一種光場成像光譜儀的光譜標定校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學成像領(lǐng)域，具體涉及一種光場成像光譜儀的光譜標定校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 成像光譜儀是作為遙感探測技術(shù)之一，可以獲取的景物或目標光譜信息，在目標 識別、特征提取和精確分類等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。具有圖譜合一的優(yōu)勢，被搭載在航 空、航天器上對陸地、大氣、海洋進行觀測。根據(jù)光譜三維數(shù)據(jù)立方體的獲取方式不同，可以 分為掃描型和快照。掃描型成像光譜技術(shù)在空間或光譜維進行掃描獲取完整數(shù)據(jù)立方體， 而快照型成像光譜技術(shù)一次曝光即獲取目標完整數(shù)據(jù)立方體，在動態(tài)目標監(jiān)測和追蹤方面 快照型成像光譜技術(shù)具有優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。另一方面，成像光譜儀的應(yīng)用以遙感信 息的定量化為基礎(chǔ)，通過實驗或物理模型將采集到的遙感信息和觀察目標參量聯(lián)系起來， 并反演或推算出地學、生物學和大氣等觀測目標參量。遙感信息定量化要求對成像光譜儀 進行精確的光譜通道定標，因此成像光譜儀的光譜性能參數(shù)的準確定標是高光譜遙感器數(shù) 據(jù)提取和定量應(yīng)用的基本前提。
[0003] 基于光場成像技術(shù)的光場成像光譜儀是通過在光場相機的前置成像系統(tǒng)（主鏡） 的瞳面出放置由線性漸變?yōu)V光片組成的濾光片陣列，實現(xiàn)快照式獲取景物目標的三維圖譜 數(shù)據(jù)立方體信息，其主要由主鏡、濾波片陣列、微透鏡陣列和CCD陣列構(gòu)成，如圖1所示[1]。 對目標成像時，從目標發(fā)出的光線經(jīng)主鏡頭和微透鏡后投影到CCD陣列上形成宏像素，宏 像素中的一個像元對應(yīng)主鏡頭孔徑的一個采樣（子孔徑）。濾波片陣列由具有不同波長范 圍的線性漸變?yōu)V光片組成，濾波片不同位置對應(yīng)子孔徑不同單位位置，當目標發(fā)出的光線 經(jīng)過主鏡時，在每個子孔徑處分別得到目標不同的波長的光，再經(jīng)過微透鏡成像后被相應(yīng) 的像元接收。此時，每個微透鏡對應(yīng)一個宏像素，每個宏像素對應(yīng)目標場景的一個空間采 樣，宏像素中每個像元對應(yīng)該空間位置目標的一個光譜采樣，因此一個微透鏡對應(yīng)的宏像 素內(nèi)的像元包含了空間目標的不同譜段信息。光場成像光譜儀需提取目標景物通過濾光片 陣列的各光譜通道以獲取對應(yīng)的光譜圖像。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差、光學衍射和安裝誤差等引 入了偏移，同一濾光片單元對應(yīng)的子孔徑在不同微透鏡后對應(yīng)的位置不同，造成各個微透 鏡后的光譜信息分布存在差異，即任意微透鏡后的宏像素對應(yīng)一個對立的光譜儀具有各自 獨立的光譜中心波長和帶寬。因此，以各個微透鏡后宏像素的固定位置像元代所提取圖像 并不是真實的某一特定光譜通道圖像。
[0004] [1]發(fā)明專利：蘇麗娟，袁艷，胡亮，一種快照式高通量的光譜成像方法和光譜成 像儀，授權(quán)號ZL201210451761.X。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0006] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種成像光譜儀的調(diào)試方法。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面的實施例公開了一種成像光譜儀的調(diào)試方 法，包括以下步驟：S1 :利用普通光源、單色儀和積分球組成譜段可調(diào)節(jié)單色均勻面光源， 其中，所述普通光源、所述單色儀和所述積分球依次連接；S2 :利用所述單色均勻面光源照 射成像光譜儀，獲取所述成像光譜儀在各個譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)；S3 :根據(jù)所述成像光譜儀 在各個譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)，確定每個微透鏡下各個像元對應(yīng)的中心波長和光譜帶寬；S4 : 根據(jù)每個微透鏡下各個像元對應(yīng)的所述中心波長和所述光譜帶寬，確定每個微透鏡的光譜 采樣波長位置；S5 :根據(jù)所述單色均勻面光源的光譜數(shù)據(jù)、所述中心波長和所述光譜帶寬 計算每個微透鏡在各個譜段的相對響應(yīng)非均勻系數(shù)；S6 :針對實際場景圖像，提取每個微 透鏡覆蓋像元的灰度值，并根據(jù)每個微透鏡的所述光譜采樣波長位置和所述相對響應(yīng)非均 勻系數(shù)計算得到校正后的光譜數(shù)據(jù)；以及S7 :根據(jù)所述校正后的光譜數(shù)據(jù)，按照目標空間 位置依次排列重構(gòu)實際場景光譜數(shù)據(jù)立方體。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實施例的一種光場成像光譜儀的光譜標定校正方法，光譜定標裝置可 實現(xiàn)對光場成像光譜儀全視場的定標，無需局部掃描；提出的確立各個微透鏡各自的波長 采樣位置機理，更符合光場成像光譜儀自身機理，有利于保證信息提取的準確性；本發(fā)明所 提出數(shù)據(jù)立方體重構(gòu)方法在光譜維度上進行數(shù)據(jù)重構(gòu)，減少了混疊等因素的影響。
[0009] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的一種光場成像光譜儀的光譜標定校正方法，還可 以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0010] 進一步地，所述步驟S1進一步包括，通過調(diào)節(jié)所述單色儀輸出光譜段調(diào)節(jié)所述單 色面均勻光源對應(yīng)的譜段λi，利用輻射度計監(jiān)視并記錄不同譜段輸出的光源強度I&U。
[0011] 進一步地，所述步驟S2進一步包括，利用計算機控制所述單色儀在響應(yīng)波長范圍 內(nèi)，以預(yù)設(shè)的步長Αλ進行掃描，使所述積分球輸出不同譜段的單色面光源，由所述成像 光譜儀采集相應(yīng)譜段的系統(tǒng)響應(yīng)圖像，根據(jù)所述系統(tǒng)響應(yīng)圖像獲取所述成像光譜儀在各個 譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)。
[0012] 進一步地，所述步驟S3進一步包括，對某一微透鏡后覆蓋的任一像元，提取所述 像元在所述譜段λ灰度值Iλι，所述灰度值Ιλι滿足下列公式：
[0013]
[0014] 其中，I。是最大灰度響應(yīng)值，λ。是該像元對應(yīng)的中心波長，Δλ是該像元對應(yīng)的 光譜帶寬，根據(jù)步驟S2中采樣獲取的各個譜段的灰度和上述灰度值Iλι的公式進行擬合， 計算獲得所述像元對應(yīng)的中心波長和光譜帶寬。。
[0015] 進一步地，所述步驟S4進一步包括，對所有微透鏡根據(jù)步驟S3確定各個微透鏡各 自覆蓋的的像元對應(yīng)中心波長和光譜帶寬，從而確定各個微透鏡對應(yīng)的所述光譜采樣波長 位置。
[0016] 進一步地，所述步驟S5進一步包括，獲取單色均勻面光源的光譜數(shù)據(jù)
[ΚλΟ,ΚλΙΚλΙ…IUJ]，并根據(jù)所述采樣中心波長[λ1;λ2,λ3，…和所述 光譜帶寬[ΑλΔλ2,Δλ3，…ΔλJ進行重采樣獲取的參考光譜數(shù)據(jù)[IJλD，IJλ2)， IJλ3)，…IJλJ]，根據(jù)所述光譜數(shù)據(jù)和所述參考光譜數(shù)據(jù)并根據(jù)以下公式所述每個微透 鏡在各個譜段的相對響應(yīng)非均勻系數(shù)E(Ai) ==ΚλΟ/Ι^λ^，其中，m為微透 鏡的編號。
[0017] 進一步地，步驟S6進一步包括，針對實際場景圖像，提取每個微透鏡覆蓋像元的 灰度值，并根據(jù)所述光譜采樣波長位置獲取每個微透鏡對應(yīng)目標A的初始光譜數(shù)據(jù)[ΙΑ (λ i)，ΙΑ (λ2)，ΙΑ (λ3)，…ΙΑ (λJ]，并根據(jù)所述相對響應(yīng)非均勻系數(shù)根據(jù)以下公式計算實際光 譜響應(yīng)ζΙ^λΟ/Ε^λ》，其中，所述目標A的光譜響應(yīng)曲線為[UaUJ，〗'A( λ2)，Ι' Α(λ3)，…I' Α(λ?)]。
[0018] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0019] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0020] 圖1為本發(fā)明針對的光譜儀的原理示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明一個實施例的標定和數(shù)據(jù)重構(gòu)的步驟流程圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明一個實施例的光譜定標裝置示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明一個實施例的某一波長標定結(jié)果局部放大圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明一個實施例的某一像元實測響應(yīng)及擬合的曲線圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明一個實施例的三個不同微透鏡后各個像元對應(yīng)的中心波長示意圖；
[0026] 圖7為本發(fā)明一個實施例的響應(yīng)非均勻性標定裝置示意圖；
[0027] 圖8為本發(fā)明一個實施例的初始提取的光譜數(shù)據(jù)立方體；
[0028] 圖9為本發(fā)明一個實施例的插值重建的光譜數(shù)據(jù)立方體。
【具體實施方式】
[0029] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0030] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、 "后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于 附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所 指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā) 明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要 性。
[0031] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可 以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0032]參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述 和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0033] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的一種光場成像光譜儀的光譜標定校正方 法。
[0034] 請參考圖2,本發(fā)明的實施例的一種成像光譜儀的調(diào)試方法，包括以下步驟：
[0035] S1 :利用普通光源、單色儀和積分球組成譜段可調(diào)節(jié)單色均勻面光源可調(diào)節(jié)單色 均勻面光源輸出，并保證波長可調(diào)。其中，所述普通光源、所述單色儀和所述積分球依次連 接，
[0036] 如圖3所示，在本發(fā)明的一個實施例中，普通光源發(fā)出的光經(jīng)過單色儀分光后成 為單色光進入積分球，經(jīng)過積分球后形成均勻分布的單色面光源，充滿被測系統(tǒng)孔徑。通過 調(diào)節(jié)單色儀輸出光譜段調(diào)節(jié)均勻單色面光源對應(yīng)的譜段λi，利用輻射度計監(jiān)視并記錄不 同譜段輸出的光源強度ku。
[0037]