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CN112880828B - 一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法 - Google Patents

一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法 Download PDF

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CN112880828B
CN112880828B CN202110075364.6A CN202110075364A CN112880828B CN 112880828 B CN112880828 B CN 112880828B CN 202110075364 A CN202110075364 A CN 202110075364A CN 112880828 B CN112880828 B CN 112880828B
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王伟东
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刘学斌
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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Abstract

本发明为了解决现有色散型成像光谱仪对月成像去暗电平时，采用静态暗电平的方法无法体现暗电平实时变化的技术问题，提出了一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法。利用色散型成像光谱仪在短波红外波段对月球完成一个周期的推扫，获取高光谱数据立方体D(i，j，k)，去坏像元处理；获取单波段的二维图像Dk0(i，j)；建立暗电平动态变化模型P(j)；获取静态暗电平Ddark(i，k)；获取第j帧光谱图的真实值Dreal‑j(i，j，k)；最终获得真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)。本发明方法将传统的静态暗电平转化为动态暗电平，有效地去除了色散型成像光谱仪在短波红外波段对月观测数据中的背景噪声，提高了成像光谱仪的数据质量。

Description

一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法
技术领域
本发明涉及一种成像光谱仪的暗电平校正方法，具体涉及一种色散型成像光谱仪在短波红外波段对月成像的暗电平校正方法。
背景技术
光谱成像技术始于20世纪80年代，是遥感成像技术的重要分支。成像光谱仪可同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，具有“图谱合一”的特点，在很多领域都有重要应用。其中，色散型成像光谱仪具有技术成熟度高且易于实现小型化和轻量化的特点，是应用最为广泛的成像光谱仪。
色散型成像光谱仪单次采集可获得一列目标的光谱数据，通过连续扫描获得另一维的空间信息，最终得到三维的数据立方体。月球是除太阳外对地张角最大的天体，在使用色散型成像光谱仪对月成像时，为保证获得完整的月球图像以及足够的信号强度，一个扫描周期需要持续时间为四分钟左右。由于短波红外探测器对温度等环境因素非常敏感，具体表现为在观测过程中背景噪声即暗电平会不断变化。传统的去暗电平的方法是选取月球左右两侧的深空区域求平均作为暗电平的有效值，这样做得到的是一个静态的暗电平，无法体现暗电平的实时变化。
发明内容
本发明的目的是解决现有色散型成像光谱仪对月成像去暗电平时，采用静态暗电平的方法无法体现暗电平实时变化的技术问题，提出一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，将传统的静态暗电平转化为动态暗电平，有效地去除了色散型成像光谱仪在短波红外波段对月观测数据中的背景噪声，提高了成像光谱仪的数据质量。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、获取高光谱数据立方体D(i，j，k)：
利用色散型成像光谱仪在短波红外波段对月球完成一个周期的推扫，获取高光谱数据立方体D(i，j，k)，D(i，j，k)为第j帧光谱图中第i个像元在第k波段的测量值；
其中：i、j、k均为正整数；
i为垂直于月球运动方向像元序列，1≤i≤I，I为成像光谱仪探测器总行数；
j为平行于月球运动方向的像元序列，1≤j≤J，j与观测帧数一致，J为一个扫描周期的总帧数；
k为波段序列，1≤k≤K，K为成像光谱仪探测器总列数；
步骤2、获取单波段的二维图像Dk0(i，j)：
选取高光谱数据立方体D(i，j，k)中的一个波段k0，1≤k0≤K，获得二维图像Dk0(i，j)，Dk0(i，j)为第j帧光谱图中第i个像元在k0波段的测量值；
步骤3、建立暗电平动态变化模型P(j)：
选取二维图像Dk0(i，j)中上部和下部无月球区域各m行作为监视区域，建立暗电平随帧数j的动态变化模型P(j)：
Figure BDA0002907421250000021
其中：
Dk0(i，1)为第1帧光谱图中第i个像元在k0波段的图像；
m取二维图像Dk0(i，j)上部无月球区域行数的1/3～2/3，或下部无月球区域行数的1/3～2/3，且m为正整数；
步骤4、获取静态暗电平Ddark(i，k)：
筛选高光谱数据立方体D(i，j，k)中观测到月球之前的前n帧光谱图作为暗电平区域，对该区域的暗电平测量值求平均值，获得单帧光谱图中第i个像元在第k波段的静态暗电平Ddark(i，k)：
Figure BDA0002907421250000031
其中：
n取高光谱数据立方体D(i，j，k)观测到月球之前光谱图帧数的1/3～2/3，且n为正整数；
D(i，y，k)为前n帧光谱图中，第y帧光谱图第i个像元在第k波段的测量值；
步骤5、获取第j帧光谱图的真实值Dreal-j(i，j，k)：
Figure BDA0002907421250000032
其中：
Figure BDA0002907421250000033
为第j帧光谱图的暗电平校正系数；
P(y)为前n帧光谱图中，第y帧光谱图的暗电平动态变化模型数值；
依据上式，获取J个帧光谱图的真实值Dreal-1(i，1，k)、Dreal-2(i，2，k)、Dreal-3(i，3，k)……，Dreal-J(i，J，k)；
步骤6、获得真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)：
将步骤5中获取到的J个帧光谱图的真实值合成真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)，完成一个扫描周期的暗电平校正。
进一步地，为了提高成像光谱仪的数据质量，步骤1中，还包括对高光谱数据立方体D(i，j，k)进行去坏像元预处理的步骤。
进一步地，为了获得完整的月球图像，步骤1中，所述推扫的初始位置位于月球相对成像光谱仪运动方向正向无月面区域。
进一步地，为了确保暗电平校正精度，步骤3中，m取图像Dk0(i，j)上部无月球区域行数的1/2，或下部无月球区域行数的1/2。
进一步地，步骤4中，n取高光谱数据立方体D(i，j，k)观测到月球之前光谱图帧数的1/2。
本发明的有益效果是：
1)本发明根据监视区域的测量值变化趋势，建立整个扫描过程中有效区域暗电平变化的动态模型，最终服务于色散型成像光谱仪在短波红外波段对月成像的暗电平校正，有效解决环境因素变化在短波红外波段给色散型成像光谱仪带来的暗电平变化的问题，提高了成像光谱仪的数据质量，并且在红外波段对其他星体观测时，具有很大的借鉴意义。
2)本发明在对月成像过程中，出现短波红外波段的暗电平不稳定的情况时，利用月球上下两侧的无目标区域作为监视区域，将观测的月球之前的无目标帧区域作为暗电平区域，来监视整个扫描过程中暗电平的变化，将传统的静态暗电平转化为动态暗电平，提高了光谱图的数据质量。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的流程图；
图2为采用现有静态暗电平模型校正后的单波段月球图；
图3为采用本发明实施例的暗电平校正方法处理后的单波段月球图；
图4为本发明实施例中图像区域选取示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
为了有效解决环境因素变化在短波红外波段给色散型成像光谱仪带来的暗电平变化的问题，本发明在观测时预留监视区域，在一次扫描过程结束后，根据监视区域的观测结果建立整个扫描过程中有效区域暗电平变化的动态模型，实现对月成像的暗电平校正。
本发明一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法流程图如图1所示，其具体步骤如下：
1)：获取高光谱数据立方体D(i，j，k)；
利用色散型成像光谱仪对月球完成一个周期的推扫，得到高光谱数据立方体D(i，j，k)，D(i，j，k)为第j帧图像中第i个像元在第k个波段的原始测量值；其中，空间维数据由i和j表示，垂直于月球运动方向像元序列记为i，1≤i≤I，且为整数，I为成像光谱仪探测器总行数；平行于月球运动方向的像元序列记为j，j与观测帧数一致，1≤j≤J，且为整数，J为一次完整扫描的总帧数，与视场角相关；光谱维数据由波段序列k表示，1≤k≤K，且为整数，K为成像光谱仪探测器总列数；为获得完整的月球图像，初始位置应位于月球相对成像光谱仪运动方向正向无月面区域；
在成像光谱仪的非理想状态下，通常还需要对成像光谱仪扫描得到的原始高光谱数据立方体进行常规去坏像元预处理；
2)：获取单波段的二维图像Dk0(i，j)；
对高光谱数据立方体D(i，j，k)进行筛选，选定一个波段k0，1≤k0≤K，取k＝k0的数据，将这些数据合成二维图像Dk0(i，j)；理论上k0可以选择任意k值，通常选择避开大气吸收峰的波段；
3)：建立暗电平动态变化模型P(j)；
选取步骤2)得到的图像Dk0(i，j)中上下无月球区域各m行作为监视区域，以此建立暗电平随时间即帧数的动态变化模型P(j)：
Figure BDA0002907421250000051
其中j＝1，2，3…，J；
通常m在图像Dk0(i，j)上下无月球区域的取值相等，可以减少背景上下不均匀带来的影响，在精度要求不高的情况下，也可以取值不相等，还可以只取上无月球区域或下无月球区域的m行作为监视区域；本实施例中，m取图像Dk0(i，j)上下无月球区域行数的中间值，m取值太小会影响处理精度，取值过大则会因计算量增大而降低效率；
4)：获取静态暗电平Ddark(i，k)；
筛选数据立方体D(i，j，k)中观测到月球之前的数据，即前n帧作为暗电平区域，对该区域帧数求平均，获得单帧光谱图中第i个空间像元在第k波段的静态暗电平Ddark(i，k)：
Figure BDA0002907421250000061
其中，i＝1，2，3…，I；k＝1，2，3…，K；
通常n取值太小会影响处理精度，取值过大则会因计算量增大而降低效率；本实施例中，n取观测到月球之前帧数的中间值；
5)：通过计算获取第1帧光谱图的真实值Dreal-1(i，1，k)；
Figure BDA0002907421250000062
其中：D(i，1，k)-第1帧光谱图的测量值；
Ddark(i，k)-静态暗电平；
Figure BDA0002907421250000063
-第1帧光谱图的暗电平校正系数；
6)：通过计算获取第2帧光谱图的真实值Dreal-2(i，2，k)；
Figure BDA0002907421250000064
其中：D(i，2，k)-第2帧光谱图的测量值；
Ddark(i，k)-静态暗电平；
Figure BDA0002907421250000071
-第2帧光谱图的暗电平校正系数；
7)：通过计算获取第3帧光谱图的真实值Dreal-3(i，3，k)；
Figure BDA0002907421250000072
其中：D(i，3，k)-第3帧光谱图的测量值；
Ddark(i，k)-静态暗电平；
Figure BDA0002907421250000073
-第3帧光谱图的暗电平校正系数；
8)：依次类推，直至获取第J帧光谱图的真实值Dreal-J(i，J，k)，完成一个扫描周期的暗电平校正；
Figure BDA0002907421250000074
其中：D(i，J，k)-第J帧光谱图的测量值；
Ddark(i，k)-静态暗电平；
Figure BDA0002907421250000075
-第J帧光谱图的暗电平校正系数；
9)：将步骤6)至步骤9)校正后的所有数据合成真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)。
上述步骤4)以可在步骤2)之前进行。
本发明方法中，区域选取示意图如图4所示，图中以某一波段图像为例，虚线框出了监视区域和暗电平区域在图像中的位置，图像的上下m行为监视区域，图像左边的前n帧为暗电平区域。
试验验证：
采用现有静态暗电平模型校正后的单波段月球图如图2所示；通过本发明实施例暗电平校正处理后的单波段月球图如图3所示。可以看出采用静态暗电平虽然可以有效抑制噪声，但是放大后可以发现信号有上升的趋势，而采用本发明提出的方法校正后，月球周围的噪声值更低更平稳。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取高光谱数据立方体D(i，j，k)：
利用色散型成像光谱仪在短波红外波段对月球完成一个周期的推扫，获取高光谱数据立方体D(i，j，k)，D(i，j，k)为第j帧光谱图中第i个像元在第k波段的测量值；
其中：i、j、k均为正整数；
i为垂直于月球运动方向像元序列，1≤i≤I，I为成像光谱仪探测器总行数；
j为平行于月球运动方向的像元序列，1≤j≤J，j与观测帧数一致，J为一个扫描周期的总帧数；
k为波段序列，1≤k≤K，K为成像光谱仪探测器总列数；
步骤2、获取单波段的二维图像Dk0(i，j)：
选取高光谱数据立方体D(i，j，k)中的一个波段k0，1≤k0≤K，获得二维图像Dk0(i，j)，Dk0(i，j)为第j帧光谱图中第i个像元在k0波段的测量值；
步骤3、建立暗电平动态变化模型P(j)：
选取二维图像Dk0(i，j)中上部和下部无月球区域各m行作为监视区域，建立暗电平随帧数j的动态变化模型P(j)：
Figure FDA0002907421240000011
其中：
Dk0(i，1)为第1帧光谱图中第i个像元在k0波段的图像；
m取二维图像Dk0(i，j)上部无月球区域行数的1/3～2/3，或下部无月球区域行数的1/3～2/3，且m为正整数；
步骤4、获取静态暗电平Ddark(i，k)：
选取高光谱数据立方体D(i，j，k)中观测到月球之前的前n帧光谱图作为暗电平区域，对该区域的暗电平测量值求平均值，获得单帧光谱图中第i个像元在第k波段的静态暗电平Ddark(i，k)：
Figure FDA0002907421240000021
其中：
n取高光谱数据立方体D(i，j，k)观测到月球之前光谱图帧数的1/3～2/3，且n为正整数；
D(i，y，k)为前n帧光谱图中，第y帧光谱图第i个像元在第k波段的测量值；
步骤5、获取第j帧光谱图的真实值Dreal-j(i，j，k)：
Figure FDA0002907421240000022
其中：
Figure FDA0002907421240000023
为第j帧光谱图的暗电平校正系数；
P(y)为前n帧光谱图中，第y帧光谱图的暗电平动态变化模型数值；
依据上式，获取J个帧光谱图的真实值Dreal-1(i，1，k)、Dreal-2(i，2，k)、Dreal-3(i，3，k)……，Dreal-J(i，J，k)；
步骤6、获得真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)：
将步骤5中获取到的J个帧光谱图的真实值合成真实高光谱数据立方体Dreal(i，j，k)，完成一个扫描周期的暗电平校正。
2.根据权利要求1所述一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特征在于：步骤1中，还包括对高光谱数据立方体D(i，j，k)进行去坏像元预处理的步骤。
3.根据权利要求1或2所述一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特征在于：步骤1中，所述推扫的初始位置位于月球相对成像光谱仪运动方向正向无月面区域。
4.根据权利要求1或2所述一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特征在于：步骤3中，m取图像Dk0(i，j)上部无月球区域行数的1/2，或下部无月球区域行数的1/2。
5.根据权利要求1或2所述一种色散型成像光谱仪对月成像的暗电平校正方法，其特征在于：步骤4中，n取高光谱数据立方体D(i，j，k)观测到月球之前光谱图帧数的1/2。
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