CN101144737B - 干涉成像光谱仪的平场方法 - Google Patents

Abstract

一种干涉成像光谱仪的平场方法，其将被平场干涉成像光谱仪的光轴对准平场光源的开口中心，通过图像采集卡采集被平场干涉成像光谱仪输出的干涉图像数据，送至计算机进行处理，计算平场校正矩阵，分析平场不确定度，获得平场校正矩阵。本发明解决了技术背景中修正的全面性及效果相对较差的技术问题。本发明主要用于空间调制型干涉成像光谱仪整机的平场，以消除***误差，可以一次性地修正各种因素造成的像元间响应的不一致性。本发明同样适用于飞机或卫星搭载的干涉成像光谱仪在飞行过程中的利用地面标准辐射场的平场。

Description

干涉成像光谱仪的平场方法

技术领域

本发明涉及一种消除干涉成像光谱仪***误差的方法，尤其涉及一种空间调制型干涉成像光谱仪整机的平场方法。

技术背景

干涉成像光谱仪输出的图像信息是干涉条纹，其不同于一般照相机。因此，普通照相机的平场原理与方法不适用于干涉成像光谱仪。

目前，修正CCD探测器与电子学部分像元间响应不一致性的方法，其修正的全面性及效果相对较差。尤其是当光学***具有较大视场甚至有渐晕时，缺点更为突出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干涉成像光谱仪的平场方法，其解决了技术背景中修正的全面性及效果相对较差的技术问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种干涉成像光谱仪的平场方法，该方法包括以下实现步骤：

(1.)采集：

(1.1)将被平场干涉成像光谱仪2的光轴OO′对准平场光源的开口中心，平场光源为均匀、稳定面光源；

(1.2)用图像采集卡3采集被平场干涉成像光谱仪2输出的干涉图像数据，共测量T种状态，在同一种状态下进行K次数据采样；其中，T≥10，K≥25次；

(2.)将采集的干涉图像数据送至计算机4进行处理，获得平场校正矩阵：

(2.1)计算平场校正矩阵：

(2.1.1)以CCD矩阵的行方向i＝0，±1，±2...±N的各行为空间方向，以CCD矩阵的列方向j＝1，2...M的各列为干涉图方向，以CCD矩阵的行方向或列方向进行平场修正，得到T种状态、每种状态K次数据采样的原始干涉图数据；

(2.1.2)对每种状态的第K次数据采样求算术平均值

，以去除随机误差引入的不确定因素：

${{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I_{i,j,k}}^t}{K};$

其中I_i，j，k ^t对应为第t状态中第k次采样，i行j列像元的数据；

(2.1.3)对具有相同|i|值的CCD像元的t状态中的第K次数据采样的平均值

作列算术平均：

${\stackrel{=}{I}}_i^t=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{-i,j}}^t}{2M};$

(2.1.3)对T种状态进行线性拟合，应用最小二乘法求得t组数据的二维平场修正矩阵A_ij，所求得的二维平场修正矩阵A_ij满足下列条件：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MIN}(A_{i,j}\·{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)\\ A_{i,j}>0\end{array}\right.;$

(2.2)分析平场不确定度：

(2.2.1)计算T种状态K次采样每个CCD像元与校正值求均方根误差

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}}_{i,j}=\sqrt{\frac{\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{i,j}\·{I_{i,j,k}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)}^2}{K\·T}};$

(2.2.2)设光源的不均匀性为δ_光源，则评估平场数据离散性的平场不确定度为：

以上所述的平场光源可直接采用或经检测、校准后光谱辐射度均匀、稳定的朗伯源1。

以上所述的朗伯源1具体以采用面均匀性及角均匀性经检测、校准的积分球或太阳模拟器产生的光源为宜。

以上所述积分球的面均匀性及角均匀性是预先经陷阱探测器或光谱辐射度计5标定过的。

以上所述的朗伯源1可经不同波长检测标定的宽带滤光片检测、标定之后再对准被平场干涉成像光谱仪2的光轴OO′，用于检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。

本发明具有下列优点：

1.本发明主要用于空间调制型干涉成像光谱仪整机的平场，以消除***误差。本发明同样适用于飞机或卫星搭载的干涉成像光谱仪在飞行过程中的利用地面标准辐射场的平场。

2.本发明可以一次性地修正各种因素造成的像元间响应的不一致性。

3.本发明主要修正由光学、精密结构、面阵CCD探测器及电子学等部件组装而成的整机在CCD像元间对响应的不一致性的***性误差。经实验修正表明修正更全面、修正效果更好。对于有较大视场甚至有渐晕的光学***，本发明修正的全面性及效果的优点更显突出。

4.调整光源的输出强度，可以同时检测仪器每个像元的输出对输入的非线性。

5.通过比较，可以分析CCD探测器与电子学***像元间响应的不一致性；分析CCD探测器与整机像元间响应的不一致性，从而分离误差源。

6.可在被检测的被平场干涉成像光谱仪之前加入不同波长、事先经过检测、标定的宽带滤光片，检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。

7.平场所用装置简单，操作方便，容易实施，省时省力，据实验验证，不确定度优于2％。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明所用的设备的示意图。

附图图面说明：

1-朗伯源，2-被平场干涉成像光谱仪，3-图像采集卡，4-计算机，5-陷阱探测器或光谱辐射度计。

具体实施方式

参见图1，本发明根据空间调制型的干涉成像光谱仪对具有均匀光谱辐射度输出的面目标成像时所具有的干涉图的对称性特点，提出了CCD矩阵的“行”或“列”进行平场修正的方法。空间方向即行方向是i＝0，±1，±2…±N水平排列的各行；干涉图方向即列方向是j＝1，2…M竖直排列的各列。主要修正由光学、精密结构、面阵CCD探测器及电子学等部件组装而成的整机在CCD像元间对响应的不一致性，为仪器提供一个二维平场修正矩阵，消除仪器的***性误差。经实验修正表明具有很好的效果。

本发明原理：i＝0是零光程差所占的一行，空间方向即行方向i＝±1，±2…是水平排列的各行，平场光源为均匀面光源，则干涉成像光谱仪的输出图像特征是：

干涉图像相对于零光程差点两边对称分布。

由于输入的平场光源是均匀面光源，所以在空间方向每个像元的干涉强度相同。

由此得到：具有相同|i|值的各像元具有相同的输出。

例如，i＝0，若空间方向具有512个像元，则512个像元的输出相同。

参见图2，本发明所用的装置主要由朗伯源1、被平场干涉成像光谱仪2、图像采集卡3、计算机4以及陷阱探测器或光谱辐射度计5组成。平场光源采用光谱辐出度均匀、稳定的朗伯源1，如：经检测、校准的积分球或太阳模拟器等。朗伯源1通常采用φ1.5m的积分球，它具有20个卤钨灯，打开不同数量的灯可以调整输出的亮度。陷阱探测器或光谱辐射度计5用于监视平场过程中朗伯源1的稳定性。

本发明用于干涉成像光谱仪平场的主要实现步骤如下：

(1)预先检测朗伯源1的面均匀性及角均匀性，必要时可通过软件进行修正。

(2)将被平场干涉成像光谱仪2的光轴OO′对准朗伯源1的开口中心。

(3)通过图像采集卡3采集被平场干涉成像光谱仪2输出的干涉图像数据。

(4)将采集数据送至计算机4进行处理。

本发明计算机4的计算处理：

(1)计算平场校正矩阵：

以CCD矩阵的行方向i＝0，±1，±2…±N的各行为空间方向，以CCD矩阵的列方向j＝1，2…M的各列为干涉图方向，以CCD矩阵的行方向或列方向进行平场修正。

剔除异常数据，得到T种状态，每种状态K次采样的原始干涉图数据，。

对每种状态的第K次采样数据求算术平均值以去除由于随机误差引入的不确定因素，

${{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I_{i,j,k}}^t}{K};$

其中I_i，j，k ^t对应为第t状态中第k次采样，i行j列像元的数据对具有相同|i|值像元的t状态中的第k次采样的均值

作列算术平均：

${\stackrel{=}{I}}_i^t=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{-i,j}}^t}{2M};$

对T种状态进行线性拟合，应用最小二乘法对t组数据求得满足

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MIN}(A_{i,j}\·{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)\\ A_{i,j}>0\end{array}\right.$

条件的二维平场修正矩阵A_ij。

(2)分析平场不确定度：

计算T种状态K次采样每个像元与校正值求均方根误差

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}}_{i,j}=\sqrt{\frac{\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{i,j}\·{I_{i,j,k}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)}^2}{K\·T}}$

设光源的不均匀性为δ_光源，则评估平场数据离散性的平场不确定度为

本发明同样适用于飞行中的场地平场。对于场地，不宜选择表面宏观特征上有明显差异的区域，而应尽可能选择均一性好的区域，如海滩、沙漠或海洋等。在月表上符合上述特征的可选区域较多，选择多个选区，而后作统计学平均。

所采用积分球的尺寸及它的出口直径应尽可能大，主要使用其均匀性很高的中心部分。由于干涉成像光谱仪的视场角都不大，而积分球输出的角均匀性在小角度范围内很高，必要时还可进行修正。

在被检测的被平场干涉成像光谱仪2之前设置不同波长、事先经过检测、标定的宽带滤光片，可检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。加入滤光片后会增加光源不均匀性误差，特别是角均匀性误差，应按设定的检测数据进行修正。滤光片中心波长及半高宽的选择可根据任务要求及S/N选择。原则上还可以采用单色仪，但单色仪能量较低，使S/N变坏，影响平场效果。

为了提高平场全过程中所有采集数据的可靠性，采用陷阱探测器或光谱辐射度计5实时监测。采用高稳定度的陷阱探测器或光谱辐射度计5，标定积分球的面均匀性及角均匀性，其不确定度约5‰。平场中各种不确定的均方值很容易控制在2％之内。

本发明可以把平场与输出/输入响应的非线性在一次测量中完成。由于平场是一个相对值，并不需要严格测量积分球的光谱输出强度。

Claims (5)

1.一种干涉成像光谱仪的平场方法，该方法包括以下实现步骤：

(1.)采集：

(1.1)将被平场干涉成像光谱仪(2)的光轴OO′对准平场光源的开口中心，平场光源为均匀、稳定面光源；

(1.2)用图像采集卡(3)采集被平场干涉成像光谱仪(2)输出的干涉图像数据，共测量T种状态，在同一种状态下进行K次数据采样；其中，T≥10，K≥25次；

(2.)将采集的干涉图像数据送至计算机(4)进行处理，获得平场校正矩阵：

(2.1)计算平场校正矩阵：

(2.1.1)以CCD矩阵的行方向为空间方向，各行的标号为i＝0，±1，±2…±N；以CCD矩阵的列方向为干涉图方向，各列的标号为j＝1，2…M，以CCD矩阵的行方向或列方向进行平场修正，得到T种状态、每种状态K次数据采样的原始干涉图数据；

(2.1.2)对每种状态的第K次数据采样求算术平均值

以去除随机误差引入的不确定因素：

${{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I_{i,j,k}}^t}{K};$

其中I_i，j，k ^t对应为第t状态中第k次采样，i行j列像元的数据；

(2.1.3)对具有相同|i|值的CCD像元的t状态中的第K次数据采样的平均值

作列算术平均：

${\stackrel{=}{I}}_i^t=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t+\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{-i,j}}^t}{2M};$

(2.1.3)对T种状态进行线性拟合，应用最小二乘法求得t组数据的二维平场修正矩阵A_i，j，所求得的二维平场修正矩阵A_i，j满足下列条件：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MIN}(A_{i,j}\·{{\stackrel{\‾}{I}}_{i,j}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)\\ A_{i,j}>0\end{array};\right.$

(2.2)分析平场不确定度：

(2.2.1)计算T种状态K次采样每个CCD像元与校正值求均方根误差

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}}_{i,j}=\sqrt{\frac{\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(A_{i,j}\·{I_{i,j,k}}^t-{\stackrel{=}{I}}_i^t)}^2}{K\·T}};$

(2.2.2)设光源的不均匀性为δ_光源，则评估平场数据离散生的平场不确定度为：

2.根据权利要求1所述的干涉成像光谱仪的平场方法，其特征在于：所述的平场光源是光谱辐射度均匀、稳定的朗伯源(1)。

3.根据权利要求2所述的干涉成像光谱仪的平场方法，其特征在于：所述的朗伯源(1)是面均匀性及角均匀性经检测、校准的积分球或太阳模拟器产生的光源。

4.根据权利要求3所述的干涉成像光谱仪的平场方法，其特征在于：所述积分球的面均匀性及角均匀性是预先经陷阱探测器或光谱辐射度计(5)标定过的。

5.根据权利要求4所述的干涉成像光谱仪的平场方法，其特征在于：所述的朗白源(1)经不同波长检测标定的宽带滤光片检测、标定之后再对准被平场干涉成像光谱仪(2)的光轴OO′。

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