幹涉型光譜成像儀仿真方法
2023-05-31 00:51:01
專利名稱：幹涉型光譜成像儀仿真方法
技術領域：
本發明涉及儀器仿真技術領域，尤其涉及一種幹涉型光譜成像儀仿真方法。
背景技術：
儀器仿真技術是通過建立數學模型模擬真實儀器的各種工作模式和工作狀態，使人們在真實儀器使用前就能較準確地了解該儀器在一定的工作環境和工作條件下可能產生的結果和存在的問題，從而衡量真實儀器的性能，發現儀器潛在的設計缺陷，進一步指導儀器的設計，完善儀器的功能，該技術在航天遙感儀器的設計、研製及應用領域的作用尤為重大。 隨著二十世紀八十年代光譜成像技術的出現，光學遙感進入了高光譜遙感階段。高光譜遙感技術作為對地觀測技術的重大突破，其發展潛力是以往幾個遙感技術的發展階段所不可比擬的，高光譜成像儀由於具有寬譜段、精細光譜探測能力、圖譜合一的特點，已成為遙感領域的一大熱點，正日益顯示出重要的實用價值。 針對空間遙感對目標特性的精細化識別要求，目前普遍採用的色散方式的光譜成像技術，由於其光譜解析度與入射狹縫的寬度成反比，要獲得更高的光譜解析度，就需不斷減小狹縫的寬度，因此存在著能量利用率低等原理性缺陷，在空間解析度、光譜解析度和對弱信號的探測能力等方面受到極大限制，無法滿足上述需求，而幹涉光譜成像技術具有高靈敏度、高光譜解析度與高能量通過力等優點，具備原理上的先進性，近年來受到世界各國的廣泛關注與推崇，是目前空間對地遙感技術應用的研究熱點。 目前，幹涉型光譜成像儀仿真方法研究在我國剛剛起步，周錦松等基於空間調製幹涉光譜成像技術的原理提出了空間調製型幹涉超光譜成像儀仿真技術的初步方案(周錦松、胡亮、崔燕等，空間調製幹涉光譜成像儀仿真技術初步研究，大氣與環境光學學報，2007,2(6) :493 498 ;胡亮、黃旻、周錦松，幹涉光譜儀進行目標探測的仿真研究，計算機仿真，200S，25(6) :288 325)，但該方案仿真度較低，主要存在如下缺陷
1.只考慮了探測器的隨機噪聲，沒有考慮探測器本身的響應噪聲，而探測器本身的響應噪聲對數據的影響要比隨機噪聲的影響大的多； 2.只考慮了幹涉維響應特性的變化，沒有考慮空間維響應特性的變化，而空間調製幹涉光譜成像儀同時獲取的是幹涉維和空間維數據； 3.沒有考慮光譜復原，而光譜復原在仿真過程中的地位是很重要的，沒有光譜復原，所得到的幹涉數據不能為用戶直接所用，對仿真結果的評價就會有失偏頗。
發明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種仿真度高、可廣泛應用的幹涉型光譜成像儀仿真方法。 本發明的技術解決方案是本發明提供了一種幹涉型光譜成像儀仿真方法，其特殊之處在於該方法包括以下步驟
3
1)空間調製光譜成像儀的入瞳輻亮度進入前置鏡成像仿真，輸出輻通量；
2)輻通量輸入幹涉分光成像仿真，輸出幹涉分光成像系統像面上的輻通量；
3)幹涉分光成像系統像面上的輻通量進入探測器響應仿真，輸出幹涉量化信號；
4)幹涉量化信號通過調製傳遞函數仿真，輸出空間維和光譜維發生變化的幹涉量化信息； 5)空間維和光譜維發生變化的幹涉量化信息通過系統隨機噪聲仿真，輸出疊加系統隨機噪聲的幹涉信息； 6)疊加系統隨機噪聲的幹涉信息通過探測器噪聲仿真，輸出疊加了探測器噪聲的幹涉信息； 7)疊加了探測器噪聲的幹涉信息最後通過光譜復原將幹涉信息轉化成光譜信息。
上述步驟4)的具體實現步驟如下 4. 1)幹涉量化信號通過光譜調製傳遞函數仿真，輸出幹涉維發生變化的幹涉量化信息； 4. 2)幹涉維發生變化的幹涉量化信息通過光學傳遞函數或點擴散函數仿真後將空間維發生變化的幹涉量化信息輸出。 上述步驟l)中前置鏡成像仿真包括前置鏡仿真和狹縫仿真。 上述步驟2)中幹涉分光成像仿真包括橫向剪切幹涉儀仿真、傅氏光學系統仿真
和柱面光學系統仿真。 本發明的優點是 1、仿真度高。本發明在原有的基礎上考慮了光學傳遞函數，引入了對幹涉信息空間維的響應特性的仿真，使得幹涉信息的仿真更切合實際；同時考慮了探測器響應噪聲，使得對幹涉信息的仿真度更高。 2、應用廣泛。本發明在現有仿真技術基礎上增加了光學傳遞函數以及光譜復原可使得對仿真結果的評價更有實際意義，應用更為廣泛。本發明在前期研究成果的基礎上，對空間調製型幹涉光譜成像儀仿真方法進行了完善，從而可以獲得更好的仿真結果。
圖1為本發明的方法流程示意圖。
具體實施例方式
參見圖l，本發明提供了一種幹涉型光譜成像儀仿真方法。 步驟100 :前置鏡成像仿真，空間調製光譜成像儀的入瞳輻亮度進入前置鏡成像仿真輸出輻通量。 前置鏡成像仿真包括前置鏡仿真和狹縫仿真。根據成像系統的輻射能量傳輸，對於前置光學系統成像仿真考慮通過成像系統的輻射功率傳輸進行仿真。利用基本輻亮度守恆的概念，在光線通過不同介質的情況下，得到輻射源能量通過成像元件到達像面的輻射功率傳輸。 狹縫處的輻通量為狹縫處的光譜輻照度與狹縫尺寸的乘積formula see original document page 5cos (i) 其中、，fq，"，分別是前置光學系統的透過率，f數和視場角，S'為探測器上單元象元尺寸對應狹縫位置的面積，L ( A )為幹涉光譜成像儀入瞳處的光譜輻亮度。
步驟200 :幹涉分光成像仿真，狹縫處的輻通量輸入幹涉分光成像仿真輸出幹涉分光成像系統像面上的輻通量。 幹涉分光成像仿真包括橫向剪切幹涉儀、傅氏光學系統和柱面光學系統。它的作用是在幹涉超光譜成像儀像面位置得到狹縫上像的幹涉條紋。 狹縫處的輻通量小。m(A)，經橫向剪切幹涉儀剪切後每個虛狹縫的輻通〗
:為
積
其中Th為橫向剪切幹涉儀的透過率
幹涉分光成像系統像面的輻通量為成像系統像面的照度與探測器像元面積的乘
formula see original document page 5 其中，t g、fk為傅氏鏡、柱面鏡光學系統的透過率和f數，S表示探測器像元面積，"k， "ia為傅氏鏡、柱面鏡光學系統的視場角，d為兩虛狹縫的間距，f為傅氏鏡的像方焦距，x為像面位置距光軸上零點的距離。 步驟300 :探測器響應仿真，幹涉分光成像系統像面上的輻通量進入探測器響應仿真將幹涉量化信號輸出。 探測器響應仿真主要包括探測器及後處理過程中對信號的採樣、光電轉換，模數轉換，起到記錄和量化幹涉信息的作用。 由於探測器對不同波段的響應程度不一致，即存在光譜響應曲線R( A )，探測器的曝光時間為t，所以探測器接收到的輻射能量大小為
則探測器響應仿真輸出為幹涉量化信號
小邁(n)——DN邁(n)
步驟40Q :光譜調製傳遞函數仿真，幹涉l
:化信號通過光譜調製傳遞函數仿真輸出幹涉維發生變化的幹涉量化信息。 光譜調製傳遞函數仿真是描述仿真鏈路中光譜響應特性變化的仿真，它包括光學
系統SMTF。(v)、探測器SMTFd(v)以及電子系統SMTFe (v)的光譜響應特性的變化。 幹涉光譜成像儀數據獲取的總體光譜響應用SMTF(v)表示，當整個系統輻值響應
具有線性或相移不變性時，它是各個分系統的乘積 SMTF(v) = SMTF。(v) SMTFd(v) SMTFe(v) 利用SMTF(v)將探測器仿真輸出的幹涉量化信息DNm(n)調製成幹涉維發生變化的幹涉量化信息DNim(n):DNim (n) = FT—1 {FT [DNm (n) ] SMTF (v)} 步驟500 :光學傳遞函數或點擴散函數仿真，幹涉維發生變化的幹涉量化信息通
過光學傳遞函數或點擴散函數仿真後將空間維發生變化的幹涉量化信息輸出。 光學傳遞函數仿真描述的是仿真鏈路中空間響應特性變化的仿真，它包括光學系
統0MTF。(u)、探測器0MTFd(u)以及電子系統OMTFe(u)的所導致的空間響應特性的變化。幹
涉光譜成像儀數據獲取的總體響應用OMTF(u)表示，與光譜調製傳遞函數類似OMTF(u) = OMTF。(u) OMTFd(u) OMTFe(u) 利用OMTF(u)將探測器仿真輸出的幹涉量化信息DNim(n)調製成空間維發生變化的幹涉量化信息DNtm(n):DNtm (n) = FT—1 {FT [DNm (n) ] OMTF (u)} 步驟600 :系統隨機噪聲仿真，空間維發生變化的幹涉量化信息對系統隨機噪聲仿真，然後將疊加系統隨機噪聲的幹涉信息輸出。 隨機噪聲仿真的作用是將光譜調製傳遞函數仿真輸出的對比度發生變化的幹涉信息調製成對比度發生變化的，包含隨機噪聲信息的幹涉信息輸出。系統噪聲決定了所有輻射度學測量的基本極限，噪聲源主要包括幹涉超光譜成像儀光學系統的非理想成像特性，混淆、像移、量化噪聲。 隨機噪聲仿真用附加在信號之上的全部隨機噪聲的總體水平o ,來表示，o N由各噪聲源統計分布的標準差決定。 則疊加噪聲後的幹涉信息為
DNzm(n) = DNtm (n) + o m (n) 步驟700 :探測器噪聲仿真，疊加系統隨機噪聲的幹涉信息通過探測器噪聲仿真後將疊加了探測器噪聲的幹涉信息輸出。 探測器噪聲仿真的作用是將隨機噪聲仿真輸出的結果調製成疊加了探測器噪聲的幹涉信息輸出，包括探測器的暗電流噪聲Dm(n)和探測器的非均勻響應噪聲Am(n):
DN血(n) = DNsm(n) *Am(n)+Dm(n) 步驟800 :光譜復原，疊加了探測器噪聲的幹涉信息最後通過光譜復原將幹涉信息轉化成光譜信息。 由於通過前面的仿真步驟後得到的是目標的幹涉信息，而非用戶可以直接使用的光譜信息，而對仿真的光譜信息進行評價才更具實際意義，光譜復原的作用就是將探測器噪聲仿真輸出的幹涉信息轉換成光譜信息。
formula see original document page 7
對仿真結果給出質量評價標準，需要合理地估計光譜的最大允許誤差，可以用光譜失真度和相對偏差進行評價。 光譜失真度即光譜相對均方誤差RQE(Relative spectral Quadratic Error)的，它用來估計仿真光譜的失真程度。formula see original document page 7 式中。^、為原始光譜，二_、為仿真得到的光譜formula see original document page 7為歸一化頻率
(0 </ < 0.5 )， A為波長，fe為採樣頻率。 相對偏差的大小表示仿真曲線與真實曲線的相對差異，用來反映仿真曲線與真實曲線的匹配程度。formula see original document page 7 式中A(xi)是真實曲線第i點的值，F(xi)是仿真曲線第i點的值。
權利要求
一種幹涉型光譜成像儀仿真方法，其特徵在於該方法包括以下步驟1)空間調製光譜成像儀的入瞳輻亮度進入前置鏡成像仿真，輸出輻通量；2)輻通量輸入幹涉分光成像仿真，輸出幹涉分光成像系統像面上的輻通量；3)幹涉分光成像系統像面上的輻通量進入探測器響應仿真，輸出幹涉量化信號；4)幹涉量化信號通過調製傳遞函數仿真，輸出空間維和幹涉維發生變化的幹涉量化信息；5)空間維和幹涉維發生變化的幹涉量化信息通過系統隨機噪聲仿真，輸出疊加系統隨機噪聲的幹涉信息；6)疊加系統隨機噪聲的幹涉信息通過探測器噪聲仿真，輸出疊加了探測器噪聲的幹涉信息；7)疊加了探測器噪聲的幹涉信息最後通過光譜復原將幹涉信息轉化成光譜信息。
2. 根據權利要求1所述的幹涉型光譜成像儀仿真方法，其特徵在於所述步驟4)的具體實現步驟如下4. 1)幹涉量化信號通過光譜調製傳遞函數仿真，輸出幹涉維發生變化的幹涉量化信息；4. 2)幹涉維發生變化的幹涉量化信息通過光學傳遞函數或點擴散函數仿真後將空間維發生變化的幹涉量化信息輸出。
3. 根據權利要求1或2所述的幹涉型光譜成像儀仿真方法，其特徵在於所述步驟1)中前置鏡成像仿真包括前置鏡仿真和狹縫仿真。
4. 根據權利要求3所述的幹涉型光譜成像儀仿真方法，其特徵在於所述步驟2)中幹涉分光成像仿真包括橫向剪切幹涉儀仿真、傅氏光學系統仿真和柱面光學系統仿真。
全文摘要
本發明涉及一種幹涉型光譜成像儀仿真方法，該方法包括1)空間調製光譜成像儀的入瞳輻亮度進入前置鏡成像仿真；2)幹涉分光成像仿真；3)探測器響應仿真；4)調製傳遞函數仿真；5)系統隨機噪聲仿真；6)探測器噪聲仿真；7)光譜復原將幹涉信息轉化成光譜信息。本發明提供了一種仿真度高、可廣泛應用的幹涉型光譜成像儀仿真方法。
文檔編號G06F17/50GK101782932SQ20091002099
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者呂群波, 周錦松, 崔燕, 景娟娟, 相裡斌, 胡亮, 黃旻 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所