压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法和装置

摘要

本申请涉及一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法和装置。所述方法包括：在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位，利用单色仪对包含编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测，分别对定标条带位成像观测和编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线，确定定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，确定压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率，根据中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据第一光谱分辨率和第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。采用本方法能够提高光谱定标的准确性。

说明书

技术领域

本申请涉及压缩编码光谱成像技术领域，特别是涉及一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法和装置。

背景技术

压缩编码光谱成像技术是一种新型的计算型光谱成像技术，它可以克服传统光谱成像技术存在系统工程实施难度大、硬件工艺难以实现、海量数据传输压力大、数据冗余量大、数据利用率低等技术瓶颈。

不同于传统的光谱成像系统，压缩编码光谱成像系统的特点是通过编码模板的编码调制获取观测目标光信号的调制观测，并利用图谱重构算法对调制观测数据进行复原，得到目标光谱数据，其具有多通道采样与高通量优势。

光谱定标作为光谱成像系统设计的关键环节，决定着光谱信息被应用的精度。光谱定标指利用单色仪对光学系统进行成像试验，获取每个波长下的光谱图像，然后以像元整个光谱幅值变化曲线为基准，采用拟合或插值等方法确定中心波长位置，然后，取光谱幅值变化曲线半高宽，作为光谱分辨率。

对于压缩编码光谱成像系统来说，由于压缩编码模板的存在，使得其系统光路变得特殊，获取的目标图像都是多谱段混合编码图像，这种编码图像叠加了编码模板自身的信息，没法直接用于光谱定标，需要利用其编码图像的复原光谱进行光谱定标。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决不能直接利用传统光谱定标方法对压缩编码光谱成像系统定标的问题的压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法和装置。

一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法，所述方法包括：

在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位；所述定标条带位具备完全透过光信息的属性所述定标条带位的条带宽对应一个像元，所述定标条带位的条带长对应多个像元；

利用单色仪对包含所述编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测；

根据所述单色仪细分波长的输入顺序，分别对所述定标条带位成像观测和所述编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线；

根据所述定标条带位光谱曲线，确定所述定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据所述压缩编码光谱复原曲线，确定所述压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率；

根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据所述第一光谱分辨率和所述第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

在其中一个实施例中，还包括：在编码模板中左上角第一个编码单元正上方设置定标条带位。

在其中一个实施例中，还包括：根据所述单色仪细分波长的输入顺序，采用预先设置的稀疏重构算法，复原所有细分波长下所述定标条带位成像观测对应的定标条带位光谱曲线和所述编码区域成像观测对应的压缩编码光谱复原曲线。

在其中一个实施例中，还包括：针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下所述定标条带位光谱曲线的响应值，得到第一定标光谱序列；采用高斯拟合所述第一定标光谱序列，得到第一光谱响应曲线；确定所述第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为所述定标条带位的中心波长位置；计算所述第一光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第一光谱分辨率；所述半高宽定义为：所述第一光谱响应曲线中最大值的一半对应的光谱序列横坐标之间的距离。

在其中一个实施例中，还包括：针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下所述压缩编码光谱复原曲线的响应值，得到第二定标光谱序列；采用高斯拟合所述第二定标光谱序列，得到第二光谱响应曲线；确定所述第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为所述压缩编码模板的中心波长位置；计算所述第二光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第二光谱分辨率。

在其中一个实施例中，还包括：根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定为：

L＝0.5*min(L

其中，L表示标定后定标光谱的中心波长，L

λ＝0.5*min(λ

其中，λ表示标定后的光谱分辨率，λ

一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标装置，所述装置包括：

定标条带位设置模块，用于在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位；所述定标条带位具备完全透过光信息的属性；所述定标条带位的条带宽对应一个像元，所述定标条带位的条带长对应多个像元；

观测模块，用于利用单色仪对包含所述编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测；

复原模块，用于根据所述单色仪细分波长的输入顺序，分别对所述定标条带位成像观测和所述编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线；

响应模块，用于根据所述定标条带位光谱曲线，确定所述定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据所述压缩编码光谱复原曲线，确定所述压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率；

标定模块，用于根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据所述第一光谱分辨率和所述第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

在其中一个实施例中，所述定标条带位设置模块还用于在编码模板中左上角第一个编码单元正上方设置定标条带位。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位；所述定标条带位具备完全透过光信息的属性；所述定标条带位的条带宽对应一个像元，所述定标条带位的条带长对应多个像元；

利用单色仪对包含所述编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测；

根据所述单色仪细分波长的输入顺序，分别对所述定标条带位成像观测和所述编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线；

根据所述定标条带位光谱曲线，确定所述定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据所述压缩编码光谱复原曲线，确定所述压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率；

根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据所述第一光谱分辨率和所述第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位；所述定标条带位具备完全透过光信息的属性；所述定标条带位的条带宽对应一个像元，所述定标条带位的条带长对应多个像元；

利用单色仪对包含所述编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测；

根据所述单色仪细分波长的输入顺序，分别对所述定标条带位成像观测和所述编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线；

根据所述定标条带位光谱曲线，确定所述定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据所述压缩编码光谱复原曲线，确定所述压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率；

根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据所述第一光谱分辨率和所述第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

上述压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法、装置、计算机设备和存储介质，通过在编码模板中增加定标位条带，来计算定标位条带的定标结果，将其定标结果用于矫正压缩编码光谱成像系统的定标结果，该方法有效考虑了编码重构误差的影响，以更合理的方式矫正编码定标结果，保障了压缩编码型光谱成像系统光谱定标的准确性。

附图说明

图1为一个实施例中压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法的流程示意图；

图2为一个实施例中编码模板上设置定标条带位的示意图；

图3为一个实施例中压缩编码光谱成像系统的光谱定标装置的结构框图；

图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法，包括以下步骤：

步骤102，在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位。

定标条带位具备完全透过光信息的属性，定标条带位可以预先设置好长度，定标条带位的条带宽对应一个像元，定标条带位的条带长对应多个像元，

步骤104，利用单色仪对包含编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测。

推扫式扫描，采用广角光学系统，在整个视场内成像。它把探测器按扫描方向(垂直于飞行方向)阵列式排列来感应地面响应，并借助于与飞行方向垂直的“扫描”线记录，构成二维图像。

步骤106，根据单色仪细分波长的输入顺序，分别对定标条带位成像观测和编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线。

步骤108，根据定标条带位光谱曲线，确定定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据压缩编码光谱复原曲线，确定压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率。

步骤110，根据定标条带位的中心波长位置和压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据第一光谱分辨率和第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

上述压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法中，通过在编码模板中增加定标位条带，来计算定标位条带的定标结果，将其定标结果用于矫正压缩编码光谱成像系统的定标结果，该方法有效考虑了编码重构误差的影响，以更合理的方式矫正编码定标结果，保障了压缩编码型光谱成像系统光谱定标的准确性。

在其中一个实施例中，如图2所示，在编码模板2中左上角第一个编码单元正上方设置定标条带位1。

具体的，定标条带位设计为竖直长条带，条带宽对应于采集图像的相机或者探测器的一个像元，条带长为多个像元，平行于探测器空间维。

在其中一个实施例中，根据单色仪细分波长的输入顺序，采用预先设置的压缩编码重构算法，依次对每一单色仪细分波长输入下的连续静态编码图像进行稀疏重构，复原所有细分波长下定标条带位成像观测对应的定标条带位光谱曲线和编码区域成像观测对应的压缩编码光谱复原曲线。

在其中一个实施例中，针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下定标条带位光谱曲线的响应值，得到第一定标光谱序列；采用高斯拟合第一定标光谱序列，得到第一光谱响应曲线；确定第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为定标条带位的中心波长位置；计算第一光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第一光谱分辨率。

具体的，针对待定标输出光谱通道，取其所有细分波长下的狭缝色散复原光谱的响应值，构造得到第一定标光谱序列，并记录相应的波长坐标，作为对应的序列坐标，然后，利用高斯拟合第一定标光谱序列得到平滑的第一光谱响应曲线，以拟合得到的第一光谱响应曲线的最大值对应的光谱序列坐标作为该输出光谱通道的中心波长L

在其中一个实施例中，针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下压缩编码光谱复原曲线的响应值，得到第二定标光谱序列；采用高斯拟合第二定标光谱序列，得到第二光谱响应曲线；确定第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为压缩编码模板的中心波长位置；计算第二光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第二光谱分辨率。半高宽定义为：所述第一光谱响应曲线中最大值的一半对应的光谱序列横坐标之间的距离。

具体的，针对待定标输出光谱通道，取其对所有细分波长下的压缩编码复原曲线的响应值，构造得到第二定标光谱序列，并记录相应的波长坐标，作为对应的序列坐标，然后，利用高斯拟合第二定标光谱序列得到平滑的第二光谱响应曲线，以拟合得到的第二光谱响应曲线的最大值对应的光谱序列坐标作为该输出光谱通道的中心波长L

在其中一个实施例中，根据定标条带位的中心波长位置和压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定为：

L＝0.5*min(L

其中，L表示标定后定标光谱的中心波长，L

λ＝0.5*min(λ

其中，λ表示标定后的光谱分辨率，λ

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标装置，包括：定标条带位设置模块302、观测模块304、复原模块306、响应模块308和标定模块310，其中：

定标条带位设置模块302，用于在编码模板中特定编码单元上设置定标条带位；所述定标条带位具备完全透过光信息的属性；所述定标条带位的条带宽对应一个像元，所述定标条带位的条带长对应多个像元；

观测模块304，用于利用单色仪对包含所述编码模块的成像系统进行推扫成像观测，获得每个波长下的定标条带位成像观测和每个波长下的编码区域成像观测；

复原模块306，用于根据所述单色仪细分波长的输入顺序，分别对所述定标条带位成像观测和所述编码区域成像观测进行复原，得到定标条带位光谱曲线和压缩编码光谱复原曲线；

响应模块308，用于根据所述定标条带位光谱曲线，确定所述定标条带位的中心波长位置和第一光谱分辨率，以及根据所述压缩编码光谱复原曲线，确定所述压缩编码模板的中心波长位置和第二光谱分辨率；

标定模块310，用于根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定，根据所述第一光谱分辨率和所述第二光谱分辨率，对定标光谱的光谱分辨率进行标定。

在其中一个实施例中，定标条带位设置模块302还用于在编码模板中左上角第一个编码单元正上方设置定标条带位。

在其中一个实施例中，复原模块306还用于根据所述单色仪细分波长的输入顺序，采用预先设置的稀疏重构算法，复原所有细分波长下所述定标条带位成像观测对应的定标条带位光谱曲线和所述编码区域成像观测对应的压缩编码光谱复原曲线。

在其中一个实施例中，响应模块308还用于针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下所述定标条带位光谱曲线的响应值，得到第一定标光谱序列；采用高斯拟合所述第一定标光谱序列，得到第一光谱响应曲线；确定所述第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为所述定标条带位的中心波长位置；计算所述第一光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第一光谱分辨率。所述半高宽定义为：所述第一光谱响应曲线中最大值的一半对应的光谱序列横坐标之间的距离。

在其中一个实施例中，响应模块308还用于针对待定标输出光谱通道，获取所有细分波长下所述压缩编码光谱复原曲线的响应值，得到第二定标光谱序列；采用高斯拟合所述第二定标光谱序列，得到第二光谱响应曲线；确定所述第一光谱响应曲线中最大值对应的光谱序列坐标为所述压缩编码模板的中心波长位置；计算所述第二光谱响应曲线的半宽高，将半宽高作为第二光谱分辨率。

在其中一个实施例中，标定模块310根据所述定标条带位的中心波长位置和所述压缩编码模板的中心波长位置，对定标光谱的中心波长进行标定为：

L＝0.5*min(L

其中，L表示标定后定标光谱的中心波长，L

λ＝0.5*min(λ

其中，λ表示标定后的光谱分辨率，λ

关于压缩编码光谱成像系统的光谱定标装置的具体限定可以参见上文中对于压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法的限定，在此不再赘述。上述压缩编码光谱成像系统的光谱定标装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种压缩编码光谱成像系统的光谱定标方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。