一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法

摘要

本发明公开了一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法，通过采用钨灯与氙灯的组合作为光源，调整两种光源的亮度比例可以得到不同光谱特征的光源，弥补了仅由钨灯做光源时短波波段辐亮度低的不足；并在采集过程中，多次调节钨灯与氙灯的亮度比例，这种调节不需要精确的控制，只保证亮度比有所改变即可，因此可在短时间内完成，分别测试成像光谱仪的响应，并用标准光谱辐射度计进行监测，这种数据采集方式可提供多组光谱特征不同的数据，计算绝对辐射定标系数时便可以从中择优使用；最后，在计算绝对辐射定标系数时，从实验数据中选择成像光谱仪响应最高的一组，定标精度得到保证，计算过程全部由计算机完成，保证了计算效率。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱仪定标技术领域，尤其涉及一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐 射定标方法。

背景技术

成像光谱技术是一种将成像技术与光谱技术相结合的新型遥感技术，可同时实现目 标的空间信息与光谱信息的获取。近年来，成像光谱技术已经成为对地观测和深空探测 的重要手段，涌现出的各种成像光谱系统广泛应用于农牧林生产、矿产资源勘探、海洋 遥感、军事侦察等领域。

推扫色散型成像光谱仪是一种较为常见的成像光谱系统，其原理简洁、性能稳定、 技术发展较为成熟并且取得了很好的应用效果。在结构上均含有狭缝，入射的复色光被 聚焦在狭缝上，棱镜或光栅等色散元件将其色散分成不同波长，并且在面阵探测器上成 像，由探测器测量每一个谱元的强度。狭缝限定了垂直运动轨迹方向的长度，仪器在垂 直于狭缝的方向上运动产生第二维空间数据信息。

在成像光谱仪投入使用之前，需要进行绝对辐射定标，其目的是根据探测器的响应 特征，建立成像光谱系统的响应输出量值与入瞳处所接收的辐射量值之间的对应关系。 对于推扫色散型成像光谱仪，绝对辐射定标的前提是完成光谱定标工作，这是由于绝对 辐射定标工作中将必然使用到某些光谱定标工作所得到的数据，例如探测器每个像元的 光谱响应中心波长和响应带宽等。因此，光谱定标的精度将直接影响绝对辐射定标的精 度，而光谱定标的精度与成像光谱系统的光机结构稳定性有着紧密联系，长期的重力作 用、温湿度的改变、仪器搬运引起的震动、仪器的拆卸和重新安装等都会改变系统的结 构，从而间接影响成像光谱仪的绝对辐射定标精度。为了保证探测精度，需要不定期地 对仪器进行重复定标，而现有定标技术通常需要耗费大量时间。

目前，常用的如下两种定标方法：

1)采用产生均匀单色光的方法，即在紫外、可见及近红外波段采用单色仪与积分球 结合或可调谐激光器与积分球结合的方式，在中远红外采用面源黑体与滤光片相结合的 方法实现，虽采用装置不同，但原理类似。然而，由于推扫色散型成像光谱仪光路中含 有分光系统，当输入光为单色光时，探测器上只有数行像元对其有响应，在图像上体现 为一条白线；因而，成像光谱仪和光谱辐射度计对每个单色光所采集的数据，只可完成 探测器上对此光有响应的数行像元的绝对辐射定标，若要完成所有像元的绝对辐射定 标，需要多次改变单色仪波长进行数据采集和处理。这种方法耗时多、效率低，不适用 于需要经常定标的色散型成像光谱系统。

2)使用复色光源配合大积分球的方法。使用经过计量机构标定过的标准辐射度计标 定积分球，然后使用积分球标定成像光谱仪，此装置中配合积分球使用的复色光源一般 由钨灯提供。由于装置中使用复色光源，此时仪器的输出将是一条明暗不均匀的条带， 条带宽度将覆盖探测器的大部分像元，其明暗特征将与输入光源的光谱特征相关。然 而，该方法中使用的钨灯在短波波段辐亮度较低，且为了防止长波过曝光而损伤探测 器，光源的整体亮度不能无限增加，这样导致短波波段的定标光源难以达到较高亮度等 级，定标精度将难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法，可大大提 高推扫色散型成像光谱仪的定标效率，并确保了绝对辐射定标的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法，该方法包括：

通过调整光源中钨灯氙灯的亮度的比例，再利用成像光谱仪来获得K组组合光源及 其对应的测试信号DN_c(i,j,k)，并与暗噪声DN₀(i,j)相减，获得每一组组合光源的响 应信号值DN(i,j,k)，再利用标准光谱辐射度计获得每一组组合光源的光谱辐亮度值 W(λ,k)；其中，i表示像元所在行序数，j表示像元所在列序数，λ表示波长， k＝1,2,3,...,K；

对于每一像元(i,j)，查找K组组合光源的响应信号值中最高的一组DN(i,j,m)及其 对应的光谱辐亮度值W(λ,m)；根据所述光谱辐亮度值W(λ,m)，利用线性插值法计算 像元(i,j)的光谱响应中心波长λ(i,j)对应的辐亮度值W(λ(i,j),m)，来作为像元(i,j) 接收的标准辐射量值；

将所述像元(i,j)接收的标准辐射量值W(λ(i,j),m)与响应信号值DN(i,j,m)相除 获得像元(i,j)的绝对辐射定标系数c(i,j)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用钨灯与氙灯的组合作为光源，调整两种 光源的亮度比例可以得到不同光谱特征的光源，弥补了仅由钨灯做光源时短波波段辐亮 度低的不足；并在采集过程中，多次调节钨灯与氙灯的亮度比例，这种调节不需要精确 的控制，只保证亮度比有所改变即可，因此可在短时间内完成，分别测试成像光谱仪的 响应，并用光谱辐射度计进行监测，这种数据采集方式可提供多组光谱特征不同的数 据，计算绝对辐射定标系数时便可以从中择优使用；最后，在计算绝对辐射定标系数 时，从实验数据中选择成像光谱仪响应最高的一组，定标精度得到保证，计算过程全部 由计算机完成，保证了计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法的 流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种用于推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标的 装置示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种推扫色散型成像光谱仪的快速绝对辐射定标方法的 流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、通过调整光源中钨灯氙灯的亮度的比例，再利用成像光谱仪来获得K组组 合光源及其对应的测试信号DN_c(i,j,k)，并与暗噪声DN₀(i,j)相减，获得每一组组合 光源的响应信号值DN(i,j,k)，再利用标准光谱辐射度计获得每一组组合光源的光谱辐 亮度值W(λ,k)；其中，i表示像元所在行序数，j表示像元所在列序数，λ表示波长， k＝1,2,3,...,K。

步骤12、对于每一像元(i,j)，查找K组组合光源的响应信号值中最高的一组 DN(i,j,m)及其对应的光谱辐亮度值W(λ,m)；根据所述光谱辐亮度值W(λ,m)，利用 线性插值法计算像元(i,j)的光谱响应中心波长λ(i,j)对应的辐亮度值W(λ(i,j),m)，来 作为像元(i,j)接收的标准辐射量值。

步骤13、将所述像元(i,j)接收的标准辐射量值W(λ(i,j),m)与响应信号值 DN(i,j,m)相除获得像元(i,j)的绝对辐射定标系数c(i,j)。

进一步的，所述暗噪声DN₀(i,j)包括：在暗室环境下，测试像元数为I×J的成像 光谱仪的暗噪声DN₀(i,j)，其中，i＝1,2,3,...,I，j＝1,2,3,...,J。

进一步的，所述获得每一组组合光源的响应信号值DN(i,j,k)表示为：

DN(i,j,k)＝DN_c(i,j,k)－DN₀(i,j)。

进一步的，所述查找像元(i,j)的K组组合光源的响应信号值中最高的一组 DN(i,j,m)表示为：

DN(i,j,m)＝max{DN(i,j,k),k＝1,2,3,...,K}。

进一步的，所述将所述像元(i,j)接收的标准辐射量值W(λ(i,j),m)与响应信号值 DN(i,j,m)相除获得像元(i,j)的绝对辐射定标系数c(i,j)表示为：

$c(i,j)=\frac{W(\lambda (i,j),m)}{\mathrm{DN}(i,j,m)}=\frac{W(\lambda (i,j),m)}{{\mathrm{DN}}_c(i,j,m)-{\mathrm{DN}}_0(i,j)}.$

进一步的，所述成像光谱仪与光谱辐射度计置于一维电动平移台上，且利用一计算 机进行成像光谱仪与光谱辐射度计数据采集与存储，及一维电动平移台的移动控制。

本发明实施例中采用钨灯与氙灯的组合作为光源，调整两种光源的亮度比例可以得 到不同光谱特征的光源，弥补了仅由钨灯做光源时短波波段辐亮度低的不足；并在采集 过程中，多次调节钨灯与氙灯的亮度比例，这种调节不需要精确的控制，只保证亮度比 有所改变即可，因此可在短时间内完成，分别测试成像光谱仪的响应，并用光谱辐射度 计进行监测，这种数据采集方式可提供多组光谱特征不同的数据，计算绝对辐射定标系 数时便可以从中择优使用；最后，在计算绝对辐射定标系数时，从实验数据中选择成像 光谱仪响应最高的一组，定标精度得到保证，计算过程全部由计算机完成，保证了计算 效率。

进一步的，为了便于理解本发明，下面结合附图2做进一步说明。

具体来说，本发明实施例的方案包括三个步骤：搭建定标装置、获取组合光源数 据、绝对辐射定标系数的计算。

1、搭建定标装置。

如图2所示，搭建合适的定标装置的目的是产生合适的定标光源。钨灯在长波波段有 较强辐射，氙灯在可见光短波波段有较强辐射，两种光源的辐射特点互补，因此通过调 节两种光源的亮度比例，可以得到光谱特征不同的光源。使用这种组合形成的复色光， 替代了效率低下的单色光绝对辐射定标方法，同时也弥补了单一钨灯复色光源短波辐射 低的不足，使定标过程不再需要多次更换滤光片。另外，钨灯和氙灯组合光源经过积分 球、大口径平行光管得到大面阵均匀平行光。成像光谱仪、标准光谱辐射度计被安装在 一维电动平移台上，平移台的移动保证成像光谱仪与光谱辐射度计可以分别对准平行光 管，成像光谱仪和光谱辐射度计的数据采集与存储、一维电动平移台的移动均由计算机 控制进行。

2、获取组合光源数据。

本步骤基于利用钨灯与氙灯配合产生定标光源的方法，通过调节钨灯与氙灯亮度比 产生光谱特征不同的复色光，分别测试成像光谱仪的响应，并用光谱辐射度计监测。钨 灯与氙灯亮度比不需要精确控制，而是只需体现出光源的光谱特征不同即可，且不需对 太多组光源进行重复实验，一般选用6-10组即可。因此相对于现有技术，本发明定标实 验简洁易行，可有效提高定标效率。

本发明实施例中K的取值通常为6-10，下面以获得第一组组合光源数据(即k＝1) 为例进行介绍。

1)在暗室环境下，测试像元数为I×J的成像光谱仪的暗噪声DN₀(i,j)，其中，i表 示像元所在行序数且i＝1,2,3,...,I，j表示像元所在列序数且j＝1,2,3,...,J。

2)调整光源中钨灯氙灯的亮度的比例，得到第一组组合光源，即为L1。

3)将成像光谱仪移入光路，获得其测试信号DN_c(i,j,1)，各像元测试信号减去暗噪 声DN₀(i,j)，得到待标定成像光谱仪的响应信号值DN(i,j,1)，即

DN(i,j,1)＝DN_c(i,j,1)－DN₀(i,j)。

4)将标准光谱辐射度计移入光路，得到该组合光源L1的光谱辐亮度值W(λ,1)。

重复上述步骤，可获得K组组合光源的数据。

3、绝对辐射定标系数的计算。

绝对辐射定标系数的计算对探测器的每个像元单独进行，但是计算方法相同。上述 步骤2中完成对K组不同光谱特征光源的响应测试，因此对每个像元都有K组定标数据。 对于目标像元：首先在K组定标数据中挑选响应值最高的一组数据，再查找此组定标数 据对应光源的光谱辐亮度(光谱辐射度计所测数据)，最后根据挑选出的数据计算绝对 辐射定标系数。这种计算方法可以保证每个像元都使用较高亮度的光源进行定标，从而 保证了绝对辐射定标精度。

具体来说，在绝对辐射定标系数的计算过程中，将使用到光谱定标的结果，即探测 器各个像元的光谱响应中心波长λ(i,j)。

探测器每个像元有不同的绝对辐射定标系数，但是计算方法类似，对于每个像元 (i,j)的计算，需要使用的数据有：光谱响应中心波长λ(i,j)、K组组合光源响应信号 DN(i,j,k)及对应的K组组合光源的光谱辐亮度值W(λ,k)。具体的计算方法如下：

本发明实施例中，光谱响应中心波长λ(i,j)是光谱定标得到的数据，经过光谱定 标，每个像元(i,j)都得到唯一固定的光谱响应中心波长，是成像光谱仪的特征数据之 一。而光谱辐亮度值W(λ,k)中的波长λ是光谱辐射度计对光源进行测试的光谱数据的横 坐标，与成像光谱仪无关。可以理解的是，括号内的参数都是变量，例如W(λ,k)中λ为 变量，而括号前的参数是与括号内参数有关的一个常量，例如λ(i,j)在i和j都固定时可得 到一个唯一常量。

1)查找像元(i,j)的K组组合光源的响应信号值中最高的一组DN(i,j,m)，即求：

DN(i,j,m)＝max{DN(i,j,k),k＝1,2,3,...,K}。

2)查找对应的光谱辐亮度值W(λ,m)。

3)根据所述光谱辐亮度值W(λ,m)，利用线性插值法计算像元(i,j)的光谱响应中 心波长λ(i,j)对应的辐亮度值W(λ(i,j),m)，来作为像元(i,j)接收的标准辐射量值。

4)将所述像元(i,j)接收的标准辐射量值W(λ(i,j),m)与响应信号值DN(i,j,m)相 除获得像元(i,j)的绝对辐射定标系数c(i,j)，公式为：

$c(i,j)=\frac{W(\lambda (i,j),m)}{\mathrm{DN}(i,j,m)}=\frac{W(\lambda (i,j),m)}{{\mathrm{DN}}_c(i,j,m)-{\mathrm{DN}}_0(i,j)}.$

重复上述步骤可计算得到其余所有像元的绝对辐射定标系数。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以 通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理 解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一 个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得 一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施 例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。