CN112284535A - 渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法 - Google Patents

渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法 Download PDF

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徐睿
何志平
袁立银
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李春来
王蓉
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Abstract

本发明公开了一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，该方法步骤如下：(1)实验室内采集仪器所有可能的工作环境温度下所有积分时间的全幅暗背景数据；(2)根据实验室内获取的全幅暗背景数据计算校正系数矩阵；(3)结合在轨采集的全幅暗背景数据更新校正数矩阵；(4)在轨成像数据暗背景扣除。本发明的方法以扫式中短波红外成像光谱仪暗背景产生机理为基础，充分考虑了数据的完备性和仪器在轨运行时的衰减，是一种可持续的、准确性好的在轨推扫式中短波红外成像光谱仪数据暗背景去除方法。

Description

渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，特别是涉及一种渐进式的基于仪器暗像元和红外焦平面各个探测单元对背景热辐射响应的相关性和光谱响应的变化，对在轨中短波红外成像光谱仪数据进行暗背景去除的方法。
背景技术
线阵推扫式中短波红外成像光谱仪是当前最流行的中短波红外高光谱传感器之一。其结构特点是，红外焦平面的每一行对应一个波段，每一行有一定数量(一般是数百)的探测单元，随着成像光谱仪的运动，以行为单位获取热红外高光谱遥感图像。碲镉汞、铟镓砷等材料制成的探测器是波红外焦平面是的主要探测器。受红外探测本身特性影响，当红外成像光谱仪无光入射时，探测器暗电流与光学***内部热辐射也会导致红外焦平面依然存在响应值，形成暗背景值。同样，在中短波红外成像光谱仪成像时，该暗背景值和成像目标的信号值会一同被红外焦平面记录并读出。仪器的原始成像数据包含了成像期间同时形成的暗背景值，并且改暗背景值是未知的。因此，要获取成像目标的真实信号值，必须通过一定的方式方法去除暗背景。
由于每个像元的暗背景是在像元感光时同时形成的，在成像过程中难以将同时测量暗背景和像元信号值。目前，暗背景的去除方法多是用邻近时间的暗背景数据代替或结合辅助数据估算成像时间每个像元的暗背景。中短波红外高光谱遥感的辐射主要来源还是地物反射太阳入射能量，在地基或空基中短波红外成像光谱仪获取数据过程中，一般采用事先遮住光路，记录全幅暗数据作为暗背景数据，用于去除成像数据中的暗背景。对于星载中短波红外成像光谱仪来说，由于成像时间较长，在这个过程中仪器内部热环境发生变化，导致暗背景发生变化。因此，事先遮住光路测量的暗背景数据很可能不能完全反映仪器成像过程中的暗背景真值。对于星载中短波成像光谱仪，一般将红外焦平面的一部分遮挡，用于监测暗背景的变化，这些像元的数据可用于恢复成像像元的暗背景。该方法是基于不同像元对背景辐射响应的相关建立的暗背景估算经验模型。在使用该方法时，数据的完备性会影响经验模型的精度。同时，由于仪器随时间会发生老化，尤其是在光谱响应方面会发生变化，导致有的经验模型误差进一步增大。
发明内容
针对现有的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于暗区像元的、可持续的、准确性好的在轨推扫式中短波红外成像光谱仪数据暗背景去除方法。本发明具体采用的技术方案如下：
渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)实验室内采集仪器所有可能的工作环境温度下所有积分时间的全幅暗背景数据；
(2)根据实验室内获取的全幅暗背景数据计算校正系数矩阵；
(3)结合在轨采集的全幅暗背景数据更新校正数矩阵；
(4)在轨成像数据暗背景扣除。
作为优选，所述(1)中，所述的一种基于暗像元的推扫式短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于所述步骤(1)中仪器在空间维上应设置用于专门用于采集暗背景的暗区像元，每个波段至少有3个及以上的暗区像元。
作为优选，所述(2)中，所述的一种基于暗像元的推扫式短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于所述步骤(2)中某一积分时间校正系数矩阵的计算方法为
{Ci}＝regress(Dref,k,Dimg,i,k,t)
其中，Ci为某一积分时间校正系数矩阵，尺寸为Ns×Nb，Ns为仪器空间维像元数量；Nb为仪器波段数量；i为仪器空间维像元序号；k为仪器波段序号；Nb为仪器波段数量；{Ci}为校正系数组成的集合；regress(·)为多项式回归；t为相对于仪器首次开机的相对开机时间；Dimg,i,k为成像区暗背景像元值，尺寸为1×Nl；Nl为暗背景数据的帧数；Dref,k为暗区像元参考值，尺寸为1×Nl，暗区像元参考值是对波段k的所有暗区像元取中值得到。
作为优选，所述(3)中，所述的一种基于暗像元的推扫式短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于所述步骤(3)中将仪器在轨工作时采集到的暗背景数据和实验室内采集到的暗背景数据相结合，重新按照初始校正系数矩阵的计算方法计算校正系数矩阵，更新校正数矩阵。
作为优选，所述(3)中，更新校正数矩阵过程中，多项式拟合误差大于仪器辐射定标误差上限，要去掉前期的误差较大的暗背景数据序列，重新做多项式拟合，直至误差在仪器辐射定标误差限之内时，完成更新校正数据矩阵。
作为优选，所述(4)中，所述的一种基于暗像元的推扫式短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于所述步骤(4)中在轨成像像元数据暗背景扣除的计算方法为
Ssub,i,j,k＝Si,j,k-Dest,i,j,k
其中，Ssub,i,j,k为暗背景扣除后的在轨成像像元数据信号值；i为仪器空间维像元序号；j为在轨成像数据的帧序号；k为仪器波段序号；Si,j,k为在轨成像数据DN值，Dest,i,j,k为根据在轨实时暗区像元参考值、相对开机时间和所述校正系数矩阵计算得到的成像像元的暗背景数值。
作为优选，在轨实时暗区像元参考值的计算方法为，先对在轨数据中波段k的所有暗区像元取中值得到，然后在时间维上做均值滤波。
本发明以推扫式中短波红外成像光谱仪红外焦平面同一波段不同像元之间响应的相关性为依据，充分考虑仪器在轨过程运行特点，提出了可靠的在轨中短波成像光谱数据暗背景去除方式。本发明可以大大减小由仪器随时间发生老化和在轨全幅暗背景数据不完备所造成的暗背景估算误差，提高了在轨暗背景估算的精度。
附图说明
图1一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法流程
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，包括以下步骤：
(1)选择具有空间维上具有专门用于采集暗背景暗区像元的仪器，且每个波段至少有3个及以上的暗区像元。实验室内把仪器调整为暗背景工作模式，如果仪器没有暗背景工作模式，则需要镜头用黑板盖住，保证不透光。采集仪器所有可能的工作环境温度下所有积分时间的全幅暗背景数据；
(2)根据实验室内获取的全幅暗背景数据计算校正系数矩阵。某一积分时间校正系数矩阵的计算方法为
{Ci}＝regress(Dref,k,Dimg,i,k,t)
其中，Ci为某一积分时间校正系数矩阵，尺寸为Ns×Nb，Ns为仪器空间维像元数量；Nb为仪器波段数量；i为仪器空间维像元序号；k为仪器波段序号；Nb为仪器波段数量；{Ci}为校正系数组成的集合；regress(·)为多项式回归；t为相对于仪器首次开机的相对开机时间；Dimg,i,k为成像区暗背景像元值，尺寸为1×Nl；Nl为暗背景数据的帧数；Dref,k为暗区像元参考值，尺寸为1×Nl，暗区像元参考值是对波段k的所有暗区像元取中值得到。
(3)将仪器在轨工作时采集到的暗背景数据和实验室内采集到的暗背景数据相结合，重新按照初始校正系数矩阵的计算方法计算校正系数矩阵，更新校正数矩阵。更新校正数矩阵过程中，多项式拟合误差大于仪器辐射定标误差上限，要去掉前期的误差较大的暗背景数据序列，重新做多项式拟合，直至误差在仪器辐射定标误差限之内时，完成更新校正数据矩阵。作为优选，所述(3)中，更新校正数矩阵过程中，多项式拟合误差大于仪器辐射定标误差上限，要去掉前期的误差较大的暗背景数据序列，重新做多项式拟合，直至误差在仪器辐射定标误差限之内时，完成更新校正数据矩阵。
(4)在轨成像数据暗背景扣除。在轨成像像元数据暗背景扣除的计算方法为
Ssub,i,j,k＝Si,j,k-Dest,i,j,k
其中，Ssub,i,j,k为暗背景扣除后的在轨成像像元数据信号值；i为仪器空间维像元序号；j为在轨成像数据的帧序号；k为仪器波段序号；Si,j,k为在轨成像数据DN值，Dest,i,j,k为根据在轨实时暗区像元参考值、相对开机时间和所述校正系数矩阵计算得到的成像像元的暗背景数值。在轨实时暗区像元参考值的计算方法为，先对在轨数据中波段k的所有暗区像元取中值得到，然后在时间维上做均值滤波。

Claims (7)

1.一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)实验室内采集仪器所有可能的工作环境温度下所有积分时间的全幅暗背景数据；
(2)根据实验室内获取的全幅暗背景数据计算校正系数矩阵；
(3)结合在轨采集的全幅暗背景数据更新校正数矩阵；
(4)在轨成像数据暗背景扣除。
2.如权利要求1所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于，所述步骤(1)中仪器在空间维上应设置用于专门用于采集暗背景的暗区像元，每个波段至少有3个及以上的暗区像元。
3.如权利要求1所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，，其特征在于所述步骤(2)中某一积分时间校正系数矩阵的计算方法为：
{Ci}＝regress(Dref,k,Dimg,i,k,t)
其中，Ci为某一积分时间校正系数矩阵，尺寸为Ns×Nb，Ns为仪器空间维像元数量；Nb为仪器波段数量；i为仪器空间维像元序号；k为仪器波段序号；Nb为仪器波段数量；{Ci}为校正系数组成的集合；regress(·)为多项式回归；t为相对于仪器首次开机的相对开机时间；Dimg,i,k为成像区暗背景像元值，尺寸为1×Nl；Nl为暗背景数据的帧数；Dref,k为暗区像元参考值，尺寸为1×Nl，暗区像元参考值是对波段k的所有暗区像元取中值得到。
4.如权利要求1所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于，所述步骤(3)中将仪器在轨工作时采集到的暗背景数据和实验室内采集到的暗背景数据相结合，重新按照初始校正系数矩阵的计算方法计算校正系数矩阵，更新校正数矩阵。
5.如权利要求1所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于，所述步骤(3)中更新校正数矩阵过程中，多项式拟合误差大于仪器辐射定标误差上限，要去掉前期的误差较大的暗背景数据序列，重新做多项式拟合，直至误差在仪器辐射定标误差限之内时，完成更新校正数据矩阵。
6.如权利要求1所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于，所述步骤(4)中在轨成像像元数据暗背景扣除的计算方法为：
Ssub,i,j,k＝Si,j,k-Dest,i,j,k
其中，Ssub,i,j,k为暗背景扣除后的在轨成像像元数据信号值；i为仪器空间维像元序号；j为在轨成像数据的帧序号；k为仪器波段序号；Si,j,k为在轨成像数据DN值，Dest,i,j,k为根据在轨实时暗区像元参考值、相对开机时间和所述校正系数矩阵计算得到的成像像元的暗背景数值。
7.如权利要求6所述的一种渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法，其特征在于，所述的在轨实时暗区像元参考值的计算方法为：先对在轨数据中波段k的所有暗区像元取中值得到，然后在时间维上做均值滤波。
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