一种成像光谱仪定标位置修正的方法及装置与流程

本发明涉及成像光谱仪应用技术领域，特别是涉及一种成像光谱仪定标位置修正的方法及装置。

背景技术：

传统的成像系统只能获得目标景物的空间图像信息，传统的光谱仪是通过得到随着波长变化的辐射强度曲线的光谱信息来确定物质特性，从而得到目标光谱信息。成像光谱技术将光学成像技术与光谱探测技术相结合形成了新型遥感技术，解决了传统光学成像仪有像无谱和传统光谱仪有谱无像的问题。

成像光谱仪(高光谱分辨率遥感)其光学系统由前置望远系统与光谱成像系统组成，通过入射狭缝将二者有机组合在一起。光学成像系统在获得被测目标的空间信息时，通过光谱系统把被测物体的辐射分解成不同波长的辐射，每一个像元可在一个光谱范围内获得几十甚至几百个连续的窄波段信息，能够将这些信息转化为一条平滑而且连续的光谱曲线，从而通过对光谱曲线的分析进行物质的识别与分类。

成像光谱仪的定标是确定其探测单元输出数字量与接收到的电磁波信号间定量关系的过程。定标为不同的遥感仪在不同时间、不同地点测得的成型光谱数据提供统一参照，是对成像光谱数据进行定量化分析的前提。光谱仪在研制完成出厂之后，由于仪器内部元件受温度变化等原因会产生形变以及在受到冲击后内部元件相对位置发生变化，造成探测器中各个像素点与波长一一对应关系发生变化，导致输出的光谱精度有偏差，因此需要使用过程中进行重新定标。

现有技术对成像光谱仪进行定标时，采用图像处理的方法计算5个指定波长在图像中的真实位置，然后利用几何光学理论分别计算这5个指定波长在图像中的理论位置。通过调整光学理论设计中的参数微调指定波长在图像中理论位置，将在参数调整过程中计算出的理论位置与图像处理方法计算得到的真实位置最相近的一组参数数据用来生成谱图矩阵。

由于需要同时兼顾5个波长，定标过程中，无法找到同时满足5个指定波长的理论位置与图像计算真实位置同时偏差很小的参数数据，而直接由理论光学计算的谱图矩阵与真实谱图矩阵差距很大，导致获得的谱图矩阵出现较大偏差，精度不高，难以满足工作以及科研的需求。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种成像光谱仪定标位置修正的方法及装置，提高了定标的准确度和精度，从而提高了成像光谱仪的输出光谱精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种成像光谱仪定标位置修正的方法，包括：

根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置；

根据光学理论设计方法分别计算各所述定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑理论位置；

计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差，并根据各所述偏差调整成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置，以完成对成像光谱仪定标位置的修正。

优选的，在所述并根据各所述偏差调整成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置，以完成对成像光谱仪定标位置的修正之后还包括：

根据当前波长与各所述定标波长的关系，以及各所述偏差对成像光谱仪谱图矩阵中各非定波波长的波长对应的位置进行修正。

优选的，所述预设个数的定标波长为5个定标波长或9个定标波长。

优选的，所述计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差为：

计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置在x方向的偏差。

优选的，当所述预设个数为5个时，所述根据当前波长与各所述定标波长的关系以及各所述偏差对成像光谱仪谱图矩阵中各非定波波长的波长对应的位置进行修正为：

根据下述公式所得的平移量对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的位置在x方向进行平移，以完成对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的位置的修正：

式中，a、b、c、d、e分别为各所述定标波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分别为各所述定标波长的光斑实际位置与相应的光斑理论位置在x方向上的偏差，x为所述当前波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值。

优选的，所述根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置为：

根据所述图像处理方法分别计算预设个数的定标波长在各预设幅数成像光谱仪成像图中对应的子光斑实际位置；

将每一个所述定标波长对应的各所述子光斑实际位置进行累加取平均，以作为相应定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置。

优选的，所述计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差为：

计算每一个所述定标波长对应的各所述子光斑实际位置与相应的光斑理论位置的子偏差，将各所述子偏差进行累加取平均，以作为相应定标波长对应的偏差。

本发明实施例另一方面还提供了一种成像光谱仪定标位置修正的装置，包括：

实际定标位置计算模块，用于根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置；

理论定标位置计算模块，用于根据光学理论设计方法分别计算各所述定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑理论位置；

定标位置修正模块，用于计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差，并根据各所述偏差调整成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置，以完成对成像光谱仪定标位置的修正。

优选的，还包括：

非定标位置修正模块，用于根据当前波长与各所述定标波长的关系，以及各所述偏差对成像光谱仪谱图矩阵中各非定波波长的波长对应的位置进行修正。

优选的，所述非定标位置修正模块为根据下述公式所得的平移量对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的位置在x方向进行平移，以完成对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的位置的修正的模块：

式中，a、b、c、d、e分别为各所述定标波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分别为各所述定标波长的光斑实际位置与相应的光斑理论位置在x方向上的偏差，x为所述当前波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值。

本发明实施例提供了一种成像光谱仪定标位置修正的方法，分别根据图像处理方法与光学理论设计方法计算出若干个定标波长各自对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置与光斑理论位置；然后根据计算出各光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差对当前成像光谱仪谱图矩阵中相应的波长对应的位置进行调整，以完成对成像光谱仪定标位置的修正。

本申请提供的技术方案通过在线检测光学理论设计造成的定标偏差，实现了对成像光谱仪谱图矩阵的坐标位置在定标过程中的进行修正，从而获得准确度高的谱图矩阵，提高了成像光谱仪定标谱图矩阵的精度，输出了高精度的光谱，提高了成像光谱仪系统精度以及测量精度。此外，本发明实施例还针对成像光谱仪定标位置修正的方法提供了相应的实现装置，进一步使得所述方法更具有实用性，所述装置具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一个示例性应用场景的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种成像光谱仪定标位置修正方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种成像光谱仪谱图矩阵；

图4为本发明实施例提供的另一种成像光谱仪定标位置修正方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的成像光谱仪定标位置修正装置的一种具体实施方式的结构图

图6为本发明实施例提供的成像光谱仪定标位置修正装置的另一种具体实施方式的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

本申请的发明人经过研究发现，现有技术通过光学理论设计方法进行定标，生成的谱图矩阵与真实的谱图矩阵存在很大的偏差，而严重的偏差导致谱图矩阵输出的成像光谱仪的光谱精度很低，难以获取准确的光谱。鉴于此，本申请通过在线检测光学理论设计造成的定标偏差，实现了对成像光谱仪谱图矩阵的坐标位置在定标过程中的进行修正，从而获得准确度高的谱图矩阵，提高了成像光谱仪定标谱图矩阵的精度。

基于上述本发明实施例的技术方案，下面首先结合图1对本发明实施例的技术方案涉及的一些可能的应用场景进行举例介绍，图1为本发明实施例提供的汞灯定标示意图，黑色椭圆形的位置为参与定标的光斑位置，灰色圆形的位置表示利用几何光学理论计算该波长在图像中的位置,理想状况下，各波长的定标位置与成像位置应重合，而由图可见，波长w_a的光斑位置a与定标计算位置a`在x方向偏差1.2个像素，波长w<sub>e</sub>的光斑位置e与定标计算位置e`在x方向偏差-1.3个像素。故可见利用传统理论光学设计生成的谱图矩阵与真实谱图存在较大偏差。

采用5个定波波长进行定标时，在线检测波长w_a的光学理论设计位置a与图像处理计算实际位置a在x方向偏差△a，同理检测得到波长w_b的偏差△b、波长w_c的偏差△c、波长w_d的偏差△d以及波长w_e的偏差△e。之后将谱图矩阵中波长w_a的x方向位置向左平移△a个像素；波长w_b的x方向位置向左平移△b个像素；波长w_c的x方向位置向左平移△c个像素；波长w_d的x方向位置向左平移△d个像素；波长w_e的x方向位置向左平移△e个像素，以实现对定标位置的修正，利用该修正方法生成的谱图矩阵有利于提高谱图矩阵中x方向的定标精度。

需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请的思想和原理而示出，本申请的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本申请的实施方式可以应用于适用的任何场景。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图2，图2为本发明实施例提供的一种成像光谱仪定标位置修正方法的流程示意图，本发明实施例可包括以下内容：

S201：根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置。

定标点数量越多，修正的效果越细致，故随着定标点数量的增多，定标精度也相应提高。但是，定标个数太多，一方面受定标光源中有效光斑数量限制，另一方面对后续计算处理带来难度，故应在修正效果和定标效率间衡量，优选的，预设个数的定标波长可为5个定标波长或9个定标波长。

在根据图像处理方法计算光斑成像位置时，可采用标准重心公式来计算光斑成像位置。当然，也可采用其他图像处理算法进行计算，可视具体实际情况而定，本发明实施例对此并不做任何限定。

由于图像中含有随机噪声，且系统存在一系列的精度误差，故同一波长在不同的成像图中对应的光斑的具体位置可能会不同，可采用多帧处理的方法，计算多帧图像中各个光斑的位置，利用多帧光斑位置平均值精确定位光斑位置，具体的可为：

根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长在各预设幅数成像光谱仪成像图中对应的子光斑实际位置；

将每一个定标波长对应的各子光斑实际位置进行累加取平均，以作为相应定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置。

举例来说，分别选择定标波长为波长w_a、波长w_b、波长w_c、波长w_d以及波长w_e，连续采集5幅成像光谱仪的成像图，利用图像处理方法(例如标准重心公式)计算w_a在这5幅成像图中的对应的子光斑位置为将这5个光斑位置对应的值累加取平均数作为w_a的光斑实际位置依次对w_b、w_c、w_d以及w_e做相同的处理，得到相应的光斑实际位置。

通过多帧处理方法，有利于提高定波波长对应的光斑位置的精度，有利于提高后续定标位置修正的准确度以及精度。

S202：根据光学理论设计方法分别计算各所述定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑理论位置。

通过光学理论设计方法计算光斑位置，一般为输入光谱仪光学设计参数，以汞灯光斑在光谱仪成像位置为基准，采用迭代法最终确定光斑位置。由于光学系统通常存在径向畸变、梯形畸变、枕形畸变、光学元件机械元件生产加工中个体差异、以及人工装调等众多不确定因素，造成几何光学理论计算出的光谱仪谱图矩阵与仪器真实谱图矩阵存在偏差，这些偏差严重影响中阶梯成像光谱仪输出精度。

S203：计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差，并根据各所述偏差调整成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置，以完成对成像光谱仪定标位置的修正。

由于成像光谱仪的谱图矩阵一般为二维平面坐标表示，且成像光谱仪的成像图中表示成像光斑位置同样采取二维平面坐标，例如二维笛卡尔坐标系。故在计算偏差时，可分别计算x方向与y方向的偏差。

但是，x方向与y方向的偏差对谱图矩阵的精度影响不同，如图3所示，为一种成像光谱仪谱图矩阵，右图为左图局部放大显示的原始数据，第一行对应图像中位置的x坐标，第一列为对应图像中位置的y坐标，非零数据为该位置对应的波长(单位为mm)。从右图表格中可见，有效光谱相邻很近，如果在x方向上误差大于0.5个像素，成像光谱仪测量结果就会出错；在y方向上误差大于0.5个像素，测量结果精度就会降低一倍。可见，成像光斑在x方向的准确度很大程度上影响着成像光谱仪测量结果的有效性。故，优选的，可计算各光斑实际位置与相应的光斑理论位置在x方向的偏差。

考虑到成图像中含有随机噪声，在利用图像处理方法计算成像光斑的位置时，可采用多帧图像处理方法，相应的，对于计算偏差，同样可采用多帧偏差累加取平均数，进一步提高偏差的准确度，具体可为：

计算每一个定标波长对应的各所述子光斑实际位置与相应的光斑理论位置的子偏差，将各所述子偏差进行累加取平均，以作为相应定标波长对应的偏差。

举例来说，分别选择定标波长为波长w_a、波长w_b、波长w_c、波长w_d以及波长w_e，连续采集5幅成像光谱仪的成像图，利用图像处理方法(例如标准重心公式)计算w_a在这5幅成像图中的对应的子光斑位置为利用光学理论设计方法计算w_a光斑理论位置为分别求得各子光斑位置在x、y方向的偏差取平均数为：

将这5个光斑位置对应的值累加取平均数作为w_a的偏差(Δx，Δy)；依次对w_b、w_c、w_d以及w_e做相同的处理，得到相应的偏差。

需要说明的是，在根据偏差对成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置进行调整时，如果仅仅根据偏差，是没有办法确定当前位置坐标的移动方向的，故应该结合S201与S202中光斑实际位置与光斑理论位置的关系进行确定调整的方向。

由上可知，本发明实施例通过在线检测光学理论设计造成的定标偏差，实现了对成像光谱仪谱图矩阵的坐标位置在定标过程中的进行修正，从而获得准确度高的谱图矩阵，提高了成像光谱仪定标谱图矩阵的精度，输出了高精度的光谱，提高了成像光谱仪系统精度以及测量精度。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，请参阅图4，所述方法例如还可以包括：

S204：根据当前波长与各所述定标波长的关系，以及各所述偏差对成像光谱仪谱图矩阵中各非定波波长的波长对应的位置进行修正。

通过对定标波长对应的位置进行修正，仅仅可以在现有技术的基础上，成像光谱仪的谱图矩阵中部分波长的定标位置精度得到提高，成像光谱仪的谱图矩阵其余的波长定标位置依然保持较大偏差，故需要对谱图中非定波波长的其他剩余波长对应的位置进行修正，从而得到准确度高的成像光谱仪谱图矩阵，输出高精度的光谱。

当定波波长为5个时，可根据下述公式所得的平移量对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的坐标位置在x方向进行平移，以完成对成像光谱仪谱图矩阵中各所述非定波波长的波长对应的坐标位置的修正：

式中，a、b、c、d、e分别为各所述定标波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值，Δa、Δb、Δc、Δd、Δe分别为各所述定标波长的光斑实际位置与相应的光斑理论位置在x方向上的偏差，x为所述当前波长在成像光谱仪谱图矩阵上x方向上对应的位置值。

需要说明的是，上述公式可推广到定标波长个数为任意个时，对非定波波长进行修正。

利用图像处理计算真实位置a对a`修正后，该位置处的系统偏差得到消除，由于采用分段修正方法，光学设计中存在的非线性偏差适当降低。利用该修正方法生成的谱图矩阵提高了谱图矩阵中的定标精度。

本发明实施例还针对成像光谱仪定标位置修正的方法提供了相应的实现装置，进一步使得所述方法更具有实用性。下面对本发明实施例提供的成像光谱仪定标位置修正的装置进行介绍，下文描述的成像光谱仪定标位置修正的装置与上文描述的成像光谱仪定标位置修正的方法可相互对应参照。

参见图5，图5为本发明实施例提供的成像光谱仪定标位置修正装置在一种具体实施方式中的结构图，该装置可包括：

实际定标位置计算模块501，用于根据图像处理方法分别计算预设个数的定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑实际位置；

理论定标位置计算模块502，用于根据光学理论设计方法分别计算各所述定标波长对应在成像光谱仪成像图中的光斑理论位置；

定标位置修正模块503，用于计算各所述光斑实际位置与相应的光斑理论位置的偏差，并根据各所述偏差调整成像光谱仪谱图矩阵中相应波长对应的位置，以完成对成像光谱仪定标位置的修正。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，请参见图6，所述装置例如还可以包括：

非定标位置修正模块504，用于根据当前波长与各所述定标波长的关系，以及各所述偏差对成像光谱仪谱图矩阵中各非定波波长的波长对应的位置进行修正。

本发明实施例所述一种成像光谱仪定标位置修正装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例通过在线检测光学理论设计造成的定标偏差，实现了对成像光谱仪谱图矩阵的坐标位置在定标过程中的进行修正，从而获得准确度高的谱图矩阵，提高了成像光谱仪定标谱图矩阵的精度，输出了高精度的光谱，提高了成像光谱仪系统精度以及测量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种成像光谱仪定标位置修正方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。