一種近場步進掃描成像光譜儀的數(shù)據(jù)處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理技術，屬于光譜圖像數(shù)據(jù)處理技術領域，具體涉及一種近場步進掃描成像光譜儀的數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術】
[0002]光譜成像技術可同時獲取目標的二維空間信息和一維光譜信息，它將成像技術和光譜技術有機融合在一起，已經成為遙感探測的前沿技術。大孔徑時空聯(lián)合調制干涉成像光譜儀作為一種新型成像光譜儀，具有光譜分辨率高、信噪比高、高通量和高穩(wěn)定性等優(yōu)點。它擴展了光譜研究領域，受到世界各國的廣泛關注。在物證鑒定、農業(yè)生產、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、防災減災、物質鑒別、公共安全等領域得到了快速發(fā)展，并被廣泛應用。
[0003]大孔徑時空聯(lián)合調制干涉成像光譜儀探測器不同位置對應不同的光程差，通過掃描目標景物，在不同時刻目標成像在探測器不同位置，從而獲得目標點在不同時刻的完整點干涉圖，再由點干涉圖通過傅里葉變換復原產生該目標的光譜。
[0004]在遙感領域，搭載在飛行平臺上的成像光譜儀，在平臺飛行時與目標產生相對運動，完成對目標的掃描工作，其掃描步長由運動速度和曝光時間控制。而對于微弱和痕量光譜輻射目標探測的近場成像光譜儀，需要采用擺鏡或儀器平臺步進旋轉的方式，或目標載物平臺平動的方式，以完成掃描任務；由于目標光輻射量小，需要通過步進掃描的方式，利用較長的曝光時間獲得高信噪比。
[0005]近場成像光譜儀不受搭載平臺姿態(tài)變化造成干涉圖失真的影響，但其步進掃描的方式對掃描采樣步長的要求極高。在實際應用中，目標在光譜儀像面的移動步長與探測器單像元寬度無法精確相等。為實現(xiàn)高精度的光譜復原，需要對其掃描的像面干涉圖序列進行修正，以解決掃描誤差的問題。
[0006]對于大孔徑時空聯(lián)合調制成像光譜儀的數(shù)據(jù)校正處理方法多采用基于相位相關和圖像配準校正算法，對點干涉圖非均勻采樣，采用非均勻傅里葉變換復原光譜。
[0007]YannFerrec等人(“Experimental results from an airbornestatic Fouriertransform imaging spectrometer”，Applied Optics，50(30)，2011.)利用相位相關和特征匹配的方法進行圖像配準確定目標位置，對干涉圖在空間域插值成等間隔干涉圖，進行傅里葉變換復原得到目標的光譜圖像。
[0008]李湘濱等人(“大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀圖像校正技術”，光電工程，2004，31
(8):8-11)提出了基于相位相關與歸一化積相關的聯(lián)合圖像校正算法，對圖像的旋轉和平移失真進行了校正。
[0009]以上方法都是針對星載和機載的大孔徑時空聯(lián)合調制成像光譜儀提出的，而且其原理和計算方法復雜，數(shù)據(jù)計算量大。而對于近場微弱目標的光譜探測，需要近場步進掃描和每步長時間曝光以增加采集圖像的信噪比。因此，以上應用與遙感領域的成像光譜儀的數(shù)據(jù)修正處理方法并不適用。

【發(fā)明內容】

[0010]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種近場步進掃描成像光譜儀的數(shù)據(jù)處理方法，對像面干涉圖序列進行有效修正，可解決近場步進掃描的步長誤差問題。本發(fā)明包含以下幾個步驟:
[0011]步驟1:利用近場大孔徑時空聯(lián)合調制干涉成像光譜儀，通過步進掃描的方法獲取包括目標的原始像面干涉圖序列。
[0012]步驟2:利用原始像面干涉圖序列生成快快視圖，判斷像面干涉圖是否為本發(fā)明所要求的過采樣掃描。
[0013]步驟3:根據(jù)目標中某一點在像面干涉圖序列中的不同像素位置，計算移動步長與探測器單像元寬度的誤差。
[0014]步驟4:對過采樣的像面干涉圖序列進行校正，得到校正后的像面干涉數(shù)據(jù)立方體。
[0015]步驟5:對校正后的像面干涉數(shù)據(jù)立方體進行重組，獲取目標的像素干涉數(shù)據(jù)立方體；
[0016]步驟6:對像素干涉數(shù)據(jù)立方體進行傅里葉變換復原，得到目標的光譜數(shù)據(jù)立方體。
[0017]進一步的，步驟2中，按照步進掃描的順序提取像面干涉圖序列中每幀的第一行，可以組成一幅新的圖像，即為像面干涉圖序列的快視圖。本發(fā)明中的方法要求目標干涉圖序列采集為過采樣;若欠采樣，應重新調整掃描步長并采集干涉圖序列。
[0018]根據(jù)快視圖判斷原始像面干涉圖序列的采樣情況。若快視圖中的目標景物被橫向拉伸，則目標像面干涉圖的采集為過采樣;若快視圖中的目標景物被橫壓縮，則目標像面干涉圖的采集為欠采樣。本發(fā)明中的方法要求目標干涉圖序列采集為過采樣，若欠采樣的情況，應重新減小掃描步長并重新采集干涉圖序列。
[0019]進一步的，步驟3中，若探測器單像元寬度為a，原始像面干涉圖中目標某一點經過掃描步數(shù)M后，其像點在像面干涉圖的位置移動了 N個像素，移動誤差為d，則
[0020]d =(M-N)/M
[0021]也就是說，每次掃描步長比一個像素寬度小da的距離。
[0022]進一步的，步驟4中，利用“過二分之一判據(jù)”將像面干涉圖序列中的過采樣產生的冗余幀刪除，保持有的采樣幀序不變，剩余的像面干涉圖序列可直接組成像面干涉數(shù)據(jù)立方體。
[0023]在過采樣時，干涉數(shù)據(jù)立方體中的目標像元點將部分包含沿著掃描方向的下一像元點的信息(如圖1所示)，下一像元點占前一像元點的比例為掃描誤差d(d〈0)。對目標景物上的某一像素而言，自第二幀開始，每幀增加一個掃描誤差d?！斑^二分之一判據(jù)”的具體內容為:設0 = 11+0.5，(11 = 0，1，2，3-)，將累計誤差大于0的第一幀判斷為過采樣冗余幀;也就是說，在像面干涉圖序列中，將累計誤差大于0.5，1.5，2.5，3.5，…的第一幀為過采樣冗余幀。利用“過二分之一判據(jù)”將全部冗余幀刪除，其他幀依原始掃描順序不變，即可直接獲得校正后的像面干涉數(shù)據(jù)立方體。
[0024]進一步的，步驟5中，在校正后的像面干涉圖序列中提取目標單個像素不同光程差對應的灰度值，形成一行干涉強度數(shù)據(jù)。對每個像素重復以上重組過程，可以得到目標的像素干涉數(shù)據(jù)立方體。像素干涉數(shù)據(jù)立方體中的一行數(shù)據(jù)對應目標圖像中一個像素點的干涉強度數(shù)據(jù);一幀數(shù)據(jù)對應目標圖像中一列圖像像素的干涉強度數(shù)據(jù)。
[0025]發(fā)明有益效果:
[0026]1.本發(fā)明對像面干涉圖序列采用過采樣后刪除無效幀的方法，其計算方法簡單，計算量小;其干涉圖重組的準確性為亞像素級，光譜復原精度高。
[0027]2.本發(fā)明提出的方法適用于近場微弱目標光譜成像，克服了近場步進掃描平臺步長無法精確連續(xù)控制的問題，拓展了大孔徑時空聯(lián)合調制光譜成像技術的應用領域。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖
[0029]圖2為本發(fā)明中的步進掃描方式
[0030]1-掃描方向2-旋轉平臺3-擺鏡4-載物臺平動
【具體實施方式】
[0031]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0032]實施例1
[0033]本發(fā)明是一種近場步進掃描成像光譜儀的數(shù)據(jù)處理方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟:
[0034]步驟1:利用近場大孔徑時空聯(lián)合調制干涉成像光譜儀，通過步進掃描的方法獲取包括目標的原始像面干涉圖序列。
[0035]遙感領域中，成像光譜儀利用儀器搭載的飛行器實現(xiàn)對地面目標的掃描。而對于近場目標需要前置擺鏡轉動、目標載物平臺平動、儀器裝載平臺轉動等步進移動掃描方式，逐步曝光成像的方法實現(xiàn)目標像面干涉圖序列的采集。
[0036]對于目標圖像的具體的某一個像素來說，它在像面干涉圖序列的每幀圖像中對應一個特定的光程差。將像面干涉圖序列中每一幀圖像中此像素點的灰度值提取出來，就得到了它對應不同光程差的一系列干涉強度數(shù)據(jù)。光程差采樣點的數(shù)量即為像面干涉圖序列的幀數(shù)，它由香農采樣定