[发明专利]一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种棱镜色散型成像光谱仪条带噪声消除方法，属于成像光谱技术领域。

背景技术

成像光谱技术是一种新型遥感技术，是近年来光学遥感技术领域的一次重大突破。该技术将成像技术与光谱技术相结合，能够同时实现目标的空间信息及光谱信息的获取。高精度光谱信息有助于提高对目标的属性分类和识别精度，揭露伪装，降低虚警率，在环境监测、自然灾害预警、军事应用等多领域得到了广泛应用。

棱镜色散型成像光谱仪是一种较为成熟的成像光谱系统，其结构简单，光能利用率高，取得了很好的应用效果。原理如图1所示，棱镜色散型成像光谱仪通常含有狭缝，目标辐射能经过前置光学系统聚焦到狭缝上，透过狭缝的光经准直之后进入色散系统，色散元件将其沿垂直狭缝方向展开成不同波段，并成像在探测器上，从而获得目标的光谱信息。面阵探测器与色散方向相对应的一维称为光谱维，与之垂直的另一维对应狭缝方向，是垂直轨道方向的地物维，成像光谱仪沿垂直狭缝方向推扫，探测器连续采集多帧图像形成沿轨道方向的地物维。棱镜色散型成像光谱仪便是用这种方法形成既含有空间信息又含有光谱信息的数据立方体。

影响棱镜色散型成像光谱仪像质的因素之一是条带噪声，如图1所示，条带出现在探测器输出的每一帧图像的光谱维方向，及合成以后的景物图像中的沿轨方向。条带噪声产生的原因有二：一是探测器本身响应不均匀，大面阵探测器通常分为若干个区，不同区域之间的响应特征不统一，导致不同区域连接的部位出现条带；二是狭缝上尘埃遮挡了入射光所致，通常狭缝很窄，附着在狭缝上的尘埃遮挡了入射光，探测器上与之对应的位置接收不到光信息，因此输出数据为一列沿光谱维方向的条带。这两种因素中，探测器产生的条带是有规律的，这是由于通常探测器的分区都是平均分配，而狭缝尘埃导致的条带是随机的，并且随着时间的变化，尘埃的位置及数量的改变，条带的特征也会发生改变。

目前常用的针对成像光谱仪条带噪声的消除方法之一是基于图像的条带噪声消除方法，例如直方图匹配方法、矩匹配方法及其改进方法、傅里叶变换方法、小波变换方法、邻域插值法等。详见硕士学位论文《高光谱图像条带噪声滤除技术的研究》，曹艳丽。

基于图像的条带噪声消除方法有消噪不彻底、改变图像及光谱信息、因对图像及噪声特征有特殊要求而通用性差等缺点。直方图匹配法会对原始图像的信息有较大的改变。矩匹配方法及其改进方法对噪声的消除不彻底、且光谱信息会发生畸变。傅里叶变换方法存在图像条带噪声滤除不彻底或者图像纹理细节信息丢失等缺点。小波变换方法有阈值选取复杂、对图像及条带噪声特征要求严格等缺陷，通用性差。邻域插值法仅适用于分布周期比较规律的窄带噪声，同样有通用性差的缺陷。

另一种是基于相对辐射定标的方法。相对辐射定标是指将成像光谱仪不同探测单元的输出数据进行归一化处理，消除这些不均匀性的过程，成像光谱仪的不均匀性主要来自光学系统的不均匀和探测器不同像元响应不均匀。

对于光路中不含分光模块的成像光谱仪，例如滤光片式，相对定标的主要方法是使成像光谱仪对大面阵均匀光响应，此时理论上探测器每个像元输出的信号相同，实际由于光学系统不均匀、探测器每个像元响应不均匀等原因，每个像元的输出信号有差异。利用所有像元的灰度平均值除以每一个像元的灰度值，得到相对定标系数。相对定标系数用于在之后的使用中对成像光谱仪进行相对辐射定标校正。

对于推扫干涉型成像光谱仪，虽然其光路中含有分光模块导致探测器每个像元的输出不同，但是沿狭缝方向的每一行像元对应同一个光谱通道，理论上应具有相同的响应输出，因此也可以用相似的方法进行条带噪声消除(详见《推扫型干涉成像光谱仪去除条带非均匀性的方法》，曹玮亮等)。

这种使用均匀光源对成像光谱仪进行相对定标，实现条带噪声消除的方法却无法用于棱镜色散型成像光谱仪。原因是：

(1)光路中不含分光模块的成像光谱仪，理论上二维探测器每个像元对均匀光响应的输出信号相同，依据此原理针对所有像元进行相对辐射定标可以消除条带噪声。而棱镜色散型成像光谱仪光路中含有分光模块，理论上探测器每个像元对均匀光响应输出信号不同，因此无法使用此方法进行相对辐射定标；