专利名称：干涉成像光谱仪的平场方法
干涉成像光谱仪的平场方法駄领域本发明涉及一种消除干涉成像光谱i^统^的方法，尤^^及一种空间调制型干 涉成像光谱爐机的平场方法。 技术背景干涉成像光谱仪输出的图像信息是干涉条纹，其不同于一脱照相机。因此，普通照 相机的平场原理与方法不适用开涉成像光谱仪。目前，修正CCD探测器与电子学部创象元间响应不一致性的方法，其修正的全面 个扱效果相对较差。尤其是当光学系统具有较大鄉汤甚至有渐晕时，缺点更为突出。 发明内容本发明的目的在于掛共一种干涉成像光谱仪的平场方法，其解决了技术背景中修正 的全面ttt效果相对,的技术问题。 本发明的技术解决方案如下一种干涉成像光谱仪的平场方法，该方》跑括以下实现步骤 (1.)采集(1.1) 将被平:t奸涉成像光谱仪2的光轴OO'对准平场光源的开口中心，平场光源为 均匀、稳定面光源；(1.2) 用图像采集卡3采穀皮平:tl^涉成像光谱仪2输出的干涉图像数据，共测量T 种状态，在同一种状态下进行K次i^采样；其中，PIO， K^25次；(2.)将采集的干涉图像 送至计穀几4进行处理，获得平场校，阵(2.1)计算平场校ia巨阵(2丄1)以CCD矩阵的行方向i二O， ±1， 土2…士N的各行为空间方向，以CCD矩阵 的列方向j二l， 2...M的各列为干涉图方向，以CCD矩阵的行方向或列方向进行平场修 正，得到T种状态、每种状态K7M^采样的原^F涉图f^;(2丄2)对每种状态的第K 7M^采样求算术平均值7',/ ，以去除随机^引入的不 确定因素-
其中对应为第^状态中第&次采样，Z'行y列像元的数据；(2.1.3)对具有相同I / I值的CCD像元的f状态中的第K次f[^采样的平均值L作列算术平均<formula>formula see original document page 5</formula>(2丄3)对T种状态进fim性拟合，应用最小二乘法求得t组数据的二维平场修lB巨 阵4;,，所求得的二维平场修13巨阵4满足下列条件<formula>formula see original document page 5</formula>(2.2)分析平场不确定度(2.2.1)计算T种状态K7^^样針CCD像元与校正值求均方根误差:<formula>formula see original document page 5</formula>(2.2.2)设光源的不均匀性为^光源，贝IJ刑古平场麵离散性的平场糊定度为:<formula>formula see original document page 5</formula>以上所述，的平场光,直接，或经检测、校准后光if^射度均匀、稳定的朗伯源以上所述，的朗伯源1具体以采用面均匀&5l角均匀性经检测、校准的积，^C阳 模拟器产生的光源为宜。以上0M积尔求的面均匀1^角均匀性是预先经陷阱探测器^辦昌射度计5标定 过的。以上所述的朗伯源1可经不同波长检测标定的宽带滤光片检测、标定之后再对准被 平场干涉成像光谱仪2的光轴00,，用于检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。 本发明具有下列优点1.本发明主要用于空间调制型干涉成像光谱M机的平场，以消除系统误差。本发 明同样适用于飞m^星搭载的干涉成像光谱仪在飞^l程中的禾,地面标凝畐辦汤的平场。2. 本发明可以一次性地修正各种因素造成的像元间响应的不一致性。3. 本发明主要修正由光学、精密结构、面阵CCD探测器及电子学等部件组装而成的 整机在CCD像元间对响应的不一致性的系统性误差。经实验修正表明修正更全面、修正 效果更好。对于W^^妙汤甚至有渐暈的光学系统，本发明修正的全面, 蝶的优点更显突出。4. 调整光源的输出弓艘，可以同日 仪器齡像元的输出对输入糊幾性。 5.ilil比较，可以分析CCD探测器与电子学系统像元间响应的不一致性；分析CCD探测器与整机像元间响应的不一致性，从而分离i^源。6. 可在被检测的被平场干涉成像光谱仪之前加入不同波长、事先纟^t测、标定的 宽带滤光片，检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。7. 平场所用體简单，操作方便，容易实施，省时省九据实验魁正，不确定度优 于2%。
图1为本发明的原理示意图。图2为本发明所用的设备的示意图。附面说明1-朗伯源，2-被平:t奸涉成像光谱仪，3-图像采集卡，4-计^m， 5-陷,测器或 光辦融披计。参见图1，本发明根据空间调制型的干涉成像光谱顿具有均匀光i離射度输出的 面目标成像时所具有的干涉图的対称性特点，提出了CCD矩阵的"行"或"列"进行平 场修正的方法。空间方向即行方向是1=0， ±1， 士2…土N水平排列的各行；干涉图方 向即歹仿向是J—1， 2…M竖直排列的各列。主要修正由光学、精密结构、面阵CCD探测 器及电子学等部件组装而成的整机在CCD像元间对响应的不一致性，为仪^i共一个二 维平场修正矩阵，消除仪器的系统性误差。经实验修正表明具有很好的效果。本发明原理i=0是零光禾M^^占的一行，空间方向即行方向i =±1， 士2…^7jC 平排列的各行，平场光源为均匀面光源，贝扦涉成像光谱仪的输出图像特征是干涉图像相对于零光禾M^点两OTf尔分布。由于输入的平场光源是均匀面光源，所以在空间方向^M象元的干涉^S相同。由此得到具有相同I i I值的各像元具有相同的输出。例如，i=0，若空间方向具有512个像元，贝ij 512个像元的输出相同。 参见图2，本发明所用的CT主要由朗伯源1、被平场干涉成像光谱仪2、图像采集 卡3、计算机4以及陷阱探测器^i辩畐射度计5组成。平场光源采用光iM出度均匀、 稳定的朗伯源l，如经检测、校准的积^^^U;阳模拟器等。朗伯源1通常翻())l. 5m 的积，，它具有20个卣钩灯，打开不同数量的灯可以调 出的亮度。陷阱探测器或 光i辭融披计5用于监视平场过程中朗伯源1的稳定性。 本发明用于干涉成像光谱仪平场的主要实现步骤如下(1) 跣检测朗伯源1的面均匀'隨角均匀性，必要时可fflil^件进行修正。(2) 将被平场干涉成像光i普仪2的光轴00'对准朗伯源l的开口中心。(3) fflil图像采集卡3采穀皮平:t奸涉成像光谱仪2输出的干涉图像M。(4) 将采集娜趣计穀几4进行处理。 本发明计^+几4的计算处理 (l)计算平场校正矩阵以CCD矩阵的行方向i-O， ±1， 士2…士N的各行为空间方向，以CCD矩阵的列方 向j=1 ， 2* *M的各列为干涉图方向，以CCD矩阵的行方向敬仿向进行平场修正。 剔除异常 ，得到T种状态，每种状态K^^样的原始干涉图,，。 对每种状态的第K次采样 求算术平均值/,,/，以去除由于随机误差弓l入的不确 定因素，其中对应为第f状态中第A次采样，/行列像元的 对具有相同I / I值像元的？状态中的第化次采样的均值7,,作列算术平均:产i 产i对T种状态进fi^性拟合，应用最小二乘法对t纟Wg求得满足 计算T种状态K ^样^^像元与校正值求均方根皿^ :<formula>formula see original document page 8</formula>
设光源的不均匀性为^^ ，贝Uiff古平场繊离散性的平场不确定度为<formula>formula see original document page 8</formula>
本发明同样适用于飞行中的场地平场。对于场地，不宜选择表面宏观特tO:有明显 差异的区域，而鹏可會继擀匀一性好的区域，如海滩、沙漠鹏洋等。在月赴f拾 i:^特征的可选区i，多，选择多 区，而后作统计学平均。所采用积辦的尺寸及它的出口直斗5^可能大，主要《顿其均匀傲艮高的中心部 分。由开涉成像光谱仪的视场角者杯大，而积^^俞出的角均匀性在小角度范围内很 高，必要时还可进行修正。在被检测的被平场干涉成像光谱仪2之前设置不同波长、事先乡S^t测、标定的宽 带滤光片，可检测CCD像元间对不同波长的响应的不一致性。加入滤光片后会增加光源 不均匀性误差，特别是角均匀性误差，应按设定的检测 进行修正。滤光片中'。被长 及半高宽的选择可根据任务要求及S/N选择。原则J^S可以，单色仪，但单色仪倉疆 较低，使S/N变坏，影响平场效果。为了提高平场^程中所有采集 的可靠性，采用陷,测器，i,射度计5 实时监测。采用高稳定度的陷,测器^ti辩畐射度计5，标定积，的面均匀',角 均匀性，其不确定度约5V平场中各种不确定的均方值很容易控帝赃2%之内。本发明可以把平场与输出/输入响应糊璣性在一次测量中完成。由于平场是一个相 对值，并不需要严格测量积，的光it^i出^t。
权利要求
1. 一种干涉成像光谱仪的平场方法，该方^^括以下实现步骤 (U采集(1.1) 将被平JTP涉成像光谱仪(2)的光轴00'对准平场光源的开口中心，平场光 源为均匀、稳定面光源；(1.2) 用图像采集卡(3)采穀皮平;t奸涉成像光谱仪(2)输出的干涉图像数据，共测 量T种状态，在同一种状态下进行K次i[Jg采样；其中，T》10, K》25次；(2.)将采集的干涉图像M超计穀几(4)进行处理，获得平场校正矩阵 (2. 1)计算平场校正矩阵(2.1.1)以CCD矩阵的行方向i-O， ±1， 士2…士N的各行为空间方向，以CCD矩 阵的歹仿向j=l， 2…M的各列为干涉图方向，以CCD矩阵的行方向淑仿向进行平场修 正，得到T种状态、每种状态1(次 采样的原女奸涉图 ;(2.1. 2)对每种状态的第K次 采样求算术平均值7 / ，以去除随机皿引入的 不确定因素其中/,,,/对应为第,状态中第A次采样，/行乂列像元的数据；(2.1. 3)对具有相同I / I值的CCD像元的浙态中的第K次i^采样的平均值/:作列算术平均(2.1.3)对T种状态进亏豫性拟合，应用最小二乘法求得1:纟1 的二维平场修正 矩阵4v，所求得的二维平场修正矩阵A/满足下列条件(2.2)分析平场WI定度(2. 2.1)计算T种状态K緣样針CCD像元与校正值求均施體^ : <formula>formula see original document page 3</formula>(2.2.2)设光源的不均匀性为 源，则刑古平场翻离散性的平场不确定度为:<formula>formula see original document page 3</formula>
2. 根据权利要求l戶脱的干涉成像光谱仪的平场方法，^t征在于戶腿的平场光源是光i鲴射度均匀、稳定的朗伯源(l)。
3. 根据权利要求2戶;M的干涉成像光谱仪的平场方法，^#征在于戶皿的朗伯源(l)是面均匀'&s角均匀性经检测、校准的积辦駄阳模拟器产生的光源。
4. 根据权利要求3戶;M的干涉成像光谱仪的平场方法，^m正在于戶;M积，的面均匀性及角均匀性是预先经陷阱探测器^i辭融寸度计(5)标定过的。
5. 根据权利要求4戶;M的干涉成像光谱仪的平场方法，欺寺征在于戶;M的朗伯源(l)经不同波长检测标定的宽带滤光片检测、标定之后再对准被平;tFF涉成像光谱仪(2) 的光轴oo'。
全文摘要
一种干涉成像光谱仪的平场方法，其将被平场干涉成像光谱仪的光轴对准平场光源的开口中心，通过图像采集卡采集被平场干涉成像光谱仪输出的干涉图像数据，送至计算机进行处理，计算平场校正矩阵，分析平场不确定度，获得平场校正矩阵。本发明解决了技术背景中修正的全面性及效果相对较差的技术问题。本发明主要用于空间调制型干涉成像光谱仪整机的平场，以消除系统误差，可以一次性地修正各种因素造成的像元间响应的不一致性。本发明同样适用于飞机或卫星搭载的干涉成像光谱仪在飞行过程中的利用地面标准辐射场的平场。
文档编号G01J3/12GK101144737SQ20071001897
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者乔卫东, 杨建峰, 彬 薛, 赵葆常, 邱跃洪 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所