基于法向映射法的二维光纤光谱弯曲校正

摘要

二维光纤光谱图是天文望远镜系统中的光谱仪的观测结果,由此又经过一系列的后续处理,才能生成普遍意义上的一维光谱.由于光谱仪和CCD相机的光学畸变,使得二维光纤光谱图像普遍出现了弯曲现象,尤其是在光纤两端表现得尤为明显,这个问题一直以来没有很好的解决办法,也没有在任何参考文献中看到相关工作.这种弯曲给后续的抽谱工作造成困扰,处理不好会很大程度上影响波长定标,从而影响一维谱的准确性.给出的一种法向映射法可以对这种二维光纤光谱图的弯曲进行有效的校正.该法把二光纤光谱图中的每一条光纤光谱进行单独处理.首先做预处理抽取每根光纤中心线,然后把该中心线当作光滑曲线求取每个点的法线方向,以整条中心线的某个点(一般是最凸点)为基点作理想竖直线,光纤中心线所有点沿自身法线方向投影到这条竖直线上,从而实现了光纤中心线本身的校直.因光纤宽度在二维光纤光谱图中一般是7个像素,因此将光纤中心线向左向右各依次平移3个像素,分别实现上述流程,即可得到整条光纤光谱的校直结果.该法实施过程中有两个问题需要注意:一个是坐标点的均匀化问题,一个是像素灰度值的精度保持问题.坐标点的均匀化问题是由于在该法中使用了法向映射,从而造成形成后的校直线的点的疏密程度不均匀,这对后续处理不利.解决办法是在实际操作中采用三次样条插值的方法进行直线上点的密度均匀化,保证获得一系列的整数点坐标,以利于后续的处理.而像素灰度值的精度保持问题,在插值计算过程中始终保持像素灰度值的64位高精度数,最终也得到同样精度的结果,避免造成像素值损失.该法实施的最后,还需要进行头尾一致性的截取,把延伸出图像高度范围的像素去掉,仅保留图像范围内的像素点.如果没有这个过程,由于光纤本身是有宽度的,映射出来的直线长短不一,从而给后续处理造成困难.实验完整处理了整幅的二维光纤光谱图,用曲线拟合的方法较好地解决了光纤中心线提取过程中的个别地方的亮度偏差问题,用法向映射法得到了校直后的二维光谱,并做了后续的抽谱对比.在一维谱的抽谱对比中可以看到,校正前后的谱线差值在有弯曲现象存在的光谱两端变化较为明显.这个实验结果证明了该方法对光谱的弯曲情况可以完全改善——在两端的变化较大,在中间的变化很小,这完全符合观测的基本认知.不仅如此,由于像素点的错位和像素值的插值计算,也会造成流量值叠加的效果发生显著变化.因此,通过观察抽谱后的谱线在校正前后的移动情况,验证了对于特征谱线的波长位置的精确获取具有重要影响.本文创造性地设计的二维光纤光谱的自动弯曲校正的方法.