一种干涉型光谱仪边缘光谱响应衰减补偿方法

摘要

本发明涉及一种干涉型光谱仪边缘光谱响应衰减补偿方法。造成干涉型光谱仪边缘光谱响应衰减的原因是光谱仪输入光谱被快速截断，导致边缘光谱响应较弱，本方法通过模拟仿真方法，在光谱仪光谱范围外，长波段、短波段分别加入一定光谱和相位信息，并生成相应的干涉模拟数据，将模拟数据叠加到光谱仪干涉数据中，生成新的干涉数据，再进行光谱复原和相位校正等处理，这样扩大了光谱仪输入光谱范围，有效补偿边缘光谱响应衰减，使得光谱精度显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种干涉型光谱仪数据处理方法，特别是涉及一种干涉型光 谱仪边缘光谱响应衰减补偿方法。

背景技术

地物光谱信息经过干涉型光谱仪得到干涉信息，干涉信息与光谱信息之 间满足傅立叶变换关系，通过对干涉信息进行傅立叶变换反演即可得到地物 光谱信息。干涉型光谱仪具有纳米级的光谱分辨率，可以获得地物空间信息 和光谱信息组成的光谱立方体信息，可以细致、有效的识别地物，具有极大 的应用价值和广阔的应用前景。

为了得到较大的光谱范围，干涉型光谱仪设计中，仪器中滤光片截断的 光谱范围与光谱仪的输出光谱范围往往基本一致或者差异较小，这样使得光 谱仪边缘光谱受到输入光谱截断的影响，导致了干涉型光谱仪边缘光谱响应 明显减弱，严重影响了光谱两侧边缘的光谱精度。现有干涉型光谱仪数据处 理流程和方法中对边缘光谱响应衰减没有有效的处理方法，导致干涉型光谱 仪边缘光谱精度较低，本文创新的提出了一种干涉型光谱仪边缘光谱响应衰 减补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解决背景技术中的干 涉型光谱仪边缘光谱响应衰减补偿的方法，可以有效补偿光谱仪边缘光谱响 应衰减，提高干涉型光谱仪光谱精度。

本发明的技术解决方案是：

提供一种干涉型光谱仪边缘光谱响应衰减补偿方法，包括如下步骤：

(1)对干涉型光谱仪采集的干涉数据I(i)进行切趾处理，获得切趾后的 干涉数据I_T(i)；

(2)对切趾后的干涉数据I_T(i)进行光谱复原，得到干涉型光谱仪光谱数 据和相位误差数据phase(v)；

(3)对长波段、短波段分别进行边缘光谱补偿，生成模拟干涉数据； 将模拟干涉数据与干涉数据I(i)叠加，得到新的干涉数据I_new(i)；

(4)对新的干涉数据I_new(i)进行切趾处理，获得切趾后的干涉数据I_Tnew(i)；

(5)对切趾后的干涉数据I_Tnew(i)进行光谱复原，得到光谱数据和相位误 差信息，进行相位校正，得到光谱边缘补偿后的干涉型光谱仪光谱数据。

进一步地，步骤(2)中进行光谱复原具体方式为：对切趾后的干涉数 据I_T(i)进行傅立叶变换得到干涉型光谱仪光谱数据B(v)；干涉数据I_T(i)与光 谱数据B(v)满足傅立叶变换关系，如下式所示：

$\left(\begin{array}{c}B\left(v\right)=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{I}_T\left(l\right)\cos \left(2\mathrm{\pi vl}\right)\mathrm{dl}\\ =\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{I}_T\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\pi vl})=\mathrm{FT}\left\{I_T\left(l\right)\right\}\end{array}\right)$

式中：l为相干光束的光程差；

I_T(l)为切趾后的干涉数据；

FT为傅立叶变换；

B(v)为干涉型光谱仪光谱数据。

进一步地，步骤(2)中计算相位误差数据phase(v)的具体方式为：傅立 叶变换后得到干涉型光谱仪光谱数据B(v)频域各个频率点的实部信息Br(v) 和虚部信息Bi(v)，相位误差数据计算方法如下：

$\mathrm{phase}\left(v\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{Bi}\left(v\right)}{\mathrm{Br}\left(v\right)}\right).$

进一步地，步骤(2)中获得相位误差数据phase(v)后，进行插值处理， 根据B(v)和phase(v)，插值得到干涉型光谱仪的光谱数据，包括最大波数点v_max的光谱数据B(v_max)和相位误差phase(v_max)，最小波数点v_min的光谱数据B(v_min)和 相位误差phase(v_min)。

进一步地，步骤(3)中生成模拟干涉数据的具体方式如下：光谱边缘补 偿采用最大波数点v_max的光谱数据B(v_max)和最大波数点v_max的相位误差数据 phase(v_max)替代短波段各频率的光谱数据和相位误差信息，模拟生成短波段 干涉数据Is(l)；采用最小波数点v_mⁱ_n的光谱数据B(v_min)和最小波数点v_mⁱ_n的相位 误差数据phase(v_min)替代长波段各频率的光谱数据和相位误差信息，模拟生成 长波段干涉数据Il(l)；具体公式如下：

$\mathrm{Is}\left(l\right)={\int }_{v_{\max }}^{v_{\max }^{/}}B\left(v_{\max }\right)\cos (2\mathrm{\pi vl}+\mathrm{phase}\left(v_{\max }\right))\mathrm{dv}$

$\mathrm{Il}\left(l\right)={\int }_{v_{\min }^{/}}^{v_{\min }}B\left(v_{\min }\right)\cos (2\mathrm{\pi vl}+\mathrm{phase}\left(v_{\min }\right))\mathrm{dv}$

式中：l为相干光束的光程差；

v为波数；

I(l)为干涉型光谱仪干涉数据；

B(v)为干涉型光谱仪光谱数据；

为模拟生成短波段干涉数据的最大波数值；

为模拟生成长波段干涉数据的最小波数值。

进一步地，步骤(3)中干涉数据叠加的具体步骤为，对模拟生成的短波 段干涉数据Is(l)和长波段干涉数据Il(l)进行离散采样后得到短波段干涉数据 Is(i)和长波段干涉数据Il(i)，将短波段干涉数据Is(i)和长波段干涉数据Il(i)与 干涉数据I(i)相加获得叠加后的干涉数据，公式如下:

I_new(i)＝I(i)+Is(i)+Il(i)

i为离散采样后的干涉数据序号；

I_new(i)为叠加后的干涉数据。

进一步地，对切趾后的干涉数据I_Tnew(i)进行光谱复原为对I_Tnew(i)进行傅立 叶变换，得到光谱实部Br_new(v)和虚部Bi_new(v)，根据如下公式计算相位误差 phase_new(v)：

${\mathrm{phase}}_{\mathrm{new}}\left(v\right)=\arctan \left(\frac{{\mathrm{Bi}}_{\mathrm{new}}\left(v\right)}{{\mathrm{Br}}_{\mathrm{new}}\left(v\right)}\right).$

进一步地，步骤(5)中进行相位校正具体为：采用Mertz法进行相位 校正，最终得到光谱边缘补偿后的干涉型光谱仪光谱数据。

进一步地，步骤(5)中进行相位校正具体为：采用Foaman法进行相 位校正，得到相位校正后的干涉数据，经过Fourier变换，最终得到光谱边 缘补偿后的干涉型光谱仪光谱数据。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明从干涉型光谱仪原理出发，有效解决了干涉型光谱仪边缘 光谱响应衰减技术问题，显著提高了干涉型光谱仪复原光谱精度。

(2)本方法成功的补偿了环境减灾小卫星高光谱成像光谱仪边缘光谱响应 衰减，对提高干涉型光谱仪的光谱精度具有重要意义。

(3)通过模拟仿真方法，在光谱仪光谱范围外，长波段、短波段分别加入 一定光谱和相位信息，并生成相应的干涉模拟数据，将模拟数据叠加到光谱仪 干涉数据中，生成新的干涉数据，再进行光谱复原和相位校正等处理，这样扩 大了光谱仪输入光谱范围，有效补偿边缘光谱响应衰减，使得光谱精度显著提 高。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：

(1)切趾处理

干涉型光谱仪干涉数据I(i)与切趾函数T(i)相乘，如下式所示：

I_T(i)＝I(i)*T(i)(1)

i为干涉数据序号；

I_T(i)为切趾后的干涉数据信息。

(2)光谱复原与求解相位误差信息

1)光谱复原

对切趾后的干涉数据进行傅立叶变换得到干涉型光谱仪光谱数据；干涉 数据与光谱数据满足傅立叶变换关系，如公式(2)所示。

$\left(\begin{array}{c}B\left(v\right)=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{I}_T\left(l\right)\cos \left(2\mathrm{\pi vl}\right)\mathrm{dl}\\ =\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{I}_T\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\pi vl})=\mathrm{FT}\left\{I_T\left(l\right)\right\}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中：l为相干光束的光程差；

I_T(l)为切趾后的干涉数据；

FT傅立叶变换；

B(v)为干涉型光谱仪光谱数据。

2)计算相位误差信息

傅立叶变换后得到频域各个频率点的实部信息Br(v)和虚部信息Bi(v)，相 位误差信息计算方法如下：

$\mathrm{phase}\left(v\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{Bi}\left(v\right)}{\mathrm{Br}\left(v\right)}\right)---\left(3\right)$

3)插值处理

根据B(v)和phase(v)，插值得到干涉型光谱仪最大波数v_max，最小波数v_min的光谱数据B(v_max)，B(v_min)和相位误差信息phase(v_max)，phase(v_min)。

(3)仿真干涉数据，进行光谱边缘补偿

1)仿真模拟

由于无法获取光谱范围之外的光谱数据和相位误差信息数据，但光谱和 相位误差信息具有一定连续性，光谱边缘补偿采用最大波数点光谱B(v_max)和 最大波数点相位误差phase(v_max)替代短波段各频率的光谱数据和相位误差信 息，模拟生成短波段干涉数据Is(l)，模拟短波干涉数据时，应避免出现光谱 混叠；采用最小波数点光谱B(v_min)和最小波数点相位误差phase(v_min)替代长波 段各频率的光谱数据和相位误差信息，模拟生成长波段干涉数据Il(l)。模拟 干涉数据生成公式如下：

$I\left(l\right)=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}B\left(v\right)\cos (2\mathrm{\pi vl}+\mathrm{phase}\left(v\right))\mathrm{dv}---\left(4\right)$

式中：l为相干光束的光程差

v为波数；

I(l)为干涉型光谱仪干涉数据；

B(v)为干涉型光谱仪光谱数据。

$\mathrm{Is}\left(l\right)={\int }_{v_{\max }}^{v_{\max }^{/}}B\left(v_{\max }\right)\cos (2\mathrm{\pi vl}+\mathrm{phase}\left(v_{\max }\right))\mathrm{dv}$

$\mathrm{Il}\left(l\right)={\int }_{v_{\min }^{/}}^{v_{\min }}B\left(v_{\min }\right)\cos (2\mathrm{\pi vl}+\mathrm{phase}\left(v_{\min }\right))\mathrm{dv}$

式中：为模拟生成短波段干涉数据的最大波数值,

其中${10\mathrm{cm}}^{-1}<v_{\max }^{/}-v_{\max }<{1000\mathrm{cm}}^{-1};$

为模拟生成长波段干涉数据的最小波数值,

其中${10\mathrm{cm}}^{-1}<v_{\min }-v_{\min }^{/}<{1000\mathrm{cm}}^{-1}.$

2)干涉信息叠加

模拟生成短波段干涉数据Is(l)和长波段干涉数据Il(l)进行离散采样后 得到波段干涉数据Is(i)和长波段干涉数据Il(i)，将模拟生成的两组干涉数据 与原始干涉数I(i)据相加；

I_new(i)＝I(i)+Is(i)+Il(i)(5)

i为离散采样后的干涉数据序号；

I_new(i)为叠加后的干涉数据信息。

(4)切趾处理

干涉型光谱仪干涉数据I(i)与切趾函数T(i)相乘，如下式所示：

I_Tnew(i)＝I_new(i)*T(i)(6)

i为干涉数据序号；

I_Tnew(i)为切趾后的干涉数据信息。

(5)光谱复原与相位校正

1)光谱复原

对I_Tnew(i)进行傅立叶变换，根据公式(2)得到光谱实部Br_new(v)和虚部信 息Bi_new(v)，根据公式(3)计算相位误差信息phase_new(v)。

2)相位校正

采用Mertz法进行相位校正，最终得到光谱边缘补偿后的干涉型光谱仪 光谱数据。

或采用Foaman法进行相位校正，得到相位校正后的干涉数据信息，经 过Fourier变换，最终得到光谱边缘补偿后的干涉型光谱仪光谱数据。

在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根 据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本 发明所附的权利要求的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。