DE60128918T2

DE60128918T2 - Spektrale drift und korrektionsverfahren für hyperspektrale abbildungssysteme

Info

Publication number: DE60128918T2
Application number: DE60128918T
Authority: DE
Inventors: Brian Allen Setauket GORIN
Original assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Current assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2021-07-27
Also published as: ATE364833T1; AU2001280777A1; EP1303742A2; EP1303742B1; WO2002010718A3; US20020015151A1; IL148746A0; IL148746A; US6819798B2; DE60128918D1; WO2002010718A2

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Abbildungssysteme und insbesondere auf Systeme zur hyperspektralen Abbildung. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zum Bestimmen des Betrags und der Richtung einer spektralen Drift in Systemen zur hyperspektralen Abbildung.
Verwandte Technik
Alle Objekte, wie etwa Erde, Wasser, Bäume, Vegetation, Strukturen, Metalle, Farbanstriche, Stoffgewebe usw. generieren einen einzigartigen spektralen Fingerabdruck. Der einzigartige spektrale Fingerabdruck ist ein Maß der elektromagnetischen Energie, die von einem Objekt reflektiert oder thermisch erzeugt wird, wenn das Objekt abgebildet wird. Zum Bestimmen des Fingerabdrucks wird ein Sensor verwendet. Der Sensor misst das Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, oder die thermisch abgestrahlte Energie von dem Objekt, wovon der größte Teil in Wellenlängen oder Bändern registriert wird, die für Menschen unsichtbar sind.
Die hyperspektrale Abbildung bezieht sich auf die Abbildung eines Objektes über eine große Zahl von diskreten, angrenzenden Spektralbändern. Die hyperspektrale Abbildung produziert Bilder, für die mit jedem räumlichen Auflösungselement oder Pixel eine spektrale Signatur assoziiert wird. Als Kreuzung zwischen Abbildung und Spektroskopie ist die hyperspektrale Abbildung eine Nebenerscheinung der multispektralen Abbildung. Multispektrale Bildaufnehmer nehmen in einem breiten Abschnitt jedes größeren Wellenlängenbandes eine Messung vor. Im Gegensatz zu multispektralen Bildaufnehmern messen hyperspektrale Bildaufnehmer Energie in zahlreichen schmalen Einheiten jedes Bandes. Die schmaleren Bandbreiten eines hyperspektralen Sensors sind gegenüber subtilen Abweichungen bei der Energiereflexion oder Wärmeerzeugung empfindlicher.
Infolgedessen ist das hyperspektrale Signal detaillierter und enthält spezifischere Informationen über das abgebildete Objekt.
Ein hyperspektraler Bildaufnehmer kann sehen, was von dem menschlichen Auge nicht gesehen werden kann. Die hyperspektrale Abbildung kann in Kombination mit Bildverarbeitung und -analyse Materialien identifizieren, Merkmale klassifizieren, Tendenzen identifizieren usw. Die hyperspektrale Abbildung kann für die medizinische Photodiagnose, chemische Erkennung, Wolkenbeobachtung, Erdressourcen, Fernwahrnehmung von Schmutzstoffen und anderen Verbindungen in der Atmosphäre, im Boden und in Gewässern, Fernwahrnehmung von Land und Ozeanen und Zielerkennung und -wiedererkennung verwendet werden, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Systeme zur hyperspektralen Abbildung erfordern während der Aufzeichnung der Bilddaten eine präzise Steuerung und Identifizierung von Spektralkanalzuteilungen. Damit präzise Algorithmen für die radiometrische und spektrale Erkennung effektiv sein können, ist es unabdingbar, die Spektralkanaleichung während des Betriebs beizubehalten. Die Kenntnis der Spektralbänder während der Bildbearbeitung ermöglicht die Nutzung einer breiten Spanne von Algorithmen, um eine Materialidentifizierung auf der Basis der Informationen der spektralen Signatur zu bestimmen.
Die Identifizierung der Spektralkanalzuteilungen während der Abbildungsvorgänge ist erforderlich, um den Umfang der spektralen Drift, welche in Missionsumfeldern auftreten kann, zu bestimmen und die Informationen bereitzustellen, die zum korrekten Neuzuteilen der Spektralkanäle auf das hyperspektrale Bildmaterial notwendig sind. Benötigt werden ein System und ein Verfahren zum Erkennen einer spektralen Drift. Außerdem werden ein System und ein Verfahren benötigt, um den Umfang sowie die Richtung der spektralen Drift zu bestimmen.
US 5,822,222 lehrt ein Verfahren zur Eichung einer berührungslosen Echtzeitmessvorrichtung für Temperatur- und Emissionsvermögensprofile von strahlenden Zielen. Das Verfahren verwendet einen einzelnen, vorgeeichten Schwarzkörper und das Kurvenpassen eines radiometrischen Modells der Vorrichtung auf Sensoransprechantworten, die durch die Abbildung des vorgeeichten Schwarzkörpers erhalten wurden.
US 4,873,481 offenbart das Eichen eines Radiometers während des normalen Betriebs, indem ein Spiegel verwendet wird, um ein Schwarzkörpersignal, das von einem einzelnen Schwarzkörper erzeugt wird, zur Fortpflanzung entlang einem mit dem Radiometer gemeinsamen Weg auszuwählen. Eine Schaltung innerhalb des Radiometers spricht auf das Schwarzkörpersignal an, um ein erstes Schwarzkörperbezugssignal zu erzeugen. Eine in der Fabrik geeichte Rauschdiodenanordnung fügt dem Radiometer ein bekanntes rauschendes Mikrowellensignal hinzu, wenn ein Schwarzkörpersignal verarbeitet wird. Die Schaltung spricht separat auf die Kombination aus Schwarzkörpersignal und rauschendem Signal an, um ein zweites Schwarzkörperbezugssignal separat zu erzeugen. Das erste und das zweite Schwarzkörperbezugssignal und die bekannte Temperatur des einzelnen Schwarzkörpers werden verwendet, um dem Radiometer Echtzeiteichdaten bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Erkennen des Betrags und der Richtung einer spektralen Drift in einem System zur hyperspektralen Abbildung. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erkennen des Betrags und der Richtung einer Spektralkanaldrift für mehrere angrenzende Spektralbereiche über ein breites Spektralgebiet in Systemen zur hyperspektralen Abbildung. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, wird ein Vor-Ort-Testen mit einem Spektralfilter, der sequenziell mit zwei Schwarzkörpertemperaturen bestrahlt wird, durchgeführt, um eine Ansprechfunktion des Spektralfilters zu erzeugen. Für die Ansprechfunktion wird der Gesamtdurchschnitt erstellt, um jegliches Rauschen zu reduzieren. Hintergrundstrahlung wird dann entfernt, um eine geglättete spektrale Transmissionsfunktion des Spektralfilters zu produzieren. Dann wird die erste Ableitungsfunktion der spektralen Transmissionsfunktion bestimmt. Die erste Ableitungsfunktion wird in Spektralbandbereiche mit +/- N Pixeln auf beiden Seiten des Funktionsminimums aufgeteilt. Der Wert von N wird ausgewählt, um die Empfindlichkeit des Erkennungsalgorithmus gegenüber Änderung zu optimieren, während die Grenze des Betrags der spektralen Verschiebung ausgedehnt wird. Die Summe der Differenzen zwischen der ersten Ableitungsfunktion und einer spektralen Bezugsableitungsfunktion wird bestimmt. Das Differenzergebnis wird auf eine Verweistabelle angewendet, um den Betrag und die Richtung einer spektralen Drift für jeden der aufgeteilten Spektralbandbereiche zu bestimmen.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung kann Informationen über spektrale Verzerrung oder spektrale Krümmung (Spectral Smile) für 2D-Brennebenenarrays, die für die hyperspektrale Abbildung verwendet werden, bereitstellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Struktur und der Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beigefügten Zeichnungen, die hierin einbezogen sind und einen Teil der Patentschrift bilden, veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung des Weiteren dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern und es dem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet zu ermöglichen, diese Erfindung nachzuvollziehen und zu verwenden.
1A ist ein beispielhaftes Blockschaubild, das ein System zur hyperspektralen Abbildung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
1B ist ein beispielhaftes Blockschaubild, das ein System zur hyperspektralen Abbildung veranschaulicht, welches ein Untersystem zur spektralen Eichung mit zwei Schwarzkörperquellen und eine Filteranordnung zur spektralen Eichung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
1C ist ein Flussdiagramm höherer Ebene, das ein Verfahren zum Bestimmen des Betrags und der Richtung einer Spektralkanaldrift für ein System zur hyperspektralen Abbildung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen von Bezugssignalen während des Testens vor dem Einsatz beschreibt.
3 ist ein Graph, der beispielhafte Spektralkanaleichfiltermessungen für einen Polystyrol-Filter SRM 1921a unter Nutzung zweier Schwarzkörperquellen veranschaulicht.
4 ist ein Graph einer beispielhaften Spektralkanalfiltertransmissionsfunktion.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen einer Verweistabelle für die Erkennung einer spektralen Drift in Systemen zur hyperspektralen Abbildung beschreibt.
6 ist ein Graph, der eine beispielhafte Verweistabelle der Spektralkanaldrift für jedes Filterband des Polystyrol-Filters SRM 1921a veranschaulicht.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen von gemessenen Signalen während des Vor-Ort-Testens des Eichfilters beschreibt.
8 ist ein Graph, der eine beispielhafte erste Ableitungsansprechantwort der gemessenen Eichfiltertransmission veranschaulicht.
9 ist ein Schema, das ein beispielhaftes Computersystem veranschaulicht.
10 ist ein Schema, das ein beispielhaftes 2D-Brennebenenarray, welches zur hyperspektralen Abbildung verwendet wird, veranschaulicht.
Die Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der unten dargelegten detaillierten Beschreibung, zusammengenommen mit den Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen durchgängig entsprechende Elemente identifizieren, besser ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen identische, funktionell ähnliche und/oder strukturell ähnliche Elemente an. Die Zeichnungen, in denen ein Element zum ersten Mal erscheint, werden durch die am weitesten links stehende(n) Ziffer(n) in dem entsprechenden Bezugszeichen angegeben.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Während die vorliegende Erfindung hier für bestimmte Anwendungen mit Bezug auf illustrative Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese begrenzt ist. Der Fachmann mit Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren erkennt zusätzliche Abwandlungen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb ihres Bereichs und zusätzliche Gebiete, in denen die vorliegende Erfindung von beträchtlichem Nutzen wäre.
Überblick
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Erkennen des Betrags und der Richtung einer spektralen Drift in einem System zur hyperspektralen Abbildung. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist entworfen, die Spektralkanäle des Systems zur hyperspektralen Abbildung vor Ort neu zu eichen. Die Quantifizierung der Spektralkanaldrift während Abbildungsvorgängen ist erforderlich, um die Informationen bereitzustellen, die zum korrekten Neueichen der Spektralkanäle zu hyperspektralen Bildwürfeldaten notwendig sind. Um die Bedürfnisse der Erkennung einer Spektralkanaldrift zu erfüllen und angemessene Informationen für die Kanalkorrektur bereitzustellen, sind die hier beschriebenen Verfahren entworfen, um eine spektrale Sub-Pixel-Drift, den Betrag der spektralen Drift und die Richtung der spektralen Drift für Spektralkanalzuteilungen zu erkennen. Das Abtasten von einem breiten Spektralgebiet des Systems zur hyperspektralen Abbildung über mehrere angrenzende Spektralbereiche ermöglicht die nicht lineare Erkennung einer spektralen Drift und stellt die zur Korrektur erforderlichen Informationen bereit.
Die hier beschriebenen Verfahren können auf jedes funktionsfähige System zur hyperspektralen Abbildung angewendet werden, bei dem die Betriebsbedingung „Einsatz" oder „vor Ort" gleichwertig zu „im Flug", „an Bord", „vom Boden aus" oder „im Weltraum" interpretiert werden, aber nicht darauf begrenzt sind. Die hier beschriebenen Verfahren gelten für alle Umfelder.
Die vorliegende Erfindung wird für langwellige Spektralbereiche beschrieben, in denen Strahlung thermisch erzeugt wird. Mit anderen Worten ist die Signatur eines abgebildeten Objekts eine Funktion der Temperatur des Objekts und des spektralen Emissionsvermögens. Das Emissionsvermögen ist das Verhältnis von der Energie, die von einem Objekt abgestrahlt wird, zu der Energie, die von einem Schwarzkörper mit der gleichen Temperatur abgestrahlt wird. Das Emissionsvermögen ist eine Funktion der Wellenlänge und der Temperatur. Eine ideale Schwarzkörperquelle ist ein Material, das alle einfallende Strahlung absorbiert und keine reflektiert. Schwarzkörperquellen sind Wärmequellen mit Emissionsvermögenseigenschaften von ungefähr eins. Schwarzkörperquellen folgen den Gleichungen von Max Planck für Schwarzkörper in Hinblick auf optische spektrale Strahldichte. Die plankschen Gleichungen für Schwarzkörper sind dem Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en) wohl bekannt. Ein Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en) würde auch wissen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf langwellige Spektralbereiche begrenzt ist, in denen Strahlung thermisch erzeugt wird, sondern auch auf andere Spektralbereiche anwendbar ist, wie etwa von der sichtbaren zur Mittelwelle, wo die Strahlung aus Sonnenenergie erzeugt wird.
Damit Algorithmen für die radiometrische und spektrale Erkennung effektiv sein können, muss die Spektralkanaleichung während der Aufzeichnung von hyperspektralen Bilddaten beibehalten werden. In Missionsumfeldern kann eine spektrale Drift auftreten, was es notwendig macht, die Spektralkanäle dem hyperspektralen Bildmaterial neu zuzuteilen. Die vorliegende Erfindung tastet ein breites Spektralgebiet des hyperspektralen Bildes über mehrere Spektralbereiche für die nicht lineare Erkennung einer spektralen Drift ab. Die Erfindung stellt auch die für die Korrektur erforderlichen Informationen bereit.
Bevor die Erfindung detailliert beschrieben wird, wird eine kurze Beschreibung eines Filters, der zum Eichen des hyperspektralen Systems verwendet wird, erörtert. Die Erfindung verwendet einen Polystyrol-Filter SRM 1921a, bereitgestellt von NIST (National Institutes for Science and Technology), als Eichfilter. Der Eichfilter SRM 1921a stellt ein geeichtes Spektrum bereit, das als Bezug verwendet wird. Der Eichfilter SRM 1921a weist mindestens sieben (7) Spektralbandbereiche über ein Spektralgebiet von 8 bis 11 μm auf. Der Eichfilter SRM 1921a stellt auch zusätzliche Bänder über das Spektralgebiet von 3,2 bis 18 μm bereit. Obwohl die vorliegende Erfindung einen Polystyrol-Filter SRM 1921a als Eichfilter verwendet, wüsste ein Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en), dass andere Filter mit mehreren Spektralbandbereichen über ein gewünschtes Spektralgebiet als Eichfilter verwendet werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
1A ist ein Blockschaubild, das ein beispielhaftes System 120 zur hyperspektralen Abbildung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das System 120 zur hyperspektralen Abbildung kann in einem System in der Luft, einem System im Weltraum oder einem System auf dem Boden installiert werden. Das System 120 zur hyperspektralen Abbildung beinhaltet einen Strahlengang 122, einen Disperger 124, ein Brennebenen- Detektorarray (FPA) 126, einen Prozessor 128 und eine Steuereinheit 130. Der Strahlengang 122 ist an den Disperger 124 gekoppelt. Der Disperger 124 ist an das FPA 126 gekoppelt. Das FPA 126 ist an den Prozessor 128 gekoppelt. Der Prozessor 128 ist über einen bidirektionalen Datenbus an die Steuereinheit 130 gekoppelt. Die Steuereinheit 130 ist auch an den Strahlengang 122 und das FPA 126 gekoppelt. Die Datenleitung 132 ist eine bidirektionale Datenleitung, die auch an die Steuereinheit 130 gekoppelt ist. Die Datenleitung 132 beinhaltet einen Empfänger und einen Sender, um die Datenleitung 132 mit einer Station zur Verarbeitung von Bildern und Daten, die in entweder einer Kontrollstation 134 oder einer Vor-Ort-Plattform 136 oder in beiden enthalten ist, zu verbinden. Die Vor-Ort-Plattform 136 kann eine Plattform in der Luft, eine Plattform auf dem Boden oder eine Plattform im Weltraum sein.
Die Komponenten (122, 124, 126, 128 und 130) des Systems 120 zur hyperspektralen Abbildung arbeiten zusammen, um Infrarotstrahlung, die durch das griechische Symbol λ (Lambda) dargestellt wird, zu sammeln, zu erkennen und zu verarbeiten. Infrarotstrahlung (λ) wird von dem Strahlengang 122 empfangen. Der Strahlengang 122 beinhaltet eine lenkbare Gruppe von optischen Elementen (nicht gezeigt), die die Infrarotstrahlung (λ) sammeln und fokussieren. Die Steuereinheit 130 stellt elektromechanische Steuersignale bereit, damit der Strahlengang 122 die Infrarotstrahlung (λ) sammeln und fokussieren kann. Die Infrarotstrahlung (λ), die von dem Strahlengang 122 gesammelt wird, wird zu dem Disperger 124 gesendet. Der Disperger 124 kann eine Beugungsgitteranordnung, eine kompensierte Prismaanordnung oder eine elektrooptische Einrichtung, wie etwa ein Fabry-Perot-Etalon, oder eine akustooptische Anordnung umfassen. Der Disperger 124 teilt die empfangene Infrarotstrahlung (λ) in spektrale Komponenten und dispergiert die spektralen Komponenten, wie durch die Pfeile 125 gezeigt. Der Ausgang von dem Disperger 124 fällt auf das FPA 126 ein. Das FPA 126 ist ein Brennebenen-Detektorarray von Pixeln, die jedes der Spektralbänder der von dem Disperger 124 produzierten Strahlung abfühlen und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen. Die Steuereinheit 130 stellt Steuerleitungen zum Aktivieren und Lenken des Betriebs des Arrays für das FPA 126 bereit. Das entsprechende Ausgangssignal von dem FPA 126 wird zur Verarbeitung zu dem Prozessor 128 gesendet.
Während der Spektralkanaleichung wird der Eichfilter in einen Lichtweg des Systems zur hyperspektralen Abbildung eingebracht. Dies findet üblicherweise vor und nach dem Abbilden von Sequenzen statt. 1B ist eine Veranschaulichung des Systems 120 zur hyperspektralen Abbildung, die ein Untersystem 140 zur spektralen Eichung aufzeigt, das innerhalb des Strahlengangs 122 enthalten ist. Das Untersystem 140 zur spektralen Eichung ist gestrichelt im Inneren des Strahlengangs 122 gezeigt, um anzugeben, dass das Untersystem 140 abhängig von der Art des von dem System 120 zur hyperspektralen Abbildung durchgeführten Betriebs (d. h. Eichung) in den Strahlengang 122 eingebracht und aus ihm entfernt werden kann. Das Untersystem 140 zur spektralen Eichung beinhaltet zwei Schwarzkörperquellen BB₁(t₁) und BB₂(t₂), einen Filter 142 zur spektralen Eichung (wie etwa den oben beschriebenen Eichfilter) und einen Kippspiegel 144. Die zwei Schwarzkörperquellen BB₁(t₁) und BB₂(t₂) sind zwei separate Schwarzkörperquellen, die auf zwei separate gewünschte Temperaturen vorstabilisiert sind. Alternativ dazu könnte eine Schwarzkörperquelle mit zwei separaten Temperaturen verwendet werden. Die Schwarzkörperquellen BB₁(t₁) und BB₂(t₂) werden normalerweise in Bezug auf den Strahlengang 122 in eine von der Achse versetzte Position platziert. Während des Vorgangs der spektralen Eichung werden die Schwarzkörperquellen BB₁(t₁) und BB₂(t₂) unter Verwendung des Kippspiegels 124 sequenziell in den Weg des Strahlengangs 122 platziert. Der Filter 142 zur spektralen Eichung kann ebenfalls in den Weg des Strahlengangs 122 platziert werden, mit oder ohne die Schwarzkörperquellen BB₁(t₁) und BB₂(t₂). Vorgänge der spektralen Eichung sind nachfolgend detailliert beschrieben.
1C ist ein Flussdiagramm hoher Ebene, das ein Verfahren zum Bestimmen des Betrags und der Richtung einer Spektralkanaldrift für das System zur hyperspektralen Abbildung beschreibt. Der Prozess beginnt mit dem Schritt 102 und schreitet unmittelbar zu dem Schritt 104 fort.
In dem Schritt 104 werden während des Testens des Eichfilters 142 vor dem Einsatz Bezugssignale erzeugt. Das Testen vor dem Einsatz bringt das Messen des Spektrums des Eichfilters 142 unter Verwendung zweier Schwarzkörpertemperaturen mit sich. Vor-Einsatz-Tests werden in einem kontrollierten Laborumfeld durchgeführt. Die Erzeugung von Bezugssignalen wird untenstehend mit Bezug auf 2 detaillierter beschrieben.
In dem Schritt 106 wird unter Verwendung der erzeugten Bezugssignale aus dem Schritt 104 eine Verweistabelle erzeugt. Die Verweistabelle stellt den Betrag und die Richtung der Pixeldrift für jeden Spektralbandbereich des Eichfilters 142 bereit. Die Erzeugung der Verweistabelle ist untenstehend mit Bezug auf 5 beschrieben.
In dem Schritt 108 werden während des Vor-Ort-Testens gemessene Signale des Eichfilters 142 erzeugt. Vor-Ort-Testen wird während Missionen in der Luft, auf dem Boden oder an Bord durchgeführt und bringt das Messen des Spektrums des Eichfilters 142 unter Verwendung zweier Schwarzkörpertemperaturen mit sich. Die Erzeugung der gemessenen Signale ist untenstehend mit Bezug auf 7 beschrieben.
In dem Schritt 110 wird eine Analyse der Summe der Differenzen zwischen den gemessenen Signalen und den Bezugssignalen durchgeführt. Die Analyse der Summe der Differenzen ergibt einen Wert, der auf die in dem Schritt 106 erzeugte Verweistabelle angewendet wird.
In dem Schritt 112 wird das Ergebnis der Differenzanalyse auf die Verweistabelle angewendet, um sowohl den Betrag der Pixeldrift als auch die Richtung der Pixeldrift in der +/- spektralen Richtung für den entsprechenden Spektralbandbereich des Eichfilters 142 zu bestimmen. Spektralkanalzuteilungen für jedes Pixel in jedem Band des Eichfilters 142 können dann unter Verwendung der Ergebnisse aus der Verweistabelle korrigiert werden. Der Prozess endet mit dem Schritt 114.
Messungen vor dem Einsatz und Analyse
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 200 zum Erzeugen von Bezugssignalen während des Testens vor dem Einsatz beschreibt. Der Prozess beginnt mit dem Schritt 202 und schreitet unmittelbar zu dem Schritt 204 fort.
In dem Schritt 204 wird das Bezugsspektrum für jede Pixelzuteilung des Eichfilters 142 gemessen. Das Bezugsspektrum wird gemessen, indem der Eichfilter 142 mit zwei Schwarzkörpertemperaturen BB₁(t₁) und BB₂(t₂) bestrahlt wird, die unter Verwendung des Kippspiegels 144 sequenziell ausgewählt werden. Das Stellen des Kippspiegels 144 in eine erste Position mit dem Eichfilter 142 in dem Lichtweg stellt die korrekte Spektralflussverteilung für eine Schwarzkörperquelle mit der Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) bereit. Wenn der Eichfilter 142 von einer Bezugsschwarzkörperquelle mit einer Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) bestrahlt wird, ist das Ansprechbezugsspektrum für jede Pixelzuteilung RPCFl(t1) (1)wobei l eine Pixelzuteilung für jedes Spektralband in dem Eichfilter 142 darstellt. Jede Pixelzuteilung wird in der spektralen Domäne definiert, und im vorliegenden Beispiel weist jedes Pixel eine endliche Spektralbreite von 16,67 nm auf und l = 1, ..., 185. Das Stellen des Kippspiegels 144 in eine zweite Position mit dem Eichfilter 142 in dem Lichtweg stellt die korrekte Spektralflussverteilung für eine Schwarzkörperquelle mit der Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) bereit. Wenn der Eichfilter 142 von einer Bezugsschwarzkörperquelle mit einer Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) bestrahlt wird, ist das Ansprechbezugsspektrum für jede Pixelzuteilung RPCFl(t2) (2)
Es werden auch Messungen für die Bezugsschwarzkörperquelle mit den Temperaturen t₁ und t₂ ohne den Eichfilter 142 erhalten. Der Kippspiegel 144 wird ohne den Eichfilter 142 für die Schwarzkörperquelle mit der Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) in die erste Position gestellt. Die Ansprechantwort für die Bezugsschwarzkörperquelle mit der Temperatur t₁ beträgt RPBBl(t1) (3)
Der Kippspiegel 144 wird ohne den Eichfilter 142 für die Schwarzkörperquelle mit der Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) in die zweite Position gestellt. Die Ansprechantwort für die Bezugsschwarzkörperquelle mit der Temperatur t₂ beträgt RPBBl(t2) (4)
Verschiedene Sätze von Daten werden während der Messung der Bezugsspektrumspixelzuteilung zur Erstellung eines Gesamtdurchschnitts erfasst. Zum Beispiel werden bei einer Ausführungsform 128 aufeinander folgende spektrale Sätze für RPCF_l(t₁), RPCF_l(t₂), RPBB_l(t₁) und RPBB_l(t₂) erfasst und ihr Gesamtdurchschnitt wird erstellt. Die entsprechenden Gesamtdurchschnitte der Funktionen sind ERPCF_l(t₁), ERPCF_l(t₂), ERPBB_l(t₁) bzw. ERPBB_l(t₂). Das Erstellen von Gesamtdurchschnitten reduziert Rauschen im Messsystem, das sich möglicherweise ergeben hat.
In dem Schritt 206 wird Hintergrundstrahlung aufgrund von spektraler spezifischer Ausstrahlung des Filters und des Schwarzkörpers entfernt, um ein geglättetes spektrales Transmissionsprofil des Eichfilters 142 zu produzieren. Die Hintergrundstrahlung wird unter Verwendung einer Spektrumsdifferenzfunktion und einer Schwarzkörperdifferenzfunktion entfernt. Die Spektrumsdifferenzfunktion des Filters zieht das Ansprechbezugsspektrum für die zwei Schwarzkörpertemperaturen ab. Die Spektrumsdifferenzfunktion des Filters ist DRPCFl = ERPCFl(t1) – ERPCFl(t2) (5)
Die Schwarzkörperdifferenzfunktion ist die Differenz zwischen den Ansprechantworten für die Bezugsschwarzkörperquellen mit den zwei Temperaturen t₁ und t₂. Die Bezugsschwarzkörperdifferenzfunktion ist RBBDFl = ERPBBl(t1) – ERPBBl(t2) (6)
3 ist ein Graph 300, der beispielhafte Spektralkanaleichfiltermessungen für einen Polystyrol-Filter SRM 1921a unter Nutzung zweier Schwarzkörperquellen (BB₁(t₁) and BB₂(t₂)) veranschaulicht. Eine y-Achse 302 des Graphen 300 stellt die spektrale Strahldichte (μflick) dar und eine x-Achse 304 stellt die Wellenlänge (μm) dar. Eine erste Auftragung 306 stellt das Bezugsspektrum des Eichfilters 142, der von der Bezugsschwarzkörperquelle mit der Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) bestrahlt wird, dar. Die Temperatur t₁ beträgt 300 Kelvin (K). Eine zweite Auftragung 308 stellt das Bezugsspektrum des Eichfilters 142, der von der Bezugsschwarzkörperquelle mit der Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) bestrahlt wird, dar. Die Temperatur t₂ beträgt 280 K. Eine dritte Auftragung 310 stellt die Spektrumsdifferenzfunktion für das Bezugsspektrum des Eichfilters 142, der von den Bezugsschwarzkörpern mit den Temperaturen t₁ und t₂ (BB₁(t₁) und BB₂(t₂)) bestrahlt wird, dar.
Wieder mit Bezug auf 2 wird in dem Schritt 208 die spektrale Bezugstransmissionsfunktion für den Eichfilter 142 bestimmt. Die spektrale Bezugstransmissionsfunktion ist gleich der Spektrumsdifferenzfunktion geteilt durch die Schwarzkörperdifferenzfunktion. RPl(ref) = DRPCFl/RBBDFl (7)
Eichfilterdaten für den Filter SRM 1921a, zur Verfügung gestellt von NIST, werden mit der spektralen Bezugstransmissionsfunktion RP_l(ref) verglichen. Unter Verwendung der von NIST zur Verfügung gestellten Eichfilterdaten werden jedem der spektralen Pixelkanäle Wellenlängenbänder zugeteilt. 4 ist ein Graph 400 einer beispielhaften Transmissionsfunktion eines Spektralkanalfilters für den Polystyrol-Filter SRM 1921a. Eine y-Achse 402 des Graphen 400 zeigt eine spektrale Transmission an und eine x-Achse 404 zeigt eine Wellenlänge (μm) an. Wie in dem Graphen 400 gezeigt, stellt der Eichfilter 142 ein Profil 406 stabiler spektraler Transmissionsbänder über eine beispielhafte Spanne von 8 bis 11 μm bereit. Der Eichfilter 142 zeigt über das erforderliche Spektralgebiet mehrere spektrale Transmissionsbänder 408–420 an. Jedes Transmissionsband 408–420 weist eine spektrale Transmissionsbandbreite von mindestens 50 nm bei FWHM (volle Breite, halbes Maximum) auf. Die spektralen Transmissionsbänder 408–420 sind gegenüber einer thermischen Drift über eine Umgebungstemperatur von 0 bis 50 °C unempfindlich.
Wieder mit Bezug auf 2 wird in dem Schritt 210 eine erste Ableitungsfunktion für jede Bezugspixelzuteilung der spektralen Transmissionsfunktion bestimmt. Die diskrete erste Ableitungsfunktion ist dRPl = ΔRPl/Δλl = (RPl+i – RPl)/(λl+1 – λl) (8)wobei ΔRP_l die Änderung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion zwischen Pixeln ist und Δλ_l die Änderung der Wellenlänge zwischen Pixeln ist.
Die erste Ableitungsfunktion dRP_l wird dann normiert. Der erste Schritt des Normierungsprozesses eliminiert alle negativen Werte der ersten Ableitungsfunktion dRP_l, indem jedem diskreten Wert der ersten Ableitungsfunktion ein positiver Wert hinzugefügt wird (unten als dRP_l(positiv) gezeigt). Der Betrag des positiven Wertes ist gleich dem Betrag des größten negativen Wertes der ersten Ableitungsfunktion dRP_l. Der normierte Wert der ersten Ableitungsfunktion dRP_l(normiert) wird erhalten, indem die resultierenden diskreten Werte von dRP_l(positiv) durch den maximalen positiven Wert von dRP_l(positiv) geteilt werden, um es zu ermöglichen, dass der größte Wert der normierten ersten Ableitungsfunktion gleich eins (1) ist. dRPl(positiv) = (dRPl + BETR(größter negativer Wert(dRPl))) (9) dRPl(normiert) = dRPl(positiv)/(maximaler Wert (dRPl(positiv)) (10)
Um die volle Empfindlichkeit gegenüber der spektralen Drift, die für hyperspektrale Abbildungsanwendungen erforderlich ist, zu implementieren, wird die normierte erste Ableitungsfunktion weiter abgetastet. Sieben örtliche Minima der normierten ersten Ableitungsfunktion dRP_l(normiert) werden bestimmt. Die sieben örtlichen Minima basieren auf der Funktion des Filters SRM 1921a. Die sieben örtlichen Minima sind mit ansteigenden Werten von 1 bis 7 gekennzeichnet, wobei die Kennzeichnung 1 der kürzesten Wellenlänge zugeteilt wird und die Kennzeichnung 7 der längsten Wellenlänge zugeteilt wird. Eine Aufzeichnungslänge für jedes der sieben örtlichen Minima der normierten ersten Ableitungsfunktion (dRP_l(normiert)) wird abgeschnitten. Das Abschneiden der Aufzeichnungslänge wird unter Verwendung von sieben Segmenten durchgeführt. Jedes Segment wird auf den Pixelort des örtlichen Minimums zentriert. Die Länge jedes Segmentes wird gleich +/- N(Z) + 1 gesetzt, wobei N gleich der Zahl der Pixel auf beiden Seiten der örtlichen Minima ist und Z als Spektralbandzone für jedes Segment (1, ..., 7) der normierten ersten Ableitungsfunktion (dRP_l(normiert)) bezeichnet wird.
In dem Schritt 212 wird die normierte erste Bezugsableitungsfunktion in Spektralbandbereiche geteilt und mit +/- N Pixeln auf beiden Seiten der örtlichen Minima abgeschnitten. Der Wert von N wird ausgewählt, um die Empfindlichkeit des Erkennungsalgorithmus gegenüber Änderung zu optimieren, während die Grenze des Betrags der spektralen Verschiebung ausgedehnt wird. Das Spektralband pro Pixel wird durch die optische Geometrie der Brennweite des Systems und der Detektorgröße, zusammen mit dem Entwurf der spektralen Dispersionsrate des Systems zur hyperspektralen Abbildung definiert. Bei einer Ausführungsform ist N = +/- 10 Pixel für jede der sieben Zonen, wobei ein Pixel äquivalent zu 16,67 nm ist.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann sich der Wert von N gemäß der Spektralbandzone ändern. Bei einer Ausführungsform, bei der sich ein gewisser Wert von N für einige der Zonen als empfindlich, jedoch für andere Zonen als unempfindlich herausstellt, kann der Wert von N für diejenigen Zonen geändert werden, für die er sich als unempfindlich herausgestellt hat. Zum Beispiel zeigt ein Wert von N = +/- 10 Pixel bei einer Ausführungsform eine gute Empfindlichkeit für die Zonen 1, 3, 4, 5 und 7, aber nicht für die Zonen 2 und 6. Um allen sieben Zonen eine gute Empfindlichkeit bereitzustellen, wird N somit für die Zonen 1, 3, 4, 5 und 7 gleich +/- 10 gesetzt, und für die Zonen 2 und 6 beträgt N weniger als 7. Ein Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en) wüsste, dass andere Werte von N auf der Basis der Parameter des Systems zur hyperspektralen Abbildung verwendet werden könnten, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In dem Schritt 214 werden die spektrale Bezugstransmissionsfunktion und die ersten Ableitungsfunktionen der spektralen Bezugstransmissionsfunktion als Bezugssignale gespeichert. Der Prozess endet mit dem Schritt 216.
Erzeugung der Verweistabelle
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen einer Verweistabelle für die Erkennung einer spektralen Drift in Systemen zur hyperspektralen Abbildung beschreibt. Die Verweistabelle wird unter Verwendung der ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion für jedes Spektralband des Eichfilters 142 erzeugt. Der Prozess beginnt mit dem Schritt 502 und schreitet unmittelbar zu dem Schritt 504 fort.
In dem Schritt 504 beginnt der Prozess für jedes Spektralband. Zum Beispiel weist der Polystyrol-Filter SRM 1921a sieben prominente Bänder auf, in denen sich ein örtliches Minimum ergibt (siehe 4). Dies macht es erforderlich, dass der Prozess, der mit dem Schritt 504 anfängt, siebenmal wiederholt wird.
In dem Schritt 506 beginnt der Prozess für jede vordefinierte Pixelverschiebung innerhalb jedes Filterbandes. Wenn die Verweistabelle zum Beispiel Ergebnisse für Pixelverschiebungen von ½ bereitstellt, wird der Prozess für jede ½-Pixelverschiebung innerhalb des Filterbandes wiederholt.
In dem Schritt 508 wird die erste Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion um eine bekannte Pixelmenge verschoben. Die erste Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion wird sowohl in eine positive als auch in eine negative Richtung verschoben, um den Betrag und die Richtung der spektralen Drift zu erhalten.
In dem Schritt 510 wird ein Differenzwert bestimmt, indem die Differenz zwischen der verschobenen ersten Ableitungsfunktion und der nicht verschobenen ersten Ableitungsfunktion genommen wird.
In dem Schritt 512 werden der Differenzwert zusammen mit der bekannten Pixelverschiebung in der Verweistabelle gespeichert. Der Prozess kehrt zu dem Schritt 506 zurück, um die Verweistabelle für das gegenwärtige Filterband durch das rekursive Wiederholen der Schritte 506 bis 512 zu vervollständigen. Bei Vervollständigung der Verweistabelle für das gegenwärtige Filterband kehrt der Prozess zu dem Schritt 504 zurück, um den Prozess für das nächste Filterband durch das rekursive Wiederholen der Schritte 504 bis 512 zu beginnen. Bei Vervollständigung des letzten Filterbandes schreitet der Prozess zu dem Schritt 514 fort.
In dem Schritt 514 wird die Verweistabelle in einem Speicher gespeichert. Der Prozess endet mit dem Schritt 516.
6 ist ein Graph 600, der die Funktionsauftragungen einer beispielhaften Verweistabelle für Spektralkanaldrift für jedes der definierten Filterbänder des Polystyrol-Eichfilters SRM 1921a veranschaulicht. Eine y-Achse 602 zeigt den Betrag der Verweistabelle oder den Differenzwert an und eine x-Achse 604 zeigt die Anzahl Pixel der Drift an. Die Anzahl Pixel der Drift wird von –5 bis +5 in Inkrementen von ½ angezeigt. Eine erste Auftragung 606 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 408 an. Eine zweite Auftragung 608 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 410 an. Eine dritte Auftragung 610 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 412 an. Eine vierte Auftragung 612 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 414 an. Eine fünfte Auftragung 614 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 416 an. Eine sechste Auftragung 616 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 418 an. Und eine siebte Auftragung 618 zeigt den Differenzwert für eine gegebene Pixeldrift für das Filterband 420 an.
Vor-Ort-Messungen und Analyse
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 700 zum Erzeugen von gemessenen Signalen während des Vor-Ort-Testens des Eichfilters 142 beschreibt. Das Verfahren 700 ist dem Verfahren 200 sehr ähnlich, ausgenommen, dass die gemessenen Signale von Vor-Ort-Messungen des Eichfilters 142 erzeugt werden. Der Prozess beginnt mit dem Schritt 702 und schreitet unmittelbar zu dem Schritt 704 fort.
In dem Schritt 704 wird das Vor-Ort-Spektrum für jede Pixelzuteilung des Eichfilters 142 gemessen. Das Vor-Ort-Spektrum wird gemessen, indem der Eichfilter 142 mit zwei Schwarzkörpertemperaturen BB₁(t₁) und BB₂(t₂) bestrahlt wird, die unter Verwendung des Kippspiegels 144 sequenziell ausgewählt werden. Der Kippspiegel 144 ist ein tatsächlicher Spiegel, der während der Eichung in den Lichtweg des Systems zur hyperspektralen Abbildung gekippt wird, um es zu ermöglichen, dass die Brennebene des Systems die Schwarzkörper (BB₁(t₁) und BB₂(t₂)) und den Spektralfilter 142 in dem Lichtweg sieht. Der Kippspiegel 144 wird während der eigentlichen Abbildung aus dem Lichtweg gekippt. Wenn der Eichfilter 142 von einer Schwarzkörperquelle an Bord mit einer Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) bestrahlt wird, ist das Ansprechspektrum für jede Pixelzuteilung MPCFl(t1) (11)wobei l eine Pixelzuteilung für jedes Spektralband 408–420 des Eichfilters 142 darstellt. Wie zuvor festgestellt, weist in dem vorliegenden Beispiel jedes Pixel eine endliche Spektralbreite von 16,67 nm auf und l = 1, ..., 185. Wenn der Eichfilter 142 von der Schwarzkörperquelle an Bord mit der Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) bestrahlt wird, ist das Ansprechspektrum für jede Pixelzuteilung MPCFl(t2) (12)
Messungen wurden auch für den Schwarzkörper an Bord mit der Temperatur t₁ und t₂ (BB₁(t₁) und BB₂(t₂)) ohne den Eichfilter 142 erhalten. Die Ansprechantwort für die Schwarzkörperquelle an Bord mit der Temperatur t₁ (BB₁(t₁)) ist MPBBl(t1) (13)
Die Ansprechantwort für die Schwarzkörperquelle an Bord mit der Temperatur t₂ (BB₂(t₂)) ist MPBBl(t2) (14)
Verschiedene Sätze von Daten werden zu äquivalenten Satzzeiten gesammelt. Zum Beispiel werden 128 Sätze von Daten für die Schwarzkörperquelle an Bord mit t₁ (BB₁(t₁)) gesammelt, und dann werden 128 Sätze von Daten für die Schwarzkörperquelle an Bord mit t₂ (BB₂(t₂)) gesammelt. Die Filterverweilzeit für 128 Sätze ist gleich 1,1 × 128 × Satzzeit. Die Spanne der Satzzeit kann von 2,5 ms bis 9 ms variieren, je nach den Flugparametern der Höhe, Geschwindigkeit über Grund und Wegphänomenen. Obwohl Werte für die Zahl der Sätze, Satzzeiten und Filterverweilzeit als 128, 2,5 bis 9 ms bzw. 1,1 × 128 × Satzzeit gegeben sind, wüsste der Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en), dass andere Werte für die Zahl an Sätzen, Satzzeiten und Filterverweilzeit verwendet werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Für jeden Schwarzkörper oder jede Kombination aus Schwarzkörper und Filter wird der Gesamtdurchschnitt der Satzdaten erstellt. Zum Beispiel werden bei einer Ausführungsform 128 aufeinander folgende spektrale Sätze für MPCF_l(t₁), MPCF_l(t₂), MPBB_l(t₁) und MPBB_l(t₂) erfasst, und ihr Gesamtdurchschnitt wird erstellt. Die entsprechenden Gesamtdurchschnitte der Funktionen sind EMPCF_l(t1), EMPCF_l(t₂), EMPBB_l(t₁) und EMPBB_l(t₂). Das Erstellen von Gesamtdurchschnitten reduziert jegliches Rauschen, das sich möglicherweise von dem Messsystem ergeben hat.
In dem Schritt 706 wird die Hintergrundstrahlung entfernt, um ein geglättetes spektrales Transmissionsprofil des Eichfilters 142 zu produzieren. Die Hintergrundstrahlung wird unter Verwendung einer spektralen Differenzfunktion und einer Schwarzkörperdifferenzfunktion entfernt. Die Verwendung zweier Schwarzkörpertemperaturen ermöglicht die Subtraktion der spektralen Strahldichte des Filters, wodurch sich eine reine Transmissionsfunktion ergibt. Die spektrale Differenzfunktion ist DMPCFl = EMPCFl(t1) – EMPCFl(t2) (15)
Die Schwarzkörperdifferenzfunktion ist die Differenz zwischen den Ansprechantworten für die Schwarzkörper an Bord mit den zwei Temperaturen t₁ und t₂. Die Schwarzkörperdifferenzfunktion ist MBBDFl = EMPBBl(t1) – EMPBBl(t2) (16)
In dem Schritt 708 wird die an Bord gemessene Transmissionsfunktion für den Eichfilter 142 für jede Pixelzuteilung bestimmt. Die an Bord gemessene Transmissionsfunktion ist gleich der gemessenen spektralen Differenzfunktion geteilt durch die gemessene Schwarzkörperdifferenzfunktion. MPl(ref) = DMPCFl/MBBDFl (17)
In dem Schritt 710 wird eine erste Ableitungsfunktion für die gemessene Transmissionsfunktion für jede Pixelzuteilung bestimmt. Die diskrete erste Ableitungsfunktion ist dMPl = ΔMPl/Δλl = (MPl+1 – MPl)/(λl+1 – λl) (18)wobei ΔMP_l die Änderung der gemessenen Transmissionsfunktion zwischen Pixeln ist und Δλ_l die Änderung der Wellenlänge zwischen Pixeln ist. Die erste Ableitungsfunktion wird verwendet, um eine Funktion mit nicht symmetrischem Profil zu generieren, während die genauen Absorptionsbandinformationen beibehalten werden.
Die erste Ableitungsfunktion (dMP_l) wird dann normiert, indem als Erstes jedem diskreten Wert ein positiver Wert hinzugefügt wird, um alle negativen Werte der ersten Ableitungsfunktion zu eliminieren (unten in Gleichung (19) als dMP_l(positiv) gezeigt). Der Betrag des positiven Wertes ist gleich dem Betrag des größten negativen Wertes der ersten Ableitungsfunktion dMP_l. Dann wird die normierte erste Ableitungsfunktion dMP_l(normiert) erhalten, indem die resultierenden diskreten Werte von dMP_l(positiv) durch den maximalen positiven Wert von dMP_l(positiv) geteilt werden, wie in Gleichung (20) gezeigt. dMPl(positiv) = (dMPl + BETRl(größter negativer Wert(dMPl))) (19) dMPl(normiert) = dMPl(positiv)/(maximaler Wert (dMPl(positiv)) (20)
Um die volle Empfindlichkeit gegenüber der spektralen Drift, die für hyperspektrale Abbildungsanwendungen erforderlich ist, zu implementieren, wird die normierte erste Ableitungsfunktion weiter abgetastet. Bei einer Ausführungsform werden sieben örtliche Minima für die normierte erste Ableitungsfunktion bestimmt. Die sieben örtlichen Minima basieren auf der Funktion des Filters SRM 1921a. Die sieben örtlichen Minima sind mit ansteigenden Werten von 1 bis 7 gekennzeichnet, wobei die Kennzeichnung 1 der kürzesten Wellenlänge zugeteilt wird und die Kennzeichnung 7 der längsten Wellenlänge zugeteilt wird. Eine Aufzeichnungslänge für jedes der sieben örtlichen Minima der normierten ersten Ableitungsfunktion wird abgeschnitten. Das Abschneiden der Aufzeichnungslänge wird unter Verwendung von sieben Segmenten durchgeführt. Jedes Segment wird auf den Pixelort des örtlichen Minimums zentriert. Jedes Segment wird gleich +/-N(Z) + 1 gesetzt, wobei N gleich der Zahl der Pixel auf beiden Seiten der örtlichen Minima ist und Z als Spektralbandzone für jedes Segment (1, ..., 7) der normierten ersten Ableitungsfunktion (dMP_l(normiert)) bezeichnet wird.
In dem Schritt 712 wird die gemessene erste Ableitungsfunktion in Spektralbandbereiche aufgeteilt und mit +/- N Pixeln auf beiden Seiten der örtlichen Minima abgeschnitten. Der Wert von N wird ausgewählt, um die Empfindlichkeit des Erkennungsalgorithmus gegenüber Änderung zu optimieren, während die Grenze des Betrags der spektralen Verschiebung ausgedehnt wird. Das Spektralband pro Pixel wird durch die optische Geometrie der Brennweite des Systems und der Detektorgröße, zusammen mit dem Entwurf der spektralen Dispersionsrate des Systems zur hyperspektralen Abbildung definiert. Bei einer Ausführungsform ist N = +/- 10 Pixel für alle sieben Zonen, wobei ein Pixel äquivalent zu 16,67 nm ist.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann sich der Wert von N in Bezug auf die Spektralbandzone ändern. Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform, in der sich ein gewisser Wert von N für einige der Zonen als empfindlich, jedoch für andere Zonen als unempfindlich herausstellt, der Wert von N für diejenigen Zonen geändert werden, die sich als unempfindlich für diesen Wert von N herausgestellt haben. Ein Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en) wüsste, dass andere Spektralband-pro-Pixelgrößen auf der Basis der Parameter des Systems zur hyperspektralen Abbildung verwendet werden könnten, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In dem Schritt 714 werden die gemessene spektrale Transmissionsfunktion für jede Pixelzuteilung und die ersten Ableitungsfunktionen der gemessenen spektralen Transmissionsfunktion als gemessene Signale gespeichert. Der Prozess endet mit dem Schritt 716.
8 ist ein Graph 800, der eine beispielhafte erste Ableitungsansprechantwort der gemessenen Eichfiltertransmissionsfunktion veranschaulicht. Der Graph 800 beinhaltet eine y-Achse 802, die eine normierte erste Ableitungsansprechantwort der gemessenen Eichfiltertransmission anzeigt, eine x-Achse 804, die eine Wellenlänge (μm) anzeigt, und eine Auftragung der normierten ersten Ableitungsansprechantwort der gemessenen Eichfiltertransmissionsfunktion 806. Die Auftragung 806 identifiziert jedes Filterband 808–820 des Eichfilters 142. Es ist zu beachten, dass die Filterbänder um die örtlichen Minima des Spektrums zentriert sind.
Bestimmen des Betrags und der Richtung der spektralen Drift
Wieder mit Bezug auf 1C, Schritt 110, bringt die Differenzanalyse zwischen den gemessenen Signalen und den Bezugssignalen die Bestimmung eines Wertes PSM_B(k) des Betrags der Pixelverschiebung mit sich, welcher die Summe der Differenzen zwischen der gemessenen ersten Ableitungsfunktion und der ersten Bezugsableitungsfunktion von einer Anfangspunktpixelzahl zu einer Endpunktpixelzahl ist. PSMB(k) = Σ(dMPl(k) – dRPl(k)), von l = n bis n + 20 (21)wobei n = Anfangspunktpixelzahl für Band k; n + 20 = Endpunktpixelzahl für Band k; und k = 1, 2, 3, ..., 7 für jede der sieben signifikanten Bandzonen des Eichfilters 142. Spektrale Verschiebungen werden bis zu innerhalb ½ Pixel erkannt. Sobald der Wert des Betrags der Pixelverschiebung bestimmt worden ist, schreitet der Prozess zu dem Schritt 112 fort.
In dem Schritt 112 ist der Wert des Betrags der Pixelverschiebung der Differenzwert, der auf die Verweistabelle angewendet wird, um den Betrag und die Richtung der Pixeldrift zu bestimmen. Zum Beispiel wäre, wieder unter Bezug auf 6, die Pixeldrift –5, wenn der Wert des Betrags der Pixelverschiebung oder der Differenz für Band 1 0,7 ist.
Der Betrag und die Richtung der Pixeldrift werden verwendet, um für jedes Pixel des entsprechenden Bandes zum Korrigieren der Pixeldrift neue Spektralkanalzuteilungen zu erzeugen. Interpolationsverfahren werden verwendet, um die dazwischen liegenden Werte zu bestimmen.
Obwohl die vorliegende Erfindung als den Filter SRM 1921a verwendend beschrieben worden ist, können andere Filter, die mehr oder weniger Filterbänder und andere Wellenlängen aufweisen, implementiert werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Andere Merkmale der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt auch die Fähigkeit bereit, den Betrag und die Richtung der spektralen Drift für unterschiedliche räumliche Pixel in einem 2D-Brennebenenarray zu messen und zu korrigieren. Die Erfindung stellt Informationen über spektrale Verzerrung und spektrale Krümmung für 2D-Brennebenenarrays bereit. 10 ist ein Schema, das ein beispielhaftes 2D-Brennebenenarray 1000, welches zur hyperspektralen Abbildung verwendet wird, veranschaulicht. Das 2D-Brennebenenarray 1000 beinhaltet Spalten 1002 und Reihen 1004 von Daten. Jede Spalte 1002 stellt spektrale Pixel mit einer Spektrumsbandzuteilung für jedes Pixel j = 1 bis L bereit, wobei L = 185. Jede Reihe 1004 stellt die spektralen Daten für einen einzelnen Spektralkanal für alle räumlichen Pixel i = 1 bis M dar.
Die Geometrie des optischen Systems kann den Betrag und die Richtung der spektralen Drift verzerren. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung, die hier beschrieben werden, messen und korrigieren den Betrag und die Richtung der spektralen Drift für unterschiedliche räumliche Pixel 1 bis M, die die Spalten 1002 des 2D-Arrays 1000 darstellen, um eine derartige Verzerrung zu korrigieren.
Implementierung der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung von Hardware, Software oder einer Kombination daraus implementiert werden, und sie kann in einem oder mehreren Computersystemen oder anderen verarbeitenden Systemen implementiert werden. Bei einer Ausführungsform ist die Erfindung in der Tat auf ein oder mehrere Computersysteme gerichtet, die die hier beschriebene Funktionalität ausführen können. Ein Beispiel einer Implementierung eines Computersystems 900 ist in 9 gezeigt. Verschiedene Ausführungsformen sind in Hinblick auf dieses beispielhafte Computersystem 900 beschrieben. Nach dem Lesen dieser Beschreibung wird es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich sein, wie die Erfindung unter Verwendung anderer Computersysteme und/oder Rechnerstrukturen zu implementieren ist. Das Computersystem 900 umfasst einen oder mehrere Prozessoren, wie etwa einen Prozessor 903. Der Prozessor 903 ist mit einen Kommunikationsbus 902 verbunden.
Das Computersystem 900 umfasst auch einen Hauptspeicher 905, vorzugsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und kann auch einen Sekundärspeicher 910 umfassen. Der Sekundärspeicher 910 kann zum Beispiel ein Festplattenlaufwerk 912 und/oder ein Wechselspeicherlaufwerk 914, das ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein Bildplattenlaufwerk usw. darstellt, umfassen. Das Wechselspeicherlaufwerk 914 liest von einer Wechselspeichereinheit 918 ab und/oder beschreibt sie auf eine wohl bekannte Weise. Die Wechselspeichereinheit 918 stellt eine Diskette, ein Magnetband, eine Bildplatte usw. dar, die/das von dem Wechselspeicherlaufwerk 914 gelesen und beschrieben wird. Wie sich versteht, umfasst die Wechselspeichereinheit 918 ein computernutzbares Speichermedium, auf dem Computersoftware und/oder Daten gespeichert sind.
Bei alternativen Ausführungsformen kann der Sekundärspeicher 910 andere, ähnliche Mittel umfassen, um zu ermöglichen, dass Computerprogramme oder andere Anweisungen in das Computersystem 900 geladen werden. Derartige Mittel können zum Beispiel eine Wechselspeichereinheit 922 und eine Schnittstelle 920 umfassen. Beispiele davon können eine Programmkarte und eine Kassettenschnittstelle (wie etwa die, die bei Videospielgeräten zu finden sind), einen auswechselbaren Speicherchip (wie etwa einen EPROM oder PROM) und zugehörige Buchse, und andere Wechselspeichereinheiten 922 und Schnittstellen 920 umfassen, die es ermöglichen, dass Software und Daten von der Wechselspeichereinheit 922 auf das Computersystem 900 übertragen werden.
Das Computersystem 900 kann auch eine Kommunikationsschnittstelle 924 umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle 924 ermöglicht es, dass Software und Daten zwischen dem Computersystem 900 und Fremdgeräten übertragen werden. Beispiele der Kommunikationsschnittstelle 924 können ein Modem, eine Netzschnittstelle (wie etwa eine Ethernet-Karte), einen Kommunikationsanschluss, einen PCMCIA-Schlitz und -Karte, eine drahtlose LAN-Schnittstelle (LAN = lokales Datennetz) usw. umfassen. Software und Daten, die über die Kommunikationsschnittestelle 924 übertragen werden, liegen in der Form von Signalen 928 vor, die elektronische, elektromagnetische optische oder andere Signale sein können, welche von der Kommunikationsschnittstelle 924 empfangen werden können. Diese Signale 928 werden der Kommunikationsschnittstelle 924 über einen Kommunikationsweg (d. h. Kanal) 926 bereitgestellt. Dieser Kanal 926 trägt die Signale 928 und kann unter Verwendung eines Drahtes oder Kabels, von Glasfasern, einer Telefonleitung, einer Mobiltelefonverbindung, einer drahtlosen Verbindung oder anderer Kommunikationskanäle implementiert werden.
In diesem Dokument bezeichnet der Begriff „Computerprogrammprodukt" die Wechselspeichereinheiten 918, 922 und die Signale 928. Diese Computerprogrammprodukte sind Mittel, um dem Computersystem 900 Software bereitzustellen. Die Erfindung richtet sich auf derartige Computerprogrammprodukte.
Computerprogramme (auch so genannte Computersteuerlogik) werden in dem Hauptspeicher 905 und/oder in dem Sekundärspeicher 910 und/oder in Computerprogrammprodukten gespeichert. Computerprogramme können auch über die Kommunikationsschnittstelle 924 empfangen werden. Wenn derartige Computerprogramme ablaufen gelassen werden, ermöglichen sie es dem Computersystem 900, die Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie hier besprochen, durchzuführen. Insbesondere ermöglichen es die Computerprogramme, wenn sie ablaufen gelassen werden, dass der Prozessor 903 die Merkmale der vorliegenden Erfindung durchführt. Demgemäß stellen derartige Computerprogramme Steuereinheiten des Computersystems 900 dar.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Erfindung unter Verwendung von Software implementiert wird, kann die Software in einem Computerprogrammprodukt gespeichert und unter Verwendung des Wechselspeicherlaufwerks 914, der Festplatte 912 oder der Kommunikationsschnittstelle 924 in das Computersystem 900 geladen werden. Die Steuerlogik (Software) bewirkt, wenn sie von dem Prozessor 903 ablaufen gelassen wird, dass der Prozessor 903 die Funktionen der Erfindung, wie hier beschrieben, durchführt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Erfindung primär in Hardware implementiert, wobei zum Beispiel Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), verwendet werden. Eine Implementierung von einer Hardwarezustandsmaschine oder von Hardwarezustandsmaschinen zum Durchführen der hier beschriebenen Funktionen wird dem Fachmann auf dem/den relevanten Gebiet(en) ersichtlich sein.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird die Erfindung unter Verwendung einer Kombination von sowohl Hardware als auch Software implementiert.
Schlussfolgerung
Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung obenstehend beschrieben worden sind, sollte es sich verstehen, dass sie lediglich als Beispiele präsentiert worden sind und nicht zur Begrenzung. Der Fachmann versteht, dass verschiedene Änderungen an der Form und den Details darin vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Patentansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

Ein Verfahren zum Erkennen einer spektralen Drift in einem System zur hyperspektralen Abbildung, das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Erhalten von Vor-Ort-Messungen einer Ansprechfunktion für einen Eichfilter durch das sequenzielle Bestrahlen des Eichfilters mit zwei Schwarzkörpertemperaturen; (b) Erhalten von Vor-Ort-Messungen einer Ansprechfunktion für die zwei Schwarzkörpertemperaturen ohne den Eichfilter; (c) Bestimmen einer spektralen Transmissionsfunktion unter Verwendung der Ansprechfunktionen aus den Schritten (a) und (b) für den Eichfilter und die zwei Schwarzkörpertemperaturen; (d) Bestimmen einer ersten Ableitungsfunktion der spektralen Transmissionsfunktion; (e) Teilen der ersten Ableitungsfunktion in eine Vielzahl von Spektralbandbereichen, wobei jeder der Spektralbandbereiche +/- N Pixel auf beiden Seiten eines örtlichen Minimums aufweist; (f) Bestimmen eines Wertes des Betrags der Pixelverschiebung für einen der Vielzahl von Spektralbandbereichen; und (g) Anwenden des Wertes des Betrags der Pixelverschiebung auf eine Verweistabelle, um einen Betrag und eine Richtung der spektralen Drift für einen der Vielzahl von Spektralbandbereichen zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte (a) und (b) das Beibehalten der zwei Schwarzkörpertemperaturen auf den Temperaturen t₁ bzw. t₂ beinhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt (a) ferner den Schritt des Erhaltens mehrerer Sätze der Ansprechfunktion des Eichfilters, der sequenziell mit der Schwarzkörpertemperatur t₁ und dem Schwarzkörper bei Temperatur t₂ bestrahlt wird, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei mehrere Sätze von Daten in äquivalenten Satzzeiten gesammelt werden und ihr Gesamtdurchschnitt (Ensemble Average) erstellt wird, um die Ansprechfunktionen in den Schritten (a) und (b) zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Schritt (c) ferner den Schritt des Entfernens von Hintergrundstrahlung aus dem Gesamtdurchschnitt der Ansprechfunktionen zum Produzieren einer spektralen Transmissionsfunktion beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt (c) ferner den Schritt der Normierung der ersten Ableitungsfunktion der spektralen Transmissionsfunktion beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Teilens der ersten Ableitungsfunktion in eine Vielzahl von Spektralbandbereichen die Implementierung einer vollen Empfindlichkeit gegenüber der spektralen Drift ermöglicht, wobei der Wert von N mit jedem der Spektralbandbereiche variiert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt (e) den Schritt des Bestimmens einer Summe der Differenzen zwischen der ersten Ableitungsfunktion und einer spektralen Bezugsableitungsfunktion von einer Anfangspunktpixelzahl zu einer Endpunktpixelzahl für einen der Spektralbandbereiche beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte beinhaltet: Erzeugen neuer Spektralkanalzuteilungen für jedes Pixel des Spektralbandbereichs unter Verwendung des spektralen Betrags und der Richtung der spektralen Drift; und Interpolieren der dazwischen liegenden Werte.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Einführens des Eichfilters, der mit den zwei Schwarzkörpertemperaturen sequenziell bestrahlt wird, in einen Lichtweg des Systems zur hyperspektralen Abbildung unter Verwendung eines Kippspiegels vor dem Erhalten von Vor-Ort-Messungen der Ansprechfunktion für den Eichfilter beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt (c) die folgenden Schritte beinhaltet: Bestimmen einer spektralen Differenzfunktion, wobei die spektrale Differenzfunktion die Differenz zwischen der Ansprechfunktion bei Schwarzkörpertemperatur t₁ und der Ansprechfunktion bei Schwarzkörpertemperatur t₂ ist; Bestimmen einer Schwarzkörperdifferenzfunktion, wobei die Schwarzkörperdifferenzfunktion die Differenz zwischen der Schwarzkörpertemperatur t₁ und der Schwarzkörpertemperatur t₂ ist; und Bestimmen der spektralen Transmissionsfunktion, wobei die spektrale Transmissionsfunktion der Quotient der spektralen Differenzfunktion und der Schwarzkörperdifferenzfunktion ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Wert von N ausgewählt ist, um die Empfindlichkeit des Erkennungsalgorithmus gegenüber Änderung zu optimieren, während eine Grenze des Betrags der spektralen Verschiebung ausgedehnt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für jeden Spektralbandbereich durch eine optische Geometrie, eine Systembrennweite, eine Detektorgröße und einen Entwurf der spektralen Dispersionsrate des Systems zur hyperspektralen Abbildung ein Spektralband pro Pixel definiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Erzeugung der Bezugsableitungsfunktion die folgenden Schritte beinhaltet: (1) Messen mehrerer Sätze eines Bezugsspektrums des Eichfilters, der mit den zwei Schwarzkörpertemperaturen in einer Laborumgebung sequenziell bestrahlt wird; (2) Messen mehrerer Sätze eines Bezugsspektrums der zwei Schwarzkörpertemperaturen in einer Laborumgebung; (3) Erstellen des Gesamtdurchschnitts der Bezugsspektren aus den Schritten (1) und (2); (4) Entfernen von Hintergrundstrahlung aus dem Gesamtdurchschnitt der Bezugsfunktionen, um eine spektrale Bezugstransmissionsfunktion zu produzieren; und (5) Bestimmen einer ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Schritt (5) ferner den Schritt der Normierung der ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Erzeugens der Verweistabelle aus der ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion vor dem Durchführen von Schritt (g) beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Schritt des Erzeugens der Verweistabelle die folgenden Schritte beinhaltet: (1) Verschieben der ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion um einen vorbestimmten Verschiebewert in eine positive und eine negative Richtung, um eine positive und negative verschobene Ableitungsfunktion zu erzeugen; (2) Bestimmen der Differenz zwischen der positiven und negativen verschobenen ersten Ableitungsfunktion und der ersten Ableitung der spektralen Bezugstransmissionsfunktion, um Werte des Betrags der Pixelverschiebung in der positiven bzw. der negativen Richtung zu erzeugen; (3) Speichern der Werte des Betrags der Pixelverschiebung und des entsprechenden vorbestimmten Verschiebewertes in der Verweistabelle; und (4) Wiederholen der Schritte (1) bis (3) unter Verwendung eines neuen vorbestimmten Verschiebewertes, bis das Spektralband abgedeckt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das ferner den Schritt des iterativen Wiederholens der Schritte (1) bis (4) für ein anderes Spektralband beinhaltet, bis jedes der Spektralbänder abgedeckt ist.
Ein Computerprogrammprodukt, das ein computernutzbares Medium beinhaltet, auf dem eine Computerprogrammlogik aufgezeichnet ist, um einen Computer zu befähigen, eine spektrale Drift in einem System zur hyperspektralen Abbildung zu erkennen, wobei die Computerprogrammlogik ein Mittel zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche beinhaltet.