一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法技术

本发明专利技术公开了一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法，首先成像光谱仪通过漫反射板获取全视场的太阳散射光光谱，然后在中心视场光谱中选择一条大气吸收线作为匹配谱线，并在成像光谱仪空间方向进行光谱匹配以获取不同视场处的大气吸收线的像元位置，进而得到空间视场光谱弯曲值。最后基于光谱弯曲值实现成像光谱仪光谱弯曲的校正。本发明专利技术实现了基于大气吸收线的光谱弯曲校正，消除了由于大视场引起的光谱弯曲畸变，方法可靠且简单易行，有利于提高成像光谱仪的光谱质量。

【技术实现步骤摘要】
一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法
本专利技术属于高光谱大视场成像光谱仪光谱图像校正领域，具体涉及一种高光谱大视场成像光谱仪空间视场光谱弯曲校正方法。
技术介绍
星载高光谱大视场成像光谱仪是一种天底方向上的推扫型成像光谱仪，采用凸面光栅分光，探测范围为310-406nm，光谱分辨率<1nm，通过探测地球大气或地表反射、散射光来反演大气中污染气体的分布和变化，具有高分辨率、大视场角的特点。其在穿轨方向形成能够形成114°大视场(在轨运行时对应地面2600km)，探测器采用面阵CCD，能够同时记录被测对象的光谱信息和空间信息。由于成像光谱仪穿轨方向探测视场较大，使得被测目标单色像成像于成像光谱仪的焦平面时，会出现空间的非线性现象即产生光谱弯曲，光谱弯曲的存在会降低光谱图像质量，影响光谱数据的反演精度。为快速的获取高光谱大视场成像光谱仪空间方向的光谱弯曲，高精度的完成光谱弯曲的校正，有必要提出一种高光谱大视场成像光谱仪空间方向光谱弯曲校正方法。目前RobertA.Neville研究了成像光谱仪的光谱弯曲检测(参见RobertA,etal.Neville.Detectionofspectrallinecurvatureinimagingspectrometerdata.SPIE,5093(2003):144-154.)，其针对的成像光谱仪光谱分辨率较低，文中研究的AVIRIS和SFSI载荷光谱分辨率为10nm，较低的分辨率无法分辨出太阳夫琅禾费线，所以只能选取较宽的红外波段吸收峰，如O2(1268nm)、H2O(1470nm)、CO2(2007nm)，其未对紫外波段进行研究，也未给出光谱弯曲的校正方法，Bo-CaiGao利用光谱匹配技术对成像光谱数据进行了光谱定标方面的研究(参见Bo-CaiGao,etal.Refinementofwavelengthcalibrationofhyperspectralimagingdatausingaspectrum-matchingtechnique.RemoteSensingofEnvironment,2004(90):424-433)，其选取的吸收线为760nm处O2的吸收峰，标准谱和匹配谱之间的匹配结果通过标准偏差来判定，这种判定方法相较于Pearson相关系数法精度低，其未对紫外波段进行研究，也未给出光谱弯曲的校正方法。JiankangZhou研究的光谱弯曲测定方法是基于卤钨灯-氧化钬漫反射板(参见JiankangZhou,etal.Smileeffectdetectionfordispersivebyhypersepctralimagerbasedonthedopedreflectancepanel.Proc.OfSPIE.2012(8557):85571T-1--85571T-8)，即卤钨灯发出的平滑谱线经过氧化钬漫反射板反射后产生的吸收线用于检测成像光谱仪的光谱弯曲，也未给出光谱弯曲的校正方法。目前对成像光谱仪空间视场光谱弯曲的研究主要集中在光谱分辨较低(10nm)，无法分辨出夫琅禾费线，其吸收线选取在红外波段较宽的吸收峰(如H2O、O3等)，目前研究也未对光谱弯曲的校正进行研究。本专利技术针对高光谱(光谱分辨率<1nm，高光谱分辨率能够分辨出较多的夫琅禾费线)大视场成像光谱仪，在紫外波段采用夫琅禾费线进行光谱匹配确定成像光谱仪空间视场光谱弯曲值，并研究了空间视场光谱弯曲的校正方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法，以校正由于空间大视场引起的光谱弯曲畸变，获得高质量的光谱图像，提高光谱反演精度。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：成像光谱仪通过漫反射板获取全视场太阳散射光，选取光谱信号中强度较好且不受其它影响的吸收线，将此吸收线在空间视场进行光谱匹配，根据匹配结果最优获取吸收线的像元位置，计算得到全视场的光谱弯曲值，基于此值根据校正算法完成光谱弯曲校正。具体实现方法如下：一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法，基于全视场的太阳散射光光谱，选取大气吸收线作为匹配谱线，在成像光谱仪空间方向进行光谱匹配以获取光谱弯曲值，实现成像光谱仪光谱弯曲的校正，消除了由于大视场引起的光谱弯曲畸变。设全视场太阳散射光谱图像为Si,j，其中i为光谱通道数，其取值范围i∈1～P由成像光谱仪探测光谱范围确定，j为空间视场，其取值范围j∈1～Q由成像光谱仪探测视场确定；第一步，全视场太阳散射光谱图像获取；成像光谱仪观测太阳散射光，保证太阳散射光充满成像光谱仪观测视场，得到全视场太阳散射光谱图像为Si,j；第二步，大气吸收线的选取；从全视场太阳散射光谱图像Si,j中提取中心视场的光谱数据Si,center，以中心视场的光谱数据Si,center为参考光谱，从中心视场的光谱数据Si,center中选取中心视场大气吸收线SΔλ,center，其中Δλ为吸收线对应的光谱通道范围，其它视场l,l∈1～Q选取的大气吸收线为SΔλ,l；第三步，光谱匹配步长的设置；基于成像光谱仪光谱定标精度，设置中心视场大气吸收线SΔλ,center与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配的步长δ；第四步，光谱匹配；将中心视场大气吸收线SΔλ,center按照匹配步长δ与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配，根据Pearson相关系数法判定每次步长下的匹配结果，得到匹配结果最优时对应的步长，其为视场l,l∈1～Q下的光谱偏移值δl；第五步，空间视场光谱弯曲值确定根据第四步光谱匹配方法对全视场太阳散射光谱图像Si,j在空间视场方向进行光谱匹配，得到每个视场下的光谱偏移值δj，j∈1～Q，基于光谱偏移值δj得到空间视场光谱弯曲值Cj；第六步，光谱弯曲校正建立校正模型，根据空间视场光谱弯曲值Cj对全视场太阳散射光谱图像Si,j进行光谱弯曲校正，最终完成全视场光谱弯曲校正。所述第一步，全视场太阳散射光谱图像Si,j获取，具体实现如下：(1)选择晴朗天气以保证太阳散射光受大气影响较少，太阳直射光入射到具有朗伯特性的铝漫反射板上以形成均匀的面光源，调节铝漫反射板与成像光谱仪位置角度，保证所述面光源能够充满成像光谱仪空间视场；(2)成像光谱仪空间视场充满后，设置积分时间、增益参数，保证观测到的太阳散射光信号强度达到饱和值的80％，采集光谱数据，获取全视场太阳散射光谱图像Si,j表示为Si,j＝[Si,1,Si,2,…,Si,Q]，其中Si,1,Si,2,…,Si,Q为空间视场j∈1～Q下的光谱，i为光谱通道数i∈1～P；所述第二步，中心视场大气吸收线SΔλ,center与其它视场大气吸收线SΔλ,l的选取，具体实现如下：(1)从全视场太阳散射光谱图像Si,j中提取中心视场光谱数据Si,center；(2)对中心视场光谱数据Si,center中含有的大气吸收线进行分析，若吸收线信号强度较低则舍弃，若受其它吸收线的影响则舍弃，选取信号强度较高且不受其它吸收线影响的吸收线作为光谱匹配的吸收线；(3)确定好匹配吸收线后，基于成像光谱仪光谱通道数，确定大气吸收线光谱范围Δλ，得到中心视场大气吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法，其特征在于包括以下步骤：设全视场太阳散射光谱图像为Si,j，其中i为光谱通道数，其取值范围i∈1～P由成像光谱仪探测光谱范围确定，j为空间视场，其取值范围j∈1～Q由成像光谱仪探测视场确定。第一步，全视场太阳散射光谱图像获取；成像光谱仪观测太阳散射光，保证太阳散射光充满成像光谱仪观测视场，得到全视场太阳散射光谱图像为Si,j，第二步，大气吸收线的选取；从全视场太阳散射光谱图像Si,j中提取中心视场的光谱数据Si,center，以中心视场的光谱数据Si,center为参考光谱，从中心视场的光谱数据Si,center中选取中心视场大气吸收线SΔλ,center，其中Δλ为吸收线对应的光谱通道范围，其它视场l,l∈1～Q选取的大气吸收线为SΔλ,l；第三步，光谱匹配步长的设置；基于成像光谱仪的光谱定标精度，设置中心视场大气吸收线SΔλ,center与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配的步长δ；第四步，光谱匹配；将中心视场大气吸收线SΔλ,center按照匹配步长δ与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配，根据Pearson相关系数法判定每次步长下的匹配结果，得到匹配结果最优时对应的步长，其为视场l,l∈1～Q下的光谱偏移值δl；第五步，空间视场光谱弯曲值确定；根据第四步光谱匹配方法对全视场太阳散射光谱图像Si,j在空间视场方向进行光谱匹配，得到每个视场下的光谱偏移值δj，j∈1～Q，基于光谱偏移值δj得到空间视场光谱弯曲值Cj；第六步，光谱弯曲校正建立校正模型，根据空间视场光谱弯曲值Cj对全视场太阳散射光谱图像Si,j进行光谱弯曲校正，最终完成全视场光谱弯曲校正。...

【技术特征摘要】
1.一种高光谱大视场成像光谱仪光谱弯曲校正方法，其特征在于包括以下步骤：设全视场太阳散射光谱图像为Si,j，其中i为光谱通道数，其取值范围i∈1～P由成像光谱仪探测光谱范围确定，j为空间视场，其取值范围j∈1～Q由成像光谱仪探测视场确定。第一步，全视场太阳散射光谱图像获取；成像光谱仪观测太阳散射光，保证太阳散射光充满成像光谱仪观测视场，得到全视场太阳散射光谱图像为Si,j，第二步，大气吸收线的选取；从全视场太阳散射光谱图像Si,j中提取中心视场的光谱数据Si,center，以中心视场的光谱数据Si,center为参考光谱，从中心视场的光谱数据Si,center中选取中心视场大气吸收线SΔλ,center，其中Δλ为吸收线对应的光谱通道范围，其它视场l,l∈1～Q选取的大气吸收线为SΔλ,l；第三步，光谱匹配步长的设置；基于成像光谱仪的光谱定标精度，设置中心视场大气吸收线SΔλ,center与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配的步长δ；第四步，光谱匹配；将中心视场大气吸收线SΔλ,center按照匹配步长δ与其它视场l,l∈1～Q大气吸收线SΔλ,l进行匹配，根据Pearson相关系数法判定每次步长下的匹配结果，得到匹配结果最优时对应的步长，其为视场l,l∈1～Q下的光谱偏移值δl；第五步，空间视场光谱弯曲值确定；根据第四步光谱匹配方法对全视场太阳散射光谱图像Si,j在空间视场方向进行光谱匹配，得到每个视场下的光谱偏移值δj，j∈1～Q，基于光谱偏移值δj得到空间视场光谱弯曲值Cj；第六步，光谱弯曲校正建立校正模型，根据空间视场光谱弯曲值Cj对全视场太阳散射光谱图像Si,j进行光谱弯曲校正，最终完成全视场光谱弯曲校正。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一步，全视场太阳散射光谱图像Si,j获取具体实现如下：(11)选择晴朗天气以保证太阳散射光受大气影响较少，太阳直射光入射到具有朗伯特性的铝漫反射板上以形成均匀的面光源，调节铝漫反射板与成像光谱仪位置角度，保证所述面光源能够充满成像光谱仪空间视场；(12)成像光谱仪空间视场充满后，设置积分时间、增益参数，保证观测到的太阳散射光信号强度达到饱和值的80％，采集光谱数据，获取全视场太阳散射光谱图像Si,j表示为Si,j＝[Si,1,Si,2,…,Si,Q]，其中Si,1,Si,2,…,Si,Q为空间视场j∈1～Q下的光谱，i为光谱通道数i∈1～P。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第二步，中心视场大气吸收线SΔλ,center与其它视场大气吸收线SΔλ,l的选取，具体实现如下：(21)从全视场太阳散射光谱图像Si,j中提取中心视场光谱数据S...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵敏杰，司福祺，江宇，汪世美，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34