一種成像光譜儀定標位置修正的方法及裝置與流程
2023-10-06 23:07:19
本發明涉及成像光譜儀應用技術領域，特別是涉及一種成像光譜儀定標位置修正的方法及裝置。
背景技術：
傳統的成像系統只能獲得目標景物的空間圖像信息，傳統的光譜儀是通過得到隨著波長變化的輻射強度曲線的光譜信息來確定物質特性，從而得到目標光譜信息。成像光譜技術將光學成像技術與光譜探測技術相結合形成了新型遙感技術，解決了傳統光學成像儀有像無譜和傳統光譜儀有譜無像的問題。
成像光譜儀(高光譜解析度遙感)其光學系統由前置望遠系統與光譜成像系統組成，通過入射狹縫將二者有機組合在一起。光學成像系統在獲得被測目標的空間信息時，通過光譜系統把被測物體的輻射分解成不同波長的輻射，每一個像元可在一個光譜範圍內獲得幾十甚至幾百個連續的窄波段信息，能夠將這些信息轉化為一條平滑而且連續的光譜曲線，從而通過對光譜曲線的分析進行物質的識別與分類。
成像光譜儀的定標是確定其探測單元輸出數字量與接收到的電磁波信號間定量關係的過程。定標為不同的遙感儀在不同時間、不同地點測得的成型光譜數據提供統一參照，是對成像光譜數據進行定量化分析的前提。光譜儀在研製完成出廠之後，由於儀器內部元件受溫度變化等原因會產生形變以及在受到衝擊後內部元件相對位置發生變化，造成探測器中各個像素點與波長一一對應關係發生變化，導致輸出的光譜精度有偏差，因此需要使用過程中進行重新定標。
現有技術對成像光譜儀進行定標時，採用圖像處理的方法計算5個指定波長在圖像中的真實位置，然後利用幾何光學理論分別計算這5個指定波長在圖像中的理論位置。通過調整光學理論設計中的參數微調指定波長在圖像中理論位置，將在參數調整過程中計算出的理論位置與圖像處理方法計算得到的真實位置最相近的一組參數數據用來生成譜圖矩陣。
由於需要同時兼顧5個波長，定標過程中，無法找到同時滿足5個指定波長的理論位置與圖像計算真實位置同時偏差很小的參數數據，而直接由理論光學計算的譜圖矩陣與真實譜圖矩陣差距很大，導致獲得的譜圖矩陣出現較大偏差，精度不高，難以滿足工作以及科研的需求。
技術實現要素：
本發明實施例的目的是提供一種成像光譜儀定標位置修正的方法及裝置，提高了定標的準確度和精度，從而提高了成像光譜儀的輸出光譜精度。
為解決上述技術問題，本發明實施例提供以下技術方案：
本發明實施例一方面提供了一種成像光譜儀定標位置修正的方法，包括：
根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置；
根據光學理論設計方法分別計算各所述定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑理論位置；
計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差，並根據各所述偏差調整成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置，以完成對成像光譜儀定標位置的修正。
優選的，在所述並根據各所述偏差調整成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置，以完成對成像光譜儀定標位置的修正之後還包括：
根據當前波長與各所述定標波長的關係，以及各所述偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中各非定波波長的波長對應的位置進行修正。
優選的，所述預設個數的定標波長為5個定標波長或9個定標波長。
優選的，所述計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差為：
計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置在x方向的偏差。
優選的，當所述預設個數為5個時，所述根據當前波長與各所述定標波長的關係以及各所述偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中各非定波波長的波長對應的位置進行修正為：
根據下述公式所得的平移量對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的位置在x方向進行平移，以完成對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的位置的修正：
式中，a、b、c、d、e分別為各所述定標波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分別為各所述定標波長的光斑實際位置與相應的光斑理論位置在x方向上的偏差，x為所述當前波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值。
優選的，所述根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置為：
根據所述圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長在各預設幅數成像光譜儀成像圖中對應的子光斑實際位置；
將每一個所述定標波長對應的各所述子光斑實際位置進行累加取平均，以作為相應定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置。
優選的，所述計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差為：
計算每一個所述定標波長對應的各所述子光斑實際位置與相應的光斑理論位置的子偏差，將各所述子偏差進行累加取平均，以作為相應定標波長對應的偏差。
本發明實施例另一方面還提供了一種成像光譜儀定標位置修正的裝置，包括：
實際定標位置計算模塊，用於根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置；
理論定標位置計算模塊，用於根據光學理論設計方法分別計算各所述定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑理論位置；
定標位置修正模塊，用於計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差，並根據各所述偏差調整成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置，以完成對成像光譜儀定標位置的修正。
優選的，還包括：
非定標位置修正模塊，用於根據當前波長與各所述定標波長的關係，以及各所述偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中各非定波波長的波長對應的位置進行修正。
優選的，所述非定標位置修正模塊為根據下述公式所得的平移量對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的位置在x方向進行平移，以完成對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的位置的修正的模塊：
式中，a、b、c、d、e分別為各所述定標波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分別為各所述定標波長的光斑實際位置與相應的光斑理論位置在x方向上的偏差，x為所述當前波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值。
本發明實施例提供了一種成像光譜儀定標位置修正的方法，分別根據圖像處理方法與光學理論設計方法計算出若干個定標波長各自對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置與光斑理論位置；然後根據計算出各光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差對當前成像光譜儀譜圖矩陣中相應的波長對應的位置進行調整，以完成對成像光譜儀定標位置的修正。
本申請提供的技術方案通過在線檢測光學理論設計造成的定標偏差，實現了對成像光譜儀譜圖矩陣的坐標位置在定標過程中的進行修正，從而獲得準確度高的譜圖矩陣，提高了成像光譜儀定標譜圖矩陣的精度，輸出了高精度的光譜，提高了成像光譜儀系統精度以及測量精度。此外，本發明實施例還針對成像光譜儀定標位置修正的方法提供了相應的實現裝置，進一步使得所述方法更具有實用性，所述裝置具有相應的優點。
附圖說明
為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的一個示例性應用場景的示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種成像光譜儀定標位置修正方法的流程示意圖；
圖3為本發明實施例提供的一種成像光譜儀譜圖矩陣；
圖4為本發明實施例提供的另一種成像光譜儀定標位置修正方法的流程示意圖；
圖5為本發明實施例提供的成像光譜儀定標位置修正裝置的一種具體實施方式的結構圖
圖6為本發明實施例提供的成像光譜儀定標位置修正裝置的另一種具體實施方式的結構圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本申請的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」、「第三」「第四」等是用於區別不同的對象，而不是用於描述特定的順序。此外術語「包括」和「具有」以及他們任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備沒有限定於已列出的步驟或單元，而是可包括沒有列出的步驟或單元。
本申請的發明人經過研究發現，現有技術通過光學理論設計方法進行定標，生成的譜圖矩陣與真實的譜圖矩陣存在很大的偏差，而嚴重的偏差導致譜圖矩陣輸出的成像光譜儀的光譜精度很低，難以獲取準確的光譜。鑑於此，本申請通過在線檢測光學理論設計造成的定標偏差，實現了對成像光譜儀譜圖矩陣的坐標位置在定標過程中的進行修正，從而獲得準確度高的譜圖矩陣，提高了成像光譜儀定標譜圖矩陣的精度。
基於上述本發明實施例的技術方案，下面首先結合圖1對本發明實施例的技術方案涉及的一些可能的應用場景進行舉例介紹，圖1為本發明實施例提供的汞燈定標示意圖，黑色橢圓形的位置為參與定標的光斑位置，灰色圓形的位置表示利用幾何光學理論計算該波長在圖像中的位置,理想狀況下，各波長的定標位置與成像位置應重合，而由圖可見，波長wa的光斑位置a與定標計算位置a`在x方向偏差1.2個像素，波長we的光斑位置e與定標計算位置e`在x方向偏差-1.3個像素。故可見利用傳統理論光學設計生成的譜圖矩陣與真實譜圖存在較大偏差。
採用5個定波波長進行定標時，在線檢測波長wa的光學理論設計位置a與圖像處理計算實際位置a在x方向偏差△a，同理檢測得到波長wb的偏差△b、波長wc的偏差△c、波長wd的偏差△d以及波長we的偏差△e。之後將譜圖矩陣中波長wa的x方向位置向左平移△a個像素；波長wb的x方向位置向左平移△b個像素；波長wc的x方向位置向左平移△c個像素；波長wd的x方向位置向左平移△d個像素；波長we的x方向位置向左平移△e個像素，以實現對定標位置的修正，利用該修正方法生成的譜圖矩陣有利於提高譜圖矩陣中x方向的定標精度。
需要注意的是，上述應用場景僅是為了便於理解本申請的思想和原理而示出，本申請的實施方式在此方面不受任何限制。相反，本申請的實施方式可以應用於適用的任何場景。
在介紹了本發明實施例的技術方案後，下面詳細的說明本申請的各種非限制性實施方式。
首先參見圖2，圖2為本發明實施例提供的一種成像光譜儀定標位置修正方法的流程示意圖，本發明實施例可包括以下內容：
S201：根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置。
定標點數量越多，修正的效果越細緻，故隨著定標點數量的增多，定標精度也相應提高。但是，定標個數太多，一方面受定標光源中有效光斑數量限制，另一方面對後續計算處理帶來難度，故應在修正效果和定標效率間衡量，優選的，預設個數的定標波長可為5個定標波長或9個定標波長。
在根據圖像處理方法計算光斑成像位置時，可採用標準重心公式來計算光斑成像位置。當然，也可採用其他圖像處理算法進行計算，可視具體實際情況而定，本發明實施例對此並不做任何限定。
由於圖像中含有隨機噪聲，且系統存在一系列的精度誤差，故同一波長在不同的成像圖中對應的光斑的具體位置可能會不同，可採用多幀處理的方法，計算多幀圖像中各個光斑的位置，利用多幀光斑位置平均值精確定位光斑位置，具體的可為：
根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長在各預設幅數成像光譜儀成像圖中對應的子光斑實際位置；
將每一個定標波長對應的各子光斑實際位置進行累加取平均，以作為相應定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置。
舉例來說，分別選擇定標波長為波長wa、波長wb、波長wc、波長wd以及波長we，連續採集5幅成像光譜儀的成像圖，利用圖像處理方法(例如標準重心公式)計算wa在這5幅成像圖中的對應的子光斑位置為將這5個光斑位置對應的值累加取平均數作為wa的光斑實際位置依次對wb、wc、wd以及we做相同的處理，得到相應的光斑實際位置。
通過多幀處理方法，有利於提高定波波長對應的光斑位置的精度，有利於提高後續定標位置修正的準確度以及精度。
S202：根據光學理論設計方法分別計算各所述定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑理論位置。
通過光學理論設計方法計算光斑位置，一般為輸入光譜儀光學設計參數，以汞燈光斑在光譜儀成像位置為基準，採用迭代法最終確定光斑位置。由於光學系統通常存在徑向畸變、梯形畸變、枕形畸變、光學元件機械元件生產加工中個體差異、以及人工裝調等眾多不確定因素，造成幾何光學理論計算出的光譜儀譜圖矩陣與儀器真實譜圖矩陣存在偏差，這些偏差嚴重影響中階梯成像光譜儀輸出精度。
S203：計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差，並根據各所述偏差調整成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置，以完成對成像光譜儀定標位置的修正。
由於成像光譜儀的譜圖矩陣一般為二維平面坐標表示，且成像光譜儀的成像圖中表示成像光斑位置同樣採取二維平面坐標，例如二維笛卡爾坐標系。故在計算偏差時，可分別計算x方向與y方向的偏差。
但是，x方向與y方向的偏差對譜圖矩陣的精度影響不同，如圖3所示，為一種成像光譜儀譜圖矩陣，右圖為左圖局部放大顯示的原始數據，第一行對應圖像中位置的x坐標，第一列為對應圖像中位置的y坐標，非零數據為該位置對應的波長(單位為mm)。從右圖表格中可見，有效光譜相鄰很近，如果在x方向上誤差大於0.5個像素，成像光譜儀測量結果就會出錯；在y方向上誤差大於0.5個像素，測量結果精度就會降低一倍。可見，成像光斑在x方向的準確度很大程度上影響著成像光譜儀測量結果的有效性。故，優選的，可計算各光斑實際位置與相應的光斑理論位置在x方向的偏差。
考慮到成圖像中含有隨機噪聲，在利用圖像處理方法計算成像光斑的位置時，可採用多幀圖像處理方法，相應的，對於計算偏差，同樣可採用多幀偏差累加取平均數，進一步提高偏差的準確度，具體可為：
計算每一個定標波長對應的各所述子光斑實際位置與相應的光斑理論位置的子偏差，將各所述子偏差進行累加取平均，以作為相應定標波長對應的偏差。
舉例來說，分別選擇定標波長為波長wa、波長wb、波長wc、波長wd以及波長we，連續採集5幅成像光譜儀的成像圖，利用圖像處理方法(例如標準重心公式)計算wa在這5幅成像圖中的對應的子光斑位置為利用光學理論設計方法計算wa光斑理論位置為分別求得各子光斑位置在x、y方向的偏差取平均數為：
將這5個光斑位置對應的值累加取平均數作為wa的偏差(Δx，Δy)；依次對wb、wc、wd以及we做相同的處理，得到相應的偏差。
需要說明的是，在根據偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置進行調整時，如果僅僅根據偏差，是沒有辦法確定當前位置坐標的移動方向的，故應該結合S201與S202中光斑實際位置與光斑理論位置的關係進行確定調整的方向。
由上可知，本發明實施例通過在線檢測光學理論設計造成的定標偏差，實現了對成像光譜儀譜圖矩陣的坐標位置在定標過程中的進行修正，從而獲得準確度高的譜圖矩陣，提高了成像光譜儀定標譜圖矩陣的精度，輸出了高精度的光譜，提高了成像光譜儀系統精度以及測量精度。
可選的，在本實施例的一些實施方式中，請參閱圖4，所述方法例如還可以包括：
S204：根據當前波長與各所述定標波長的關係，以及各所述偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中各非定波波長的波長對應的位置進行修正。
通過對定標波長對應的位置進行修正，僅僅可以在現有技術的基礎上，成像光譜儀的譜圖矩陣中部分波長的定標位置精度得到提高，成像光譜儀的譜圖矩陣其餘的波長定標位置依然保持較大偏差，故需要對譜圖中非定波波長的其他剩餘波長對應的位置進行修正，從而得到準確度高的成像光譜儀譜圖矩陣，輸出高精度的光譜。
當定波波長為5個時，可根據下述公式所得的平移量對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的坐標位置在x方向進行平移，以完成對成像光譜儀譜圖矩陣中各所述非定波波長的波長對應的坐標位置的修正：
式中，a、b、c、d、e分別為各所述定標波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分別為各所述定標波長的光斑實際位置與相應的光斑理論位置在x方向上的偏差，x為所述當前波長在成像光譜儀譜圖矩陣上x方向上對應的位置值。
需要說明的是，上述公式可推廣到定標波長個數為任意個時，對非定波波長進行修正。
利用圖像處理計算真實位置a對a`修正後，該位置處的系統偏差得到消除，由於採用分段修正方法，光學設計中存在的非線性偏差適當降低。利用該修正方法生成的譜圖矩陣提高了譜圖矩陣中的定標精度。
本發明實施例還針對成像光譜儀定標位置修正的方法提供了相應的實現裝置，進一步使得所述方法更具有實用性。下面對本發明實施例提供的成像光譜儀定標位置修正的裝置進行介紹，下文描述的成像光譜儀定標位置修正的裝置與上文描述的成像光譜儀定標位置修正的方法可相互對應參照。
參見圖5，圖5為本發明實施例提供的成像光譜儀定標位置修正裝置在一種具體實施方式中的結構圖，該裝置可包括：
實際定標位置計算模塊501，用於根據圖像處理方法分別計算預設個數的定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑實際位置；
理論定標位置計算模塊502，用於根據光學理論設計方法分別計算各所述定標波長對應在成像光譜儀成像圖中的光斑理論位置；
定標位置修正模塊503，用於計算各所述光斑實際位置與相應的光斑理論位置的偏差，並根據各所述偏差調整成像光譜儀譜圖矩陣中相應波長對應的位置，以完成對成像光譜儀定標位置的修正。
可選的，在本實施例的一些實施方式中，請參見圖6，所述裝置例如還可以包括：
非定標位置修正模塊504，用於根據當前波長與各所述定標波長的關係，以及各所述偏差對成像光譜儀譜圖矩陣中各非定波波長的波長對應的位置進行修正。
本發明實施例所述一種成像光譜儀定標位置修正裝置的各功能模塊的功能可根據上述方法實施例中的方法具體實現，其具體實現過程可以參照上述方法實施例的相關描述，此處不再贅述。
由上可知，本發明實施例通過在線檢測光學理論設計造成的定標偏差，實現了對成像光譜儀譜圖矩陣的坐標位置在定標過程中的進行修正，從而獲得準確度高的譜圖矩陣，提高了成像光譜儀定標譜圖矩陣的精度，輸出了高精度的光譜，提高了成像光譜儀系統精度以及測量精度。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同或相似部分互相參見即可。對於實施例公開的裝置而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。
專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、計算機軟體或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬體和軟體的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬體、處理器執行的軟體模塊，或者二者的結合來實施。軟體模塊可以置於隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬碟、可移動磁碟、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。
以上對本發明所提供的一種成像光譜儀定標位置修正方法以及裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。