一種光場(chǎng)成像光譜儀的光譜標(biāo)定校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種光場(chǎng)成像光譜儀的光譜標(biāo)定校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 成像光譜儀是作為遙感探測(cè)技術(shù)之一，可以獲取的景物或目標(biāo)光譜信息，在目標(biāo) 識(shí)別、特征提取和精確分類等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。具有圖譜合一的優(yōu)勢(shì)，被搭載在航 空、航天器上對(duì)陸地、大氣、海洋進(jìn)行觀測(cè)。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(jìn)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(biāo)完整數(shù)據(jù)立方體，在動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)測(cè)和追蹤方面 快照型成像光譜技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)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(shí)驗(yàn)或物理模型將采集到的遙感信息和觀察目標(biāo)參量聯(lián)系起來， 并反演或推算出地學(xué)、生物學(xué)和大氣等觀測(cè)目標(biāo)參量。遙感信息定量化要求對(duì)成像光譜儀 進(jìn)行精確的光譜通道定標(biāo)，因此成像光譜儀的光譜性能參數(shù)的準(zhǔn)確定標(biāo)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(chǎng)成像技術(shù)的光場(chǎng)成像光譜儀是通過在光場(chǎng)相機(jī)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(shí)現(xiàn)快照式獲取景物目標(biāo)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(duì)目標(biāo)成像時(shí)，從目標(biāo)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(gè)像元對(duì)應(yīng)主鏡頭孔徑的一個(gè)采樣（子孔徑）。濾波片陣列由具有不同波長(zhǎng)范 圍的線性漸變?yōu)V光片組成，濾波片不同位置對(duì)應(yīng)子孔徑不同單位位置，當(dāng)目標(biāo)發(fā)出的光線 經(jīng)過主鏡時(shí)，在每個(gè)子孔徑處分別得到目標(biāo)不同的波長(zhǎng)的光，再經(jīng)過微透鏡成像后被相應(yīng) 的像元接收。此時(shí)，每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)宏像素，每個(gè)宏像素對(duì)應(yīng)目標(biāo)場(chǎng)景的一個(gè)空間采 樣，宏像素中每個(gè)像元對(duì)應(yīng)該空間位置目標(biāo)的一個(gè)光譜采樣，因此一個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)的宏像 素內(nèi)的像元包含了空間目標(biāo)的不同譜段信息。光場(chǎng)成像光譜儀需提取目標(biāo)景物通過濾光片 陣列的各光譜通道以獲取對(duì)應(yīng)的光譜圖像。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差、光學(xué)衍射和安裝誤差等引 入了偏移，同一濾光片單元對(duì)應(yīng)的子孔徑在不同微透鏡后對(duì)應(yīng)的位置不同，造成各個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)立的光譜儀具有各自 獨(dú)立的光譜中心波長(zhǎng)和帶寬。因此，以各個(gè)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(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面的實(shí)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(gè)譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)；S3 :根據(jù)所述成像光譜儀 在各個(gè)譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)，確定每個(gè)微透鏡下各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)和光譜帶寬；S4 : 根據(jù)每個(gè)微透鏡下各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的所述中心波長(zhǎng)和所述光譜帶寬，確定每個(gè)微透鏡的光譜 采樣波長(zhǎng)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(zhǎng)和所述光譜帶寬 計(jì)算每個(gè)微透鏡在各個(gè)譜段的相對(duì)響應(yīng)非均勻系數(shù)；S6 :針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景圖像，提取每個(gè)微 透鏡覆蓋像元的灰度值，并根據(jù)每個(gè)微透鏡的所述光譜采樣波長(zhǎng)位置和所述相對(duì)響應(yīng)非均 勻系數(shù)計(jì)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(biāo)空間 位置依次排列重構(gòu)實(shí)際場(chǎng)景光譜數(shù)據(jù)立方體。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種光場(chǎng)成像光譜儀的光譜標(biāo)定校正方法，光譜定標(biāo)裝置可 實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)成像光譜儀全視場(chǎng)的定標(biāo)，無需局部掃描；提出的確立各個(gè)微透鏡各自的波長(zhǎng) 采樣位置機(jī)理，更符合光場(chǎng)成像光譜儀自身機(jī)理，有利于保證信息提取的準(zhǔn)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(jìn)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(shí)施例的一種光場(chǎng)成像光譜儀的光譜標(biāo)定校正方法，還可 以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟S1進(jìn)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(duì)應(yīng)的譜段λi，利用輻射度計(jì)監(jiān)視并記錄不同譜段輸出的光源強(qiáng)度I&U。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟S2進(jìn)一步包括，利用計(jì)算機(jī)控制所述單色儀在響應(yīng)波長(zhǎng)范圍 內(nèi)，以預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)Αλ進(jìn)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(gè) 譜段下的系統(tǒng)響應(yīng)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟S3進(jìn)一步包括，對(duì)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(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，Δλ是該像元對(duì)應(yīng)的 光譜帶寬，根據(jù)步驟S2中采樣獲取的各個(gè)譜段的灰度和上述灰度值Iλι的公式進(jìn)行擬合， 計(jì)算獲得所述像元對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)和光譜帶寬。。
[0015] 進(jìn)一步地，所述步驟S4進(jìn)一步包括，對(duì)所有微透鏡根據(jù)步驟S3確定各個(gè)微透鏡各 自覆蓋的的像元對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)和光譜帶寬，從而確定各個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)的所述光譜采樣波長(zhǎng) 位置。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟S5進(jìn)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(zhǎng)[λ1;λ2,λ3，…和所述 光譜帶寬[ΑλΔλ2,Δλ3，…ΔλJ進(jìn)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(gè)微透 鏡在各個(gè)譜段的相對(duì)響應(yīng)非均勻系數(shù)E(Ai) ==ΚλΟ/Ι^λ^，其中，m為微透 鏡的編號(hào)。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟S6進(jìn)一步包括，針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景圖像，提取每個(gè)微透鏡覆蓋像元的 灰度值，并根據(jù)所述光譜采樣波長(zhǎng)位置獲取每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)目標(biāo)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(duì)響應(yīng)非均勻系數(shù)根據(jù)以下公式計(jì)算實(shí)際光 譜響應(yīng)ζΙ^λΟ/Ε^λ》，其中，所述目標(biāo)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)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(duì)的光譜儀的原理示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的標(biāo)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(gè)實(shí)施例的光譜定標(biāo)裝置示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的某一波長(zhǎng)標(biāo)定結(jié)果局部放大圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的某一像元實(shí)測(cè)響應(yīng)及擬合的曲線圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三個(gè)不同微透鏡后各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)示意圖；
[0026] 圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的響應(yīng)非均勻性標(biāo)定裝置示意圖；
[0027] 圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施例的插值重建的光譜數(shù)據(jù)立方體。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)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(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(jī)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(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)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(shí)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(shí)施例中的一些特定實(shí)施方式，來表示實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實(shí)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(shí)施例的一種光場(chǎng)成像光譜儀的光譜標(biāo)定校正方 法。
[0034] 請(qǐng)參考圖2,本發(fā)明的實(shí)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(zhǎng)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(gè)實(shí)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(jìn)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(cè)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(duì)應(yīng)的譜段λi，利用輻射度計(jì)監(jiān)視并記錄不 同譜段輸出的光源強(qiáng)度ku。
[0037]