一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法及装置

摘要

本发明公开一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法及装置，其中校正方法包括计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ

说明书

技术领域

本发明涉及光谱成像仪技术领域，尤其涉及一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法及装置。

背景技术

光谱成像技术是20世纪80年代发展起来的一种新型信息获取技术，可以同时获取目标的二维空间 信息和一维光谱信息，在民用和军用领域得到了广泛应用。根据分光方式不同，光谱成像技术可以分为 色散型、干涉型、可调谐滤光片型、计算层析型等。其中色散型光谱成像技术比较成熟，应用也最为广 泛，但由于光学系统装调误差的存在，其谱线弯曲(smile效应)较大，因此，需要对每个像元进行精 确的光谱定标，确定每个像元的工作中心波长和光谱辐射带宽，依据该中心波长矩阵可进行谱线弯曲校 正，从而实现辐射能量采集的一致性。

关于像元工作中心波长的标定通常有两种方法：谱线灯法和单色仪法。由于大多数图像分析系统 处理数据都认为对应一个光谱通道的所有空间像元具有相同的中心波长，谱线弯曲破坏了色散型光谱成 像仪穿轨方向同一行/列不同位置像元光谱辐射能量采集的一致性，所以需要对系统采集到的辐射能量 数据根据无偏离波长数据进行重采样以校正辐射能量的偏差，提高光谱辐射能量的一致性。

目前常用的谱线弯曲校正方法主要是插值法：认为第j个光谱通道第i+m个像元在第i个像元中心波 长λ_j的光谱辐射能量近似值φ_i+m，j可以从第i+m列像元采集到的光谱辐射能量数据中重新构建，即由光 谱曲线上波长λ_j附近的若干离散数据点插值得到。假设第i+m列像元采集到的光谱辐射能量数据为 φ_i+m，1(λ_i+m，1)，φ_i+m，2(λ_i+m，2)，…，φ_i+m，j-1(λ_i+m，j-1)，φ_i+m，j(λ_i+m，j)，φ_i+m，j+1（λ_i+m，j+1)，…， φ_i+m，n-1(λ_i+m，n-1)，φ_i+m，n(λ_i+m，n)其中n为通道数，只需将这些离散数据与一个被称为插值核的有限 长连续冲击响应卷积即可得到第(i+m,j)个像元对应第(i,j)个像元的中心波长λ_j的光谱辐射能量值 φ′_i+m，j(λ_i，j)。该卷积核的具体形式可以是线性、三点二次多项式、四点三次Lagrange、五点四次 Lagrange、三次Hermite和三次样条插值方法等。

插值方法的选择与光谱分辨率有关，不同插值方法在不同的光谱分辨率下其精度不同，所以通用 性不强。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法及装置，提高校正光谱的精 度。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法，包括：

计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离，选择距离最小的位置点s 以及所述位置点对应的中心波长为λ_m，s，在相邻的光谱通道上，选择与所述位置点s相邻的位置点以及 所述相邻的位置点对应的中心波长，其中，m取值为1～N，j取值为1～M，M为穿轨方向的像素个数，N 为沿轨方向的像素个数；

计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离，以及所述相邻的位置 点对应的中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离；

根据上述距离计算结果计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s的反距离权重值，以及所述相邻的位 置点对应的中心波长的反距离权重值；

根据上述反距离权重值计算结果计算所述第m列对应所述无偏离中心波长λ_j的光谱辐射能量值。

一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正装置，包括：

位置确定单元，用于计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离，选择 距离最小的位置点s以及所述位置点对应的中心波长为λ_m，s，在相邻的光谱通道上，选择与所述位置点s 相邻的位置点以及所述相邻的位置点对应的中心波长，其中，m取值为1～N，j取值为1～M，M为穿轨方 向的像素个数，N为沿轨方向的像素个数；

距离确定单元，用于计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离， 以及所述相邻的位置点对应的中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离；

权重确定单元，用于根据上述距离确定单元的计算结果计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s的反 距离权重值，以及所述相邻的位置点对应的中心波长的反距离权重值；

光谱辐射能量确定单元，用于根据权重确定单元的计算结果计算所述第m列对应所述无偏离中心波 长λ_j的光谱辐射能量值。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，通过计算与无偏离中心波长最接近的多个点的距 离，计算这些点对无偏离中心波长的权重贡献，根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新 计算赋值，从而最大程度地保留了相邻波段间的关系，光谱保真性更高，且算法简单，计算速度快。

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为本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法的流程示意图。

图2为本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正装置的构成示意图。

图3为本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法中谱线弯曲示意图。

图4为本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法的应用示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法，包括：

11、计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离，选择距离最小的位置 点s，以及所述位置点对应的中心波长为λ_m，s，在相邻的光谱通道上，选择与所述位置点s相邻的位置点 以及所述相邻的位置点对应的中心波长，其中，m取值为1～N，j取值为1～M，M为穿轨方向的像素个数， N为沿轨方向的像素个数；

12、计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离，以及所述相邻的 位置点对应的中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离；

13、根据上述距离计算结果计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s的反距离权重值，以及所述相邻 的位置点对应的中心波长的反距离权重值；

14、根据上述反距离权重值计算结果计算所述第m列对应所述无偏离中心波长λ_j的光谱辐射能量 值。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，通过计算与无偏离中心波长最接近的若干点的距 离，计算这些点对无偏离中心波长的权重贡献，根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新 计算赋值，从而最大程度地保留了相邻波段间的关系，光谱保真性更高，且算法简单，计算速度快。

本领域技术人员根据现有技术可以理解，计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之 间的欧氏距离的实现方式，在此不作赘述。

本领域技术人员可以理解，计算第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距 离，选择距离最小的位置点，可以假设为s。

本领域技术人员可以理解，本文涉及的欧氏距离均指欧氏距离，本领域技术人员可以理解欧氏距 离，在此不作赘述。

本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法，可以选与无偏离中心波长最接近的点为两个 点、三个点、四个点、五个点等，不做严格限制。

可选的，确定与所述位置点s相邻的位置点可以为：

确定与所述位置点s相邻前位置点s-1，或者，确定与所述位置点s相邻后位置点s+1。

可见，选位置点s附近的1个点，即与无偏离中心波长最接近的点为2个。

可选的，确定与所述位置点s相邻的位置点为：

确定与所述位置点s前后相邻3个位置点；

或者，确定与所述位置点s前后相邻4个位置点。

可见，选位置点s附近的3个点，即与无偏离中心波长最接近的点为4个。

选位置点s附近的4个点，即与无偏离中心波长最接近的点为5个。

考虑到计算精度和计算速度，以三到四个点为佳，以三个点为例：

确定与所述位置点s相邻前位置点s-1以及后位置点s+1；

此时，得到所述前位置点s-1对应的中心波长λ_m,s-1以及所述后位置点s+1对应的中心波长λ_m,s+1；

计算中心波长λ_m,s-1与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离Δ_s-1，中心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离Δ_s，以及中心波长λ_m,s+1与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离Δ_s+1，其中， Δ_s-1＝|λ_m，s-1-λ_j|；Δ_s＝|λ_m，s-λ_j|；Δ_s+1＝|λ_m，s+1-λ_j|；

计算中心波长λ_m,s-1的反距离权重值Q_s-1，中心波长λ_m，s的反距离权重值Q_s，以及中心波长λ_m,s+1的 反距离权重值Q_s+1，其中，$Q_{s-1}=\frac{1/{\Delta }_{s-1}}{1/{\Delta }_{s-1}+1/{\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};Q_s=\frac{1/{\Delta }_s}{1/{\Delta }_{s-1}+1/{\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};$$Q_{s+1}=\frac{1/{\Delta }_{s+1}}{1/{\Delta }_{s-1}+1/{\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};$

计算所述第m列对应所述无偏离中心波长λ_j的光谱辐射能量值φ′_m，j(λ_j)＝φ_m，s-1(λ_m，s-1)·Q_s-1+φ_m，s(λ_m，s)·Q_s+φ_m，s+1（λ_m，s+1)·Q_s+1其中，为色散型光谱成像仪测量得到的对应像素的响应值。

可见，与无偏离中心波长λ_j越接近的光谱通道，其中心波长与λ_j距离越短，与之对应的反距离权重 值则越大，则该波长对计算φ′_m，j(λ_j)的贡献越大，这正好与事实相符。

根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新计算赋值，从而最大程度地保留了相邻波 段间的关系，光谱保真性更高，且算法简单，计算速度快。

如图2所示，对应上述实施例的色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法，本发明实施例提供一种色散 型光谱成像仪谱线弯曲校正装置，包括：

位置确定单元21，用于确定第m列所有光谱通道中心波长与无偏离中心波长λ_j之间距离最近的位置 点s，确定与所述位置点s相邻的位置点，并得到所述位置点s对应的中心波长λ_m，s以及所述相邻的位置 点对应的中心波长，其中，m取值为1～N，j取值为1～M，M为穿轨方向的像素个数，N为沿轨方向的像 素个数；

距离确定单元22，用于计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离， 以及所述相邻的位置点对应的中心波长与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离；

权重确定单元23，用于根据上述距离确定单元22的计算结果计算所述位置点s对应的中心波长λ_m，s的反距离权重值，以及所述相邻的位置点对应的中心波长的反距离权重值；

光谱辐射能量确定单元24，用于根据权重确定单元23的计算结果计算所述第m列对应所述无偏离 中心波长λ_j的光谱辐射能量值。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，通过计算与无偏离中心波长最接近的若干点的距 离，计算这些点对无偏离中心波长的权重贡献，根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新 计算赋值，从而最大程度地保留了相邻波段间的关系，光谱保真性更高，且算法简单，计算速度快。

本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正装置，可以选与无偏离中心波长最接近的点为两个 点、三个点、四个点、五个点等，不做严格限制。

可选的，位置确定单元，具体可以用于：确定与所述位置点s相邻前位置点s-1，或者，确定与所述 位置点s相邻后位置点s+1。

可见，选位置点s附近的1个点，即与无偏离中心波长最接近的点为2个。

可选的，位置确定单元，具体可以用于：确定与所述位置点s前后相邻3个位置点；

或者，确定与所述位置点s前后相邻4个位置点。

可见，选位置点s附近的3个点，即与无偏离中心波长最接近的点为4个。

选位置点s附近的4个点，即与无偏离中心波长最接近的点为5个。

考虑到计算精度和计算速度，以三到四个点为佳，以三个点为例：

位置确定单元21，具体可以用于：确定与所述位置点s相邻前位置点s-1以及后位置点s+1；此时， 得到所述前位置点s-1对应的中心波长λ_m,s-1以及所述后位置点s+1对应的中心波长λ_m,s+1；

距离确定单元22，具体可以用于计算中心波长λ_m,s-1与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离Δ_s-1，中 心波长λ_m，s与无偏离中心波长λ_j之间的欧氏距离Δ_s，以及中心波长λ_m,s+1与无偏离中心波长λ_j之间的欧 氏距离Δ_s+1，其中，Δ_s-1＝|λ_m，s-1-λ_j|；Δ_s＝|λ_m，s-λ_j|；Δ_s+1＝|λ_m，s+1-λ_j|；

权重确定单元23，具体可以用于计算中心波长λ_m,s-1的反距离权重值Q_s-1，中心波长λ_m，s的反距离 权重值Q_s，以及中心波长λ_m,s+1的反距离权重值Q_s+1，其中，$Q_{s-1}=\frac{1/{\Delta }_{s-1}}{1/{\Delta }_{s-1}+1/{\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};$$Q_s=\frac{1/{\Delta }_s}{1/{\Delta }_{s-1}+1/{\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};Q_{s+1}=\frac{1/{\Delta }_{s+1}}{1/{\Delta }_{s-1}+{1/\Delta }_s+1/{\Delta }_{s+1}};$

光谱辐射能量确定单元24，具体可以用于计算所述第m列对应所述无偏离中心波长λ_j的光谱辐射能 量值其中，φ′_m，j(λ_j)＝φ_m，s-1(λ_m，s-1)·Q_s-1+φ_m，s(λ_m，s)·Q_s+φ_m，s+1(λ_m，s+1)·Q_s+1， 为色散型光谱成像仪测量得到的对应像素的响应值。

可见，根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新计算赋值，从而最大程度地保留了 相邻波段间的关系，光谱保真性更高，且算法简单，计算速度快。

如图3所示为色散型光谱成像仪谱线弯曲示意图，探测器大小为M×N，穿轨方向32共有M个像素， 沿轨方向有N个像素，沿轨方向31即为光谱方向。

理想情况下穿轨方向同一行的M个像素对应同一波长位置，假设为λ_j，但实际上由于系统误差及装 调误差的存在，使得穿轨方向同一行不同位置像元的中心波长出现偏差，从而破坏了色散型光谱成像仪 穿轨方向光谱辐射能量采集的一致性，所以需要将其校正到同一光谱位置。

如图4所示，本发明实施例色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法，包括：

40、设置初始值，m＝1，j＝1。

41、计算第m列所有通道中心波长与无偏离中心波长λ_j距离最近的位置点s。

42、找到s点对应的中心波长值λ_m，s，及其前后值λ_m，s-1，λ_m，s+1。

43、计算三个中心波长值与λ_j的欧氏距离Δ_s-1，Δ_s，Δ_s+1。

44、如果Δ_s＝0，那么该波长位置所对应的光谱辐射能量即为无偏离中心波长处对应的能量值，即： φ′_m，j(λ_j)＝φ_m，s(λ_m，s)，转到步骤47，否则转到45-46。

45、由反距离权重法计算三个中心波长所对应的权重值Q_s-1，Q_s，Q_s+1。

46、计算第m列对应波长λ_j的光谱辐射能量值φ′_m，j(λ_j)。

47、判断是否所有通道计算完毕，即j是否等于总的光谱通道数N，如果是则转到48，否则进入49 对j+1，再继续步骤41-46。

48、判断是否所有列计算完毕，即m是否等于穿轨像元数M，如果是则计算完毕，否则进入410对 m+1，再重复步骤41-47。

以上，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。