8 wiedergefunden. Durch eine oder mehrere solcher Stellen kann dann eine Interpolation der Verteilung des gesamten Spektrums über alle Pixel 7, 8 vorgenommen werden. Da nun die Breite b der Pixel 8 ein Vielfaches kleiner als die Breite B der Pixel 7 ist, wird entsprechend die Güte der Kalibration besser als ein Pixel bezogen auf die Pixelbreite B der Pixel 7. Dabei ist es klar, dass prinzipiell die Pixel 8 nur an einem Rand vorhanden sein müssen, wobei dann die Interpolation nur aus einer Richtung erfolgt. Eine Interpolation aus zwei Richtungen hat jedoch den Vorteil einer größeren Genauigkeit. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die beiden Kalibrationsquellen unterschiedlich emittieren, wobei die eine Kalibrationsquelle primär oberhalb und die andere primär unterhalb der Wellenlängen der interessierenden Nutzstrahlung emittieren. Ist die spektrale Verteilung nahezu linear, so kann die Kalibrationsquelle auch nahezu monochromatisch als LED ausgebildet sein.To illustrate the calibration, the following example is used: The spectral region of interest is the visible region of 380-780 nm, and then, by coarse adjustment, the spectrum of 360-800 nm is the pixel 7 covered. The calibration sources now produce a spectrum of 260-1100 nm, the spectral distribution being reproducibly fixed. The proportion of the spectrum of 800-1100 nm then falls on the upper pixels 8th and the proportion of 360-200 nm on the lower pixels 8th , Now the spectral sensitivity of the pixels 7 . 8a is known in advance and also the spectrum of calibration sources 3 , can now be based on the evaluation of the pixels 8th the position of the spectrum are determined absolutely on a pixel width b. For example, if there is a relative maximum at 260 nm, it will be at a certain lower pixel 8th recovered. One or more of these locations can then be used to interpolate the distribution of the entire spectrum over all pixels 7 . 8th be made. Now the width b of the pixels 8th a multiple smaller than the width B of the pixels 7 Accordingly, the quality of the calibration becomes better than one pixel with respect to the pixel width B of the pixels 7 , It is clear that in principle the pixels 8th only have to be present on one edge, in which case the interpolation takes place only from one direction. However, two-way interpolation has the advantage of greater accuracy. In this case, it can further be provided that the two calibration sources emit differently, wherein the one calibration source emits primarily above and the other primarily below the wavelengths of the useful radiation of interest. If the spectral distribution is almost linear, then the calibration source can also be formed almost monochromatically as an LED.

Claims

A device for calibrating a Hyperspektralinstrumentes comprising at least one calibration source that generates a reproducible, stable spectrum, and a hyperspectral, comprising at least one matrix-shaped hyperspectral sensor, wherein a dimension detects the spectral information of an image point and a second dimension detects a location information of an image point, characterized characterized in that the pixel width in the dimension of the spectral information is narrower at at least one of the edges of the matrix than in the middle region, whereby based on the absolute spectral position of parts of the spectrum of the calibration source ( 3 ) on the narrower pixels ( 8th ) on the position of the spectrum with respect to the middle pixels ( 7 ) can be deduced.

Device according to claim 1, characterized in that the device ( 1 ) two calibration sources ( 3 ).

Apparatus according to claim 2, characterized in that the calibration sources ( 3 ) emit different spectra.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in front of the input of the hyperspectral instrument ( 2 ) a swiveling, diffuse calibration screen ( 4 ), the calibration sources ( 3 ) on the calibration screen ( 4 ) are aligned so that the from the calibration screen ( 4 ) reflected radiation into the hyperspectral instrument ( 2 ).

Device according to claim 4, characterized in that the hyperspectral sensor ( 6 ) is designed as a CCD or CMOS matrix.

Method for calibrating a hyperspectral instrument by means of a device ( 1 ) according to claim 1, comprising the following method steps: a) determining the absolute spectral position of parts of the spectrum of the calibration source ( 3 ) on the narrow pixels ( 8th ) and b) performing an interpolation of the position of the spectrum on the middle pixels ( 7 ) based on the results of method step a).

Hyperspectral instrument comprising at least one matrixform Hyperspectral sensor, characterized in that the pixel width (b) on at least one of the edges the spectral dimension (D2) is narrower than the pixel width (B) in the middle range is.