一种计算光谱成像仪的光谱定标系统及观测矩阵提取方法与流程

1.本发明涉及一种计算光谱成像仪的光谱定标系统及观测矩阵提取方法，属于光谱定标领域。


背景技术：

2.光谱定标是用来确定相机的相对光谱响应，获取光谱成像仪各谱段的中心波长、光谱范围、有效光谱带宽及带外响应等指标，这些性能参数将作为相机辐射定标试验及在轨定标数据处理和应用的依据。
3.不同于传统的光谱成像系统，编码孔径计算光谱成像系统是一种新型的快照式光谱成像系统，它不直接获得景物的光谱谱段，而是通过编码模板和色散棱镜完成混叠采样，然后利用光谱重构技术来完成光谱划分,具有快照式和高光利用率优势。
4.对于编码孔径计算光谱成像仪来说，一次像的位置不再是狭缝，而是二维编码板，在探测器上获得的图像不再是一维景物的光谱色散，而是编码后的二维景物的光谱混叠图像。对于编码孔径计算光谱成像仪的定标，由于二维编码模板的引入，光谱定标不再是中心波长的确定和光谱响应函数的确定，而是编码模板在不同波长下的编码图像的标定，这将用于构造观测矩阵，以重构测图谱信息，观测矩阵的提取对于光谱重构至关重要。
5.cn109186762专利描述了一种压缩感知编码超分辨率光谱成像仪的光谱标定系统及方法，所适用的仪器像元尺寸比编码板单元尺寸大，其定标方法特点是采用了一种特殊编码板，编码板上指定位置十字线标示符，利用可调单色光源照射待定标光谱仪，采用标准灰度质心法计算每个波长对应的像元位置。该方法需要在编码板上刻标识符，降低了编码板的空间使用率，同时也不适用于无标识符的编码孔径计算光谱系统的定标。


技术实现要素：

6.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种计算光谱成像仪的光谱定标系统及观测矩阵提取方法，用于解决无标识符的编码孔径系统定标问题，且不受仪器像元尺寸与编码板单元尺寸关系的限制。
7.本发明的技术解决方案是：
8.本发明公开了一种计算光谱成像仪的光谱定标观测矩阵提取方法，包括：
9.可调单色光源发送单色光经平行光管进入待定标计算光谱成像仪；
10.光源控制系统控制可调单色光源按步进值调节单色光的波长，图像采集系统采集所述单色光得到一组图像序列；
11.依据图像序列，计算图像相似度；
12.绘制图像相似度与波长对应关系曲线；
13.在图像相似度与波长对应关系曲线中，确定关系曲线的峰值所对应的波长；
14.提取峰值对应波长的序列图像；
15.根据序列图像，确定观测矩阵。
16.在上述光谱定标观测矩阵提取方法中，所述光源控制系统控制可调单色光源按步进值逐步调节单色光的波长，图像采集系统采集得到一组图像序列，具体方法为：
17.光源控制系统控制可调单色光源以步进值δλ从波长λ0调节至λn，调节至波长λi时，图像采集系统采集二维图像，得到n 1个二维图像组成的图像序列i
λi
(x,y)，图像像素数为x
×
y；
18.其中，λ0为待定标计算光谱成像仪的工作波长范围的起始波长；λi为待定计算光谱成像仪的工作波长范围的中间波长，λi＝λ0 i
×
δλ(i＝1,2，......，n)；δλ为波长调节步进值；λn是待定标计算光谱成像仪的工作波长范围的截止波长；i
λi
(x,y)为单色波长λi下编码板在探测器上的所属单色图像的灰度值，(x,y)为探测器上的像元位置；x为图像传感器行方向像元数，x为图像传感器行方向像元序号；y为图像传感器列方向像元数，y为探测器列方向像元序号。
19.在上述光谱定标观测矩阵提取方法中，所述计算图像相似度，具体方法为：
20.计算每幅图像与第一张二维图像的图像差公式为：
[0021][0022]
计算每个波长图像差的标准偏差公式为：
[0023][0024]
其中，为的平均值，计算公式为：
[0025][0026]
计算每个波长图像与第一张二维图像的相似度，计算公式为：
[0027][0028]
其中，为每个波长图像差的标准偏差。
[0029]
在上述光谱定标观测矩阵提取方法中，所述在图像相似度与波长对应关系曲线中，确定关系曲线的峰值所对应的波长，具体方法为：
[0030]
(1)在图像相似度与波长λi曲线上目测确定波峰位置λ
pj
(j＝1,2
…
m)；
[0031]
(2)在波峰位置附近，对比λ波峰位置
pj
与附近波长λ
pj
±△
λ
对应的值大小，以最大对应的波长为峰值波长，其中
△
λ为该波长λ
pj
处的理论光谱分辨率；
[0032]
(3)遍历各波峰，利用上述步骤获得与λi曲线上的m处峰值位置及对应波长λ
pk
(k＝1,2
…
m)。
[0033]
在上述光谱定标观测矩阵提取方法中，所述提取峰值对应波长的序列图像，具体方法为：
[0034]
从所述图像序列中选取波长λi与所对应峰值波长λ
pk
(k＝1,2
…
m)对应的
序列图像
[0035]
在上述光谱定标观测矩阵提取方法中，所述观测矩阵确定，具体方法为：
[0036]
将所述序列图像按对应波长λ
pk
从小到大次序构成观测矩阵。
[0037]
本发明公开了一种计算光谱成像仪的光谱定标系统，包括：可调单色光源、平行光管、图像采集系统和光源控制系统；
[0038]
光源控制系统与可调单色光源连接，控制可调单色光源的光照强度和波长；
[0039]
图像采集系统与待定标计算光谱成像仪连接，进行图像采集；
[0040]
可调单色光源的光源出口一端对准平行光管的入射口；
[0041]
平行光管的出口端与待定标计算光谱成像仪连接，出射光垂直进入待定标计算光谱成像仪的镜头，并使待定标计算成像仪的编码板全部位置被均匀照亮。
[0042]
在上述光谱定标系统中，所述可调单色光源由宽谱光源和单色仪组成，宽谱光源光源出口对准单色仪的入光口，宽谱光源提供覆盖光谱成像仪工作范围的宽谱段光源，宽谱段光源经单色仪后形成定标用窄谱段光源。
[0043]
在上述光谱定标系统中，所述可调单色光源的宽谱光源和单色仪工作范围覆盖待定标计算光谱成像仪的工作谱段。
[0044]
在上述光谱定标系统中，所述单色仪的光谱带宽不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/12～1/10，且以不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/12～1/10的波长间隔连续输出单色光。
[0045]
本发明与现有技术的有益效果在于：
[0046]
(1)本发明是一种普适性的计算光谱成像仪的光谱定标系统及观测矩阵提取方法，对于压缩编码成像光谱仪的探测器像元与编码板单元尺寸大小关系无特殊要求；
[0047]
(2)本发明采用的光谱定标系统及观测矩阵提取方法，能够解决无标识符的编码孔径系统定标问题；
[0048]
(3)本发明不需要在编码板上引入额外的标示符，解除标定对于编码板标示符的约束，同时提高了编码板的空间使用率，降低编码板的尺寸。
附图说明
[0049]
图1为本发明计算光谱成像仪定标系统图；
[0050]
图2为本发明编码孔径计算光谱成像仪示意图；
[0051]
图3为本发明二维图像示意图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图及具体实施方式对本发明专利做进一步详细说明。
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0054]
如图1所示，本发明公开了一种计算光谱成像仪的光谱定标观测矩阵提取方法，包
括以下步骤：
[0055]
步骤(1)、可调单色光源1发送单色光经平行光管2进入待定标计算光谱成像仪；
[0056]
步骤(2)光源控制系统3控制可调单色光源1按步进值调节单色光的波长，图像采集系统4采集所述单色光得到一组图像序列，具体方法为：
[0057]
光源控制系统3控制可调单色光源1以步进值δλ从波长λ0调节至λn，调节至波长λi时，图像采集系统4采集二维图像，得到n 1个二维图像组成的图像序列图像像素数为x
×
y；
[0058]
其中，λ0为待定标计算光谱成像仪的工作波长范围的起始波长；本例中为450nm；λi为待定计算光谱成像仪的工作波长范围的中间波长，λi＝λ0 i
×
δλ，i＝1,2，......，n，本例中n＝25；δλ为波长调节步进值，本例中δλ为1nm；λn是待定标计算光谱成像仪的工作波长范围的截止波长，本例中λn为700nm；为单色波长λi下编码板在探测器上的所属单色图像的灰度值，(x,y)为探测器上的像元位置；x为图像传感器行方向像元数，x为图像传感器行方向像元序号，同时，也是色散方向，本例中x为512；y为图像传感器列方向像元数，y为探测器列方向像元序号，与色散方向垂直。
[0059]
步骤(3)、依据图像序列，计算图像相似度，具体方法为：
[0060]
计算每幅图像与第一张二维图像的图像差公式为：
[0061][0062]
计算每个波长图像差的标准偏差公式为：
[0063][0064]
其中，为的平均值，计算公式为：
[0065][0066]
计算每个波长图像与第一张二维图像的相似度，计算公式为：
[0067][0068]
其中，为每个波长图像差的标准偏差。
[0069]
本例中获得26个二维图像组成的图像序列26个图像序列对应26个单色波长下编码板在探测器上的图像，图像随着波长的增大，图像序列依次平移。
[0070]
步骤(4)、绘制图像相似度与波长对应关系曲线；
[0071]
步骤(5)、在图像相似度与波长对应关系曲线中，确定关系曲线的峰值所对应的波长，具体方法为：
[0072]
在图像相似度与波长λi曲线上目测确定波峰位置λ
pj
j＝1,2
…
m；
[0073]
在波峰位置附近，对比λ波峰位置
pj
与附近波长λ
pj
±△
λ
对应的值大小，以最大
对应的波长为峰值波长，其中
△
λ为该波长λ
pj
处的理论光谱分辨率；
[0074]
遍历各波峰，利用上述步骤获得与λi曲线上的m处峰值位置及对应波长λ
pk
k＝1,2
…
m。
[0075]
步骤(6)、提取峰值对应波长的序列图像，具体方法为：
[0076]
从所述图像序列中选取波长λi与所对应峰值波长λ
pk
k＝1,2
…
m对应的序列图像
[0077]
步骤(7)、根据序列图像，确定观测矩阵，具体方法为：
[0078]
将所述序列图像按对应波长λ
pk
从小到大次序构成观测矩阵。
[0079]
本发明公开了一种计算光谱成像仪的光谱定标系统，包括：可调单色光源1、平行光管2、光源控制系统3和图像采集系统4；
[0080]
光源控制系统3与可调单色光源1连接，控制可调单色光源1的光照强度和波长；
[0081]
图像采集系统4与待定标计算光谱成像仪连接，进行图像采集；
[0082]
可调单色光源1的光源出口一端对准平行光管2的入射口；
[0083]
平行光管2的出口端与待定标计算光谱成像仪连接，出射光垂直进入待定标计算光谱成像仪的镜头，并使待定标计算成像仪的编码板全部位置被均匀照亮。
[0084]
可调单色光源1由宽谱光源5和单色仪6组成，宽谱光源5的光源出口对准单色仪6的入光口，宽谱光源5提供覆盖光谱成像仪工作范围的宽谱段光源，宽谱段光源经单色仪6后形成定标用窄谱段光源
[0085]
可调单色光源的宽谱光源和单色仪工作范围覆盖待定标计算光谱成像仪的工作谱段。单色仪的光谱带宽不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/12～1/10，且以不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/12～1/10的波长间隔连续输出单色光。
[0086]
以待标定计算光谱成像仪工作谱段450nm～700nm为例，可调单色光源的宽谱光源5和单色仪6工作范围需覆盖450nm～700nm。单色仪的光谱带宽不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/10，且以不大于待定标计算光谱成像仪光谱分辨率1/10的波长间隔连续输出单色光，以待标定计算光谱成像仪光谱分辨率为10nm为例，单色仪的光谱带宽1nm，以1nm波长间隔连续输出单色光。
[0087]
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0088]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。