一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除方法

2023-05-02 16:57:56

一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除方法
【專利摘要】本發明涉及一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲的消除方法，將探測器對不同景物探測輸出的每一幀原始數據做預處理得到多幀圖像，將大量圖像數據求平均，然後進行相對輻射定標係數的計算；對大量景物的響應數據進行疊加後，近似認為沿狹縫方向的每一行像元的響應數據相同，針對每一行進行分別的相對輻射定標，並將所有像元的相對輻射定標係數拼接後，得到整機的相對輻射定標係數，完成整機即稜鏡色散型成像光譜儀的相對輻射定標；經相對輻射定標修正後的圖像再進行後期的圖像處理，即得到稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除後的圖像。本發明消除成像光譜儀的探測器不均勻性及狹縫塵埃引入的條帶噪聲，對上述兩種不同機制產生的條帶噪聲均有較好的消除效果。
【專利說明】一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除方法，屬於成像光譜【技術領域】。

【背景技術】
[0002]成像光譜技術是一種新型遙感技術，是近年來光學遙感【技術領域】的一次重大突破。該技術將成像技術與光譜技術相結合，能夠同時實現目標的空間信息及光譜信息的獲取。高精度光譜信息有助於提高對目標的屬性分類和識別精度，揭露偽裝，降低虛警率，在環境監測、自然災害預警、軍事應用等多領域得到了廣泛應用。
[0003]稜鏡色散型成像光譜儀是一種較為成熟的成像光譜系統，其結構簡單，光能利用率高，取得了很好的應用效果。原理如圖1所示，稜鏡色散型成像光譜儀通常含有狹縫，目標輻射能經過前置光學系統聚焦到狹縫上，透過狹縫的光經準直之後進入色散系統，色散元件將其沿垂直狹縫方向展開成不同波段，並成像在探測器上，從而獲得目標的光譜信息。面陣探測器與色散方向相對應的一維稱為光譜維，與之垂直的另一維對應狹縫方向，是垂直軌道方向的地物維，成像光譜儀沿垂直狹縫方向推掃，探測器連續採集多幀圖像形成沿軌道方向的地物維。稜鏡色散型成像光譜儀便是用這種方法形成既含有空間信息又含有光譜信息的數據立方體。
[0004]影響稜鏡色散型成像光譜儀像質的因素之一是條帶噪聲，如圖1所示，條帶出現在探測器輸出的每一幀圖像的光譜維方向，及合成以後的景物圖像中的沿軌方向。條帶噪聲產生的原因有二:一是探測器本身響應不均勻，大面陣探測器通常分為若干個區，不同區域之間的響應特徵不統一，導致不同區域連接的部位出現條帶；二是狹縫上塵埃遮擋了入射光所致，通常狹縫很窄，附著在狹縫上的塵埃遮擋了入射光，探測器上與之對應的位置接收不到光信息，因此輸出數據為一列沿光譜維方向的條帶。這兩種因素中，探測器產生的條帶是有規律的，這是由於通常探測器的分區都是平均分配，而狹縫塵埃導致的條帶是隨機的，並且隨著時間的變化，塵埃的位置及數量的改變，條帶的特徵也會發生改變。
[0005]目前常用的針對成像光譜儀條帶噪聲的消除方法之一是基於圖像的條帶噪聲消除方法，例如直方圖匹配方法、矩匹配方法及其改進方法、傅立葉變換方法、小波變換方法、鄰域插值法等。詳見碩士學位論文《高光譜圖像條帶噪聲濾除技術的研究》，曹豔麗。
[0006]基於圖像的條帶噪聲消除方法有消噪不徹底、改變圖像及光譜信息、因對圖像及噪聲特徵有特殊要求而通用性差等缺點。直方圖匹配法會對原始圖像的信息有較大的改變。矩匹配方法及其改進方法對噪聲的消除不徹底、且光譜信息會發生畸變。傅立葉變換方法存在圖像條帶噪聲濾除不徹底或者圖像紋理細節信息丟失等缺點。小波變換方法有閾值選取複雜、對圖像及條帶噪聲特徵要求嚴格等缺陷，通用性差。鄰域插值法僅適用於分布周期比較規律的窄帶噪聲，同樣有通用性差的缺陷。
[0007]另一種是基於相對輻射定標的方法。相對輻射定標是指將成像光譜儀不同探測單元的輸出數據進行歸一化處理，消除這些不均勻性的過程，成像光譜儀的不均勻性主要來自光學系統的不均勻和探測器不同像元響應不均勻。
[0008]對於光路中不含分光模塊的成像光譜儀，例如濾光片式，相對定標的主要方法是使成像光譜儀對大面陣均勻光響應，此時理論上探測器每個像元輸出的信號相同，實際由於光學系統不均勻、探測器每個像元響應不均勻等原因，每個像元的輸出信號有差異。利用所有像元的灰度平均值除以每一個像元的灰度值，得到相對定標係數。相對定標係數用於在之後的使用中對成像光譜儀進行相對輻射定標校正。
[0009]對於推掃幹涉型成像光譜儀，雖然其光路中含有分光模塊導致探測器每個像元的輸出不同，但是沿狹縫方向的每一行像元對應同一個光譜通道，理論上應具有相同的響應輸出，因此也可以用相似的方法進行條帶噪聲消除(詳見《推掃型幹涉成像光譜儀去除條帶非均勻性的方法》，曹瑋亮等)。
[0010]這種使用均勻光源對成像光譜儀進行相對定標，實現條帶噪聲消除的方法卻無法用於稜鏡色散型成像光譜儀。原因是:
[0011](I)光路中不含分光模塊的成像光譜儀，理論上二維探測器每個像元對均勻光響應的輸出信號相同，依據此原理針對所有像元進行相對輻射定標可以消除條帶噪聲。而稜鏡色散型成像光譜儀光路中含有分光模塊，理論上探測器每個像元對均勻光響應輸出信號不同，因此無法使用此方法進行相對輻射定標；
[0012](2)對於某些含有分光模塊的成像光譜儀，例如推掃幹涉型成像光譜儀，雖然探測器每個像元對均勻光的響應不同，但是與狹縫相對應的每一行像元都對應相同的光譜通道，因此理論上探測器每一行像元對均勻光的響應相同，故而可以分別針對每一行像元進行相對輻射定標，從而消除條帶噪聲。而由於稜鏡色散型成像光譜儀存在譜線彎曲現象，其探測器上每一行像元對應不同的光譜通道，因此理論上每一行像元的輸出信號不同，無法使用這種相對輻射定標方法；
[0013](3)對於稜鏡色散型成像光譜儀，針對整機的相對輻射定標無法進行，只能將光學系統拆除，對探測器進行單獨的相對輻射定標。此方法可以消除探測器像元間響應不均勻引入的條帶噪聲，而無法消除狹縫塵埃引入的條帶噪聲，對提升成像光譜儀的圖像質量效果有限。
[0014]現有的對成像光譜儀圖像條帶噪聲的消除方法中，基於圖像的方法有消噪不徹底、改變圖像及光譜信息、因對圖像及噪聲特徵有特殊要求而通用性差等缺點；基於相對輻射定標的方法不適用稜鏡色散型成像光譜儀。
[0015]本發明找到一種適用於稜鏡色散型成像光譜儀的基於相對輻射定標的條帶噪聲消除方法。


【發明內容】

[0016]本發明技術解決問題:克服現有技術的不足，提供了一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲的消除方法，消除成像光譜儀的探測器不均勻性及狹縫塵埃引入的條帶噪聲，對上述兩種不同機制產生的條帶噪聲均有較好的消除效果。
[0017]本發明技術解決方案:一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲的消除方法，實現步驟如下:
[0018]步驟1:首先將探測器對不同景物探測輸出的每一幀原始數據做預處理，得到多幀圖像Ai，j，n，其中i為光譜維方向的像元序數，i = 1、2、3、…、I ；j為沿狹縫方向的地物維像元序數，j = 1、2、3、…、J ;n為圖像巾貞序數，η = 1、2、3、…、N;
[0019]步驟2:將預處理後的N幀圖像數據求平均，得平均圖像PiJ，其中Ν>10000，計算方法如下:

N.
[0020]Pu = Σ Ai j li / N

77-1
[0021]步驟3:圖像的不均勻性修正，即相對輻射定標係數的計算，計算方法為:對於平均圖像Pu，求沿狹縫方向每一行像元的平均值，用此平均值除以Pu上當前行每個像元的灰度，得到相對輻射定標係數，對Pu的每一行都按此方法計算，如下:
[0022]。_ItPlJ Z J
S - _.—
J P1J
[0023]由此得到一個相對輻射定標係數矩陣，其元素個數與探測器像元數相同；
[0024]步驟4:採用步驟3計算的相對輻射定標係數，具體方法為:探測器輸出的每一幀原始圖像經預處理後記為A。，A。每個元素與a。中對應元素相乘，得到經相對輻射定標修正後的一幀圖像/，如下式所示:
[_ Ai,/ =AiijXaiij
[0026]探測器輸出的每一幀圖像經預處理後記為分別對應的是二維探測器兩個方向的像元序數，步驟I中的Aun下標多出的η是為了在計算ai, j時，給採用的N幀原始圖像數據進行標號，例如η = I表示是第I巾貞，η = 100表示第100巾貞。而在使用Si,」對圖像進行修正時，探測器輸出Aiij沒有對幀序數進行標號的必要，所以就把變量η去掉了。
[0027]步驟5:對大量景物的響應數據進行疊加後，近似認為沿狹縫方向的每一行像元的響應數據相同，針對每一行進行分別的相對輻射定標，並將所有像元的相對輻射定標係數拼接後，得到整機的相對輻射定標係數，完成整機即稜鏡色散型成像光譜儀的相對輻射定標；
[0028]步驟6:經相對輻射定標修正後的圖像再進行後期的圖像處理，即得到稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除後的圖像。
[0029]所述步驟I中的預處理包括減暗電流，絕對輻射定標處理。
[0030]本發明與現有技術相比的優點在於:現有的對成像光譜儀圖像條帶噪聲的消除方法中，基於圖像的方法有消噪不徹底、改變圖像及光譜信息、因對圖像及噪聲特徵有特殊要求而通用性差等缺點；基於相對輻射定標的方法不適用稜鏡色散型成像光譜儀。本發明找到一種適用於稜鏡色散型成像光譜儀的基於相對輻射定標的條帶噪聲消除方法。
[0031]由於稜鏡色散型成像光譜儀光路中存在分光模塊，且色散特性存在譜線彎曲，SP沿狹縫方向的每一行像元對應不同波段的光譜數據，因此理論上探測器輸出的數據難以達到整體或部分像元有相同響應。本發明方法使用儀器對實際景物拍攝的大量數據進行疊力口，由於景物種類很多，且每種景物光譜特徵不同，加之沿狹縫方向同一行像元對應相似的光譜波段，因此經大量疊加後的數據，可以近似認為沿狹縫方向同一行像元得到了相同亮度等級的光信息，用此種方法達到探測器部分像元響應值相同，相對輻射定標得以進行。
[0032]針對沿狹縫方向每一行像元進行單獨的相對輻射定標，得到相對輻射定標係數。用此係數對成像光譜儀的輸出數據進行修正，實驗結果表明，此種方法可以有效消除兩種不同機制產生的條帶噪聲，同時對圖像灰度不均勻性也有較好的修正效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為稜鏡色散型成像光譜儀結構圖；
[0034]圖2為稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除效果對比圖，其中(a)原圖，(b)為本發明條帶噪聲消除後圖像。

【具體實施方式】
[0035]某些基於相對輻射定標的方法需要特殊的裝置及有針對性的實驗，例如某些方法需要使用均勻光源，這就需要有積分球或漫反射白板等設備，並需要單獨的實驗得到成像光譜儀對此光源的響應數據。本發明所用方法在實驗簡潔性方面類似基於圖像的方法，利用成像光譜儀對實際景物的大量拍攝數據進行相對輻射校正，不需要特殊的裝置及單獨的實驗即可完成。
[0036]本發明的原理:首先，在使用本發明的方法之前，需要對每一幀實驗數據做預處理，包括減暗電流，絕對輻射定標處理等。
[0037]探測器輸出的原始數據為二維圖像，其中一維對應光譜維，另一維對應沿狹縫方向的地物維。由於稜鏡色散型成像光譜儀的光路中含有分光系統，且稜鏡作為色散原件存在譜線彎曲的特點，因此探測器不可能輸出整體或部分均勻的圖像，導致相對輻射定標無法完成。
[0038]本發明提供的方法首先從原理上找到一種使探測器輸出圖像變均勻的可能。
[0039]探測器沿狹縫方向的每一行像元，雖然不處於相同的波長通道，但處於近似的波長通道。此時，若將大量成像光譜儀對不同景物的響應圖像進行疊加，可以近似認為同一行像元得到了等量的輻射能。可以理解的是，若大量對相同景物的圖像進行疊加，只是在成倍的增加每個像元的響應，因此無法保證同一行像元得到相等的輻射能。
[0040]本發明的「大量」是指:成像光譜儀沿軌道方向運動過程中，每個像元對不同景物進行響應，因此探測器輸出的每一幀圖像的灰度特徵不同(可以理解的是，若對相同景物進行響應，如實驗室的積分球光源，則每一幀輸出圖像的灰度特徵都相同)，將大量(此處使用大量圖像是基於對多種不同地物成像的需求，使用的圖像越多，則平均後的圖像沿狹縫方向每一行像元的響應越一致，所以圖像幀數選擇並不十分嚴格，數萬幀或數十萬幀都可以。若根據經驗值，可規定選取的幀數要大於10000，即上文提到的N>10000)圖像進行疊力口，由於沿狹縫方向的每一行像元處於近似的波長通道，因此可認為得到了等量的輻射能，對每一行像元單獨的相對輻射定標得以進行。
[0041]相對輻射定標係數的計算方法如下:
[0042]步驟1:首先將每一幀原始數據做預處理，得到多幀圖像Ayn，其中i為光譜維方向的像元序數，且i = 1、2、3、…、I,j為沿狹縫方向的地物維像元序數,且j = 1、2、3、…、J，η為圖像幀序數，且η = 1、2、3、…、N。
[0043]步驟2:將預處理後的N幀圖像數據求平均，計算方法如下:
[0044]Pu = Σ AU,n / Ν

n-1
[0045]步驟3:圖像的不均勻性修正，即相對輻射定標係數的計算方法。對於平均圖像Pu，求沿狹縫方向每一行像元的平均值，用此平均值除以Pi，j上當前行每個像元的灰度，得到相對輻射定標係數。對Pu的每一行都按此方法計算，如下:
YjPlj/ J
[0046]—分
d —-
…P
[0047]由此得到一個相對輻射定標係數矩陣，其元素個數與探測器像元數相同。
[0048]用上述計算的相對輻射定標係數可以有效消除條帶噪聲，具體使用方法為:探測器輸出的每一幀原始圖像經預處理後記為A。，A。每個元素與a。中對應元素相乘，得到經相對輻射定標修正後的圖像/，如下式所示:
[0049]Ai,/ = Ai；J Xai；J
[0050]經相對輻射定標修正後的圖像再進行後期的圖像處理，例如不同通道景物圖合成、真彩及偽彩圖的合成，得到條帶噪聲消除後的圖像。元素個數與探測器像元數相同，數值接近於I。
[0051]如圖2示，本發明可以有效消除稜鏡色散型成像光譜儀的條帶噪聲，這種條帶噪聲主要來自兩方面:一是探測器自身不均勻性引起的條帶，二是狹縫塵埃遮擋光信號引入的條帶噪聲。本發明除了可以消除條帶噪聲之外，還對圖像灰度不均勻性有較好的修正效果O
[0052]提供以上實施例僅僅是為了描述本發明的目的，而並非要限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附權利要求限定。不脫離本發明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發明的範圍之內。
【權利要求】
1.一種稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲的消除方法，其特徵在於實現步驟如下: 步驟1:首先將探測器對不同景物探測輸出的每一幀原始數據做預處理，得到多幀圖像Ai，j，n，其中i為光譜維方向的像元序數，i = 1、2、3、…、I ；j為沿狹縫方向的地物維像元序數，j = 1、2、3、…、J ;n為圖像巾貞序數，η = 1、2、3、…、N; 步驟2:將預處理後的N幀圖像數據求平均，得平均圖像Pi，j，其中Ν>10000，計算方法如下:
N
P..~ ^ A..JN
P 1、J Lu i>J』n '
η~? 步驟3:圖像的不均勻性修正，即相對輻射定標係數的計算，計算方法為:對於平均圖像Pu，求沿狹縫方向每一行像元的平均值，用此平均值除以Pu上當前行每個像元的灰度，得到相對輻射定標係數，對Pu的每一行都按此方法計算，如下:
Σ pu / J P一_ —Pu 由此得到一個相對輻射定標係數矩陣，其元素個數與探測器像元數相同； 步驟4:採用步驟3計算的相對輻射定標係數，具體方法為:探測器輸出的每一幀原始圖像經預處理後記為Ai, \」每個元素與\」中對應元素相乘，得到經相對輻射定標修正後的一幀圖像/，如下式所示:
Ai,/ 探測器輸出的每一幀圖像經預處理後記為A^i，」.分別對應的是二維探測器兩個方向的像元序數； 步驟5:對大量景物的響應數據進行疊加後，近似認為沿狹縫方向的每一行像元的響應數據相同，針對每一行進行分別的相對輻射定標，並將所有像元的相對輻射定標係數拼接後，得到整機的相對輻射定標係數，完成整機即稜鏡色散型成像光譜儀的相對輻射定標； 步驟6:經相對輻射定標修正後的圖像再進行後期的圖像處理，即得到稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲消除後的圖像。
2.根據權利要求1所述的稜鏡色散型成像光譜儀條帶噪聲的消除方法，其特徵在於:所述步驟I中的預處理包括減暗電流，絕對輻射定標處理。
【文檔編號】G06T5/00GK104236707SQ201410490421
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】張雪靜, 周錦松, 景娟娟, 曾曉茹, 付錫祿, 李雅燦, 馮蕾 申請人:中國科學院光電研究院