本发明涉及仪器数据仿真技术领域，特别涉及一种时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法及装置。
背景技术：
仪器仿真技术是通过建立数学模型模拟真实仪器的各种工作模式和工作状态，是人们在真实仪器使用前就能较准确地了解该仪器在一定的工作环境和工作条件下可能产生的结果和存在的问题，从而衡量真实仪器的性能，发现仪器潜在的设计缺陷，进一步指导仪器的设计，完善仪器的功能，该技术在航空航天遥感仪器的设计、研制及应用领域的作用尤为重大。
时空调制干涉型成像光谱仪作为一种新型成像光谱仪，克服了时间调制型干涉成像光谱仪稳定性差及空间调制型干涉成像光谱仪低通量的不足，具有多通道、更高的光通量、更好的光谱和空间分辨率等优点，已成为遥感领域的一大热点，正日益显示出重要的实用价值。
时空调制干涉成像光谱仪利用推扫方式扫描目标景物，在不同时刻目标成像在探测器的不同位置，遍历所有时刻得到目标点的完整点干涉图，再由点干涉图通过傅里叶变换复原产生该目标的光谱。因此，时空调制成像光谱仪遥感数据获取与搭载平台运动具有很强的相关性，平台的非平稳运动将导致成像位置的无规则变化。由于时空调制干涉成像光谱仪获得地物点的光谱曲线必须经过一次全视场的推扫过程，平台非平稳运动导致光轴指向位置与理想位置发生偏差，像面上的每个像素点的光谱信息是其周围理想位置的光谱的混合信息，因此，需要通过适当的方法仿真出合适的运动推扫图像，否则复原出的光谱就无法反映景物目标的真实属性。
技术实现要素：
本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：
相关技术中，(1)针对空间调制型干涉超光谱成像仪开展了仿真技术研究，该模型基于辐射能量传输，不涉及运动成像引入的位置偏差。(2)针对星载的干涉型成像光谱仪提出了一种基于归一化互相关系数的光谱数据立方体实现数据仿真的方法，由于星载平台运动较平稳，该方法按照理想运动成像仿真考虑，未考虑运动成像引入的成像位置变化。(3)数据仿真方法首先在光谱维度上即单谱段图像上进行图像重采样，对成像位置作光谱混合，然后基于傅里叶光谱学理论将数据转化到干涉维度上，得到单帧推扫图像。虽然考虑了位置偏差，但是在光谱反演时，需要在单帧推扫图像上进行图像重采样，两个过程不可逆，因此，这种仿真方法会引入不必要的误差项。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法，该方法不仅可以应用于时空调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，还可以应用于空间调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，应用广泛，仿真度高。
本发明的另一个目的在于提出一种时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法，包括以下步骤：将光谱数据立方体的位置作为物面光谱网格位置，并基于共线条件方程获取所述物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置；基于傅里叶光谱学理论由所述光谱数据立方体的光谱数据获取瞬时像面位置对应的干涉强度信息；利用基于sutherland-hodgman算法的面积配比算法对所述像面光谱网格位置和所述干涉强度信息进行重采样，以得到探测器标准网格位置处的干涉强度值，进而获取单帧推扫干涉图像；改变所述瞬时成像时刻的姿态参数和位置参数，以获取推扫干涉图像序列。
本发明实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法，考虑了运动成像因素的影响，并将光谱维度重采样修改为在干涉强度维度重采样，与后续的数据反演过程可逆，避免了引入不可控误差，从而能更好衡量真实仪器的性能，发现仪器潜在的设计缺陷，仿真度高，从而不仅可以应用于时空调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，还可以应用于空间调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，应用广泛。
另外，根据本发明上述实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述干涉强度信息的计算公式为：
其中，b(v)为该像元对应地物的光谱分布函数，v为波数，v1、v2为波数范围，d为干涉仪的剪切量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取单帧推扫干涉图像，进一步包括：根据中心位置按最近邻原则在变形网格中划出可能相交的区域；通过所述sutherland-hodgman算法获取所述可能相交的区域与变形网格的四边形的相交的图形的所有顶点位置，并根据所述所有顶点位置得到图形面积；根据所述图形面积和面积配比对干涉图像进行重采样，以得到每个探测器对应的重采样干涉强度值，获取所述单帧干涉推扫图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，
所述面积的计算公式为：
其中，(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)为相交面积的顶点坐标，；
重采样的计算公式为：
其中，gi为标准网格正方形与变形网格四边形相交的图形面积所占标准网格的比例，ii是每个变形网格对应的干涉强度值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取推扫干涉图像序列，进一步包括：通过瞬时摄影测量中心与外方位角元素在不同成像时刻发生变化代入每一时刻的瞬时值，以得到所述每一时刻的干涉推扫图像；当代入预设连续时刻的位置和姿态数据时，获取所述推扫干涉图像序列。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置，包括：第一获取模块，用于将光谱数据立方体的位置作为物面光谱网格位置，并基于共线条件方程获取所述物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置；第二获取模块，用于基于傅里叶光谱学理论由所述光谱数据立方体的光谱数据获取瞬时像面位置对应的干涉强度信息；重采样模块，用于利用基于sutherland-hodgman算法的面积配比算法对所述像面光谱网格位置和所述干涉强度信息进行重采样，以得到探测器标准网格位置处的干涉强度值，进而获取单帧推扫干涉图像；推扫干涉模块，用于改变所述瞬时成像时刻的姿态参数和位置参数，以获取推扫干涉图像序列。
本发明实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真装置，考虑了运动成像因素的影响，并将光谱维度重采样修改为在干涉强度维度重采样，与后续的数据反演过程可逆，避免了引入不可控误差，从而能更好衡量真实仪器的性能，发现仪器潜在的设计缺陷，仿真度高，从而不仅可以应用于时空调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，还可以应用于空间调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，应用广泛。
另外，根据本发明上述实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述干涉强度信息的计算公式为：
其中，b(v)为该像元对应地物的光谱分布函数，v为波数，v1、v2为波数范围，d为干涉仪的剪切量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重采样模块进一步用于根据中心位置按最近邻原则在变形网格中划出可能相交的区域，通过所述sutherland-hodgman算法获取所述可能相交的区域与变形网格的四边形的相交的图形的所有顶点位置，并根据所述所有顶点位置得到图形面积，并根据所述图形面积和面积配比对干涉图像进行重采样，以得到每个探测器对应的重采样干涉强度值，获取所述单帧干涉推扫图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，
所述面积的计算公式为：
其中，(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)为相交面积的顶点坐标，；
重采样的计算公式为：
其中，gi为标准网格正方形与变形网格四边形相交的图形面积所占标准网格的比例，ii是每个变形网格对应的干涉强度值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述推扫干涉模块进一步用于通过瞬时摄影测量中心与外方位角元素在不同成像时刻发生变化代入每一时刻的瞬时值，以得到所述每一时刻的干涉推扫图像，并当代入预设连续时刻的位置和姿态数据时，获取所述推扫干涉图像序列。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的共线条件方程示意图；
图4为根据本发明一个实施例的面积配比示意图；
图5为根据本发明一个实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法。
图1是本发明一个实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法的流程图。
如图1所示，该时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法包括以下步骤：
在步骤s101中，将光谱数据立方体的位置作为物面光谱网格位置，并基于共线条件方程获取物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置。
可以理解的是，如图2所示，首先，本发明实施例计算物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置。
具体而言，将已知的光谱数据立方体的位置作为物面光谱网格位置，基于共线条件方程，如图3所示，计算物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置。
假设物面光谱网格中心位置为
基于共线条件方程计算物面网格中任一点a在瞬时像面上的位置：
其中，(xa,ya,za)为物面地物a在物空间坐标系中的坐标，(xs,ys,zs)为瞬时摄影测量中心s在物空间坐标系中坐标位置，f为成像镜焦距，a1～a3、b1～b3、c1～c3为方向余弦，
因此，成像瞬时时刻的像面上的位置为：
在步骤s102中，基于傅里叶光谱学理论由光谱数据立方体的光谱数据获取瞬时像面位置对应的干涉强度信息。
可以理解的是，如图2所示，计算对应的瞬时像面位置对应的干涉强度信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，干涉强度信息的计算公式为：
其中，b(v)为该像元对应地物的光谱分布函数，v为波数，v1、v2为波数范围，d为干涉仪的剪切量。
具体而言，基于傅里叶光谱学理论，由已知的光谱数据立方体的光谱数据计算对应的瞬时像面位置对应的干涉强度信息。利用上述瞬时成像位置数据，可以得到瞬时像面上每个像点与零光程差之间的距离。与零光程差位置相距x处的干涉强度可以通过下面公式计算得到：
其中，b(v)为该像元对应地物的光谱分布函数，v为波数，v1、v2为波数范围，d为干涉仪的剪切量。对瞬时像面上每个像点计算干涉强度，得到变形的像面干涉数据。
在步骤s103中，利用基于sutherland-hodgman算法的面积配比算法对像面光谱网格位置和干涉强度信息进行重采样，以得到探测器标准网格位置处的干涉强度值，进而获取单帧推扫干涉图像。
可以理解的是，对瞬时成像的像面变形网格位置和对应的干涉强度值进行重采样，得到单帧推扫干涉图像。利用基于sutherland-hodgman算法的面积配比算法对瞬时成像的像面变形网格位置和对应的干涉强度值进行重采样，得到探测器标准网格位置处的干涉强度值，即单帧推扫干涉图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取单帧推扫干涉图像，进一步包括：根据中心位置按最近邻原则在变形网格中划出可能相交的区域；通过sutherland-hodgman算法获取可能相交的区域与变形网格的四边形的相交的图形的所有顶点位置，并根据所有顶点位置得到图形面积；根据图形面积和面积配比对干涉图像进行重采样，以得到每个探测器对应的重采样干涉强度值，获取单帧干涉推扫图像。
在本发明的一个实施例中，其中，面积的计算公式为：
其中，(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)为相交面积的顶点坐标，；
重采样的计算公式为：
其中，gi为标准网格正方形与变形网格四边形相交的图形面积所占标准网格的比例，ii是每个变形网格对应的干涉强度值。
具体而言，时空调制干涉成像光谱仪使用面阵ccd作为数据接收传感器，ccd探测器的像元排列在标准规则的网格位置，因此需要对上述得到变形的像面的干涉数据进行重采样。对任一标准网格正方形，网格中心位置坐标为(p,q)。首先根据其中心位置按最近邻原则在变形的网格中划出可能相交的区域g1～g9，如图4所示，然后利用sutherland-hodgman算法计算其与变形网格四边形g1的相交的图形的所有顶点位置，最后根据顶点位置计算面积，面积计算公式如下：
其中，(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)为相交面积的顶点坐标，按逆时针顺序排列。同理计算该标准网格正方形与变形网格四边形g2～g9的相交的图形面积。按照面积配比对干涉图像进行重采样，重采样计算公式为：
对探测器面上的每一个标准网格正方形按照上述操作，计算出对应的重采样干涉强度值，得到单帧的干涉推扫图像。
在步骤s104中，改变瞬时成像时刻的姿态参数和位置参数，以获取推扫干涉图像序列。
可以理解的是，本发明实施例改变瞬时成像时刻的姿态参数和位置参数，重复步骤s101-s103，获取推扫干涉图像序列
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取推扫干涉图像序列，进一步包括：通过瞬时摄影测量中心与外方位角元素在不同成像时刻发生变化代入每一时刻的瞬时值，以得到每一时刻的干涉推扫图像；当代入预设连续时刻的位置和姿态数据时，获取推扫干涉图像序列。
具体而言，瞬时摄影测量中心s(xs,ys,zs)与外方位角元素
根据本发明实施例提出的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置，考虑了运动成像因素的影响，并将光谱维度重采样修改为在干涉强度维度重采样，与后续的数据反演过程可逆，避免了引入不可控误差，从而能更好衡量真实仪器的性能，发现仪器潜在的设计缺陷，仿真度高，从而不仅可以应用于时空调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，还可以应用于空间调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，应用广泛。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置。
图5是本发明一个实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置的结构示意图。
如图5所示，该时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿装置10包括：第一获取模块100、第二获取模块200、重采样模块300和推扫干涉模块400。
其中，第一获取模块100用于将光谱数据立方体的位置作为物面光谱网格位置，并基于共线条件方程获取物面光谱网格位置在瞬时成像时刻所对应的成像面上的变形的像面光谱网格位置。第二获取模块200用于基于傅里叶光谱学理论由光谱数据立方体的光谱数据获取瞬时像面位置对应的干涉强度信息。重采样模块300用于利用基于sutherland-hodgman算法的面积配比算法对像面光谱网格位置和干涉强度信息进行重采样，以得到探测器标准网格位置处的干涉强度值，进而获取单帧推扫干涉图像。推扫干涉模块400用于改变瞬时成像时刻的姿态参数和位置参数，以获取推扫干涉图像序列。本发明实施例的装置10充分考虑了时空调制干涉成像光谱仪的光谱反演过程，提出的运动成像仿真方法与其完全可逆，避免了在光谱维度上的光谱混合引入的误差项，仿真度高、可广泛应用。
进一步地，在本发明的一个实施例中，干涉强度信息的计算公式为：
其中，b(v)为该像元对应地物的光谱分布函数，v为波数，v1、v2为波数范围，d为干涉仪的剪切量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，重采样模块进一步用于根据中心位置按最近邻原则在变形网格中划出可能相交的区域，通过sutherland-hodgman算法获取可能相交的区域与变形网格的四边形的相交的图形的所有顶点位置，并根据所有顶点位置得到图形面积，并根据图形面积和面积配比对干涉图像进行重采样，以得到每个探测器对应的重采样干涉强度值，获取单帧干涉推扫图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，面积的计算公式为：
其中，(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)为相交面积的顶点坐标，；
重采样的计算公式为：
其中，gi为标准网格正方形与变形网格四边形相交的图形面积所占标准网格的比例，ii是每个变形网格对应的干涉强度值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，推扫干涉模块进一步用于通过瞬时摄影测量中心与外方位角元素在不同成像时刻发生变化代入每一时刻的瞬时值，以得到每一时刻的干涉推扫图像，并当代入预设连续时刻的位置和姿态数据时，获取推扫干涉图像序列。
需要说明的是，前述对时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真方法实施例的解释说明也适用于该实施例的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的时空调制干涉成像光谱仪的运动成像仿真装置，考虑了运动成像因素的影响，并将光谱维度重采样修改为在干涉强度维度重采样，与后续的数据反演过程可逆，避免了引入不可控误差，从而能更好衡量真实仪器的性能，发现仪器潜在的设计缺陷，仿真度高，从而不仅可以应用于时空调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，还可以应用于空间调制干涉成像光谱仪的静态仿真和运动成像仿真，应用广泛。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。