光谱弯曲校正的方法、系统及介质与流程

1.本发明涉及光谱成像仪和卫星遥感技术领域，具体地，涉及一种用于光谱图像的弯曲校正的数学方法，具体地说是一种对光谱弯曲进行曲线拟合、并利用离散傅立叶变换时移性质对光谱弯曲进行校正的方法。尤其涉及一种光谱弯曲校正的方法、系统及介质。


背景技术：

2.推帚扫面式光谱成像仪，通过固体自扫描方式，利用面阵探测器对二维视场进行扫描成像。但是由于狭缝长度方向不同位置的光线经过分光元件的折射面不同，导致了空间维的光谱弯曲。光谱弯曲引起图像产生光谱混叠。因此对光谱弯曲进行校正十分必要，具有较高的实际应用价值。
3.目前光谱弯曲校正主要采用光学方法和数学方法。
4.光学方法主要通过优化分光元器件或狭缝的设计，来改善光谱弯曲效应。如公开号为cn104034419a的发明专利，介绍了一种采用棱镜和光栅组合作为分光器件，利用光栅和棱镜在色散是谱线向相反方向弯曲(光栅谱线向波长方向弯曲，棱镜谱线向短波方向弯曲)的特性，校正中心波长的谱线弯曲，使得其它波长的谱线弯曲关于中心波长对称分布。但是由于光栅和棱镜在全工作波段产生的谱线弯曲不一致，该结构在不同波段存在不同程度的谱线弯曲。公开号为cn108663119a的发明专利，介绍了一种通过设计一条弯曲狭缝，利用弯曲入射狭缝来补偿整个系统带来的谱线弯曲，从而实现对光谱仪器谱线弯曲的校正。但是弯曲狭缝的机械加工难度大，很难制造出合格的狭缝。
5.数学方法如“高光谱成像仪图像光谱弯曲校正方法研究_栗林-博士论文”介绍了一种采用插值的办法来消除光谱混叠，该方法对系统采集到的辐射能量数据依据无偏离波长定标数据重新采样，使校正后的输出图像与输入的未校正图像相对应。具体插值方法可以采用线性插值、分段四点三次lagrange插值和三次样条插值。插值法的实质是通过已知样点的数值来估算未知点的数据，需要将待校正的数据与一个被称为插值核的有限长连续冲击响应卷积。
6.该方法涉及卷积运算，计算量大，且弯曲校正过程不直观，晦涩难理解。
7.公开号为cn104316183a的发明专利，介绍了一种通过计算与无偏离中心波长最接近的多个点的距离，计算这些点对无偏离中心波长的权重贡献，根据权重贡献值对该中心波长对应的光谱辐射能量重新计算赋值。
8.该方法考虑相邻波段间的相关性，光谱保真率高，通用性强，但是权重值计算与分配过程复杂，计算量大。


技术实现要素：

9.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种光谱弯曲校正的方法、系统及介质。
10.根据本发明提供的一种光谱弯曲校正的方法、系统及介质，所述方案如下：
11.第一方面，提供了一种光谱弯曲校正的方法，所述方法包括：
12.步骤s1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，对样本数据进行曲线拟合；
13.步骤s2：根据拟合的曲线，计算待校正图像的每一列弯曲度；
14.步骤s3：根据每一列弯曲度，对待校正图像每一列利用傅立叶变换时移性质进行校正，完成所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据。
15.优选的，所述步骤s1包括：
16.步骤s1.1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，读取该图像，保存进二维数组s(m,n)，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维；
17.步骤s1.2：从s(m,n)中找出每一列的最小值所在的行号，将找出的最小值所在的行号保存进一维数组y(m)；
18.步骤s1.3：对y(m)进行二次多项式拟合，求出y(m)＝am2+bm+c的系数a,b,c。
19.优选地，所述步骤s2包括：
20.步骤s2.1：根据拟合的二次多项式，计算该拟合曲线的谷值，即处的值，记为miny，即
21.步骤s2.2：读取需要校正的太阳光谱图像，保存进二维数组q(m,n)，建立二位数组p(m,n)，用以保存光谱弯曲校正后的数据，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维；
22.步骤s2.3：读取q(m,n)的第i列(1≤i≤m)，保存进一维数组xi(n)；
23.步骤s2.4：根据拟合二次多项式计算第i列相对于拟合曲线的谷值的差值δyi＝(ai2+bi+c)-miny。
24.优选地，所述步骤s3包括：
25.步骤s3.1：对xi(n)进行离散傅立叶变换得到xi(k)(1≤k≤n)，即xi(k)＝fft(xi(n))；
26.步骤s3.2：利用离散傅立叶变换的时移性质，将xi(k)与相乘，并进行傅立叶逆变换并取实部，得到该列校正后的数据xi'(n)，即
[0027][0028]
步骤s3.3：将校正后的第i列数据保存到p(m,n)的第i列，即p(i,n)＝xi'(n)；
[0029]
重复步骤s2.3至步骤s3.3，完成q(m,n)所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据p(m,n)。
[0030]
第二方面，提供了一种光谱弯曲校正的系统，所述系统包括：
[0031]
模块m1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，对样本数据进行曲线拟合；
[0032]
模块m2：根据拟合的曲线，计算待校正图像的每一列弯曲度；
[0033]
模块m3：根据每一列弯曲度，对待校正图像每一列利用傅立叶变换时移性质进行校正，完成所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据。
[0034]
优选地，所述模块m1包括：
[0035]
模块m1.1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，读取该图像，保
存进二维数组s(m,n)，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维；
[0036]
模块m1.2：从s(m,n)中找出每一列的最小值所在的行号，将找出的最小值所在的行号保存进一维数组y(m)；
[0037]
模块m1.3：对y(m)进行二次多项式拟合，求出y(m)＝am2+bm+c的系数a,b,c。
[0038]
优选地，所述模块m2包括：
[0039]
模块m2.1：根据拟合的二次多项式，计算该拟合曲线的谷值，即处的值，记为miny，即
[0040]
模块m2.2：读取需要校正的太阳光谱图像，保存进二维数组q(m,n)，建立二位数组p(m,n)，用以保存光谱弯曲校正后的数据，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维；
[0041]
模块m2.3：读取q(m,n)的第i列(1≤i≤m)，保存进一维数组xi(n)；
[0042]
模块m2.4：根据拟合二次多项式计算第i列相对于拟合曲线的谷值的差值δyi＝(ai2+bi+c)-miny。
[0043]
优选地，所述模块m3包括：
[0044]
模块m3.1：对xi(n)进行离散傅立叶变换得到xi(k)(1≤k≤n)，即xi(k)＝fft(xi(n))；
[0045]
模块m3.2：利用离散傅立叶变换的时移性质，将xi(k)与相乘，并进行傅立叶逆变换并取实部，得到该列校正后的数据xi'(n)，即
[0046]
模块m3.3：将校正后的第i列数据保存到p(m,n)的第i列，即p(i,n)＝xi'(n)；
[0047]
重复模块m2.3至模块m3.3，完成q(m,n)所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据p(m,n)。
[0048]
第二方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法中的步骤。
[0049]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0050]
1、本发明与其他光谱弯曲校正的方法相比，不需要在增加分光元器件或狭缝的设计、制造难度，不需要复杂的计算，仅利用离散傅立叶变换的时移特性，对图像数据进行处理，弯多少纠多少，非常简单直观地完成了光谱弯曲校正；
[0051]
2、由于超高光谱分辨率的光谱成像仪色散比较开，光谱混叠小，所以本发明中使用的方法忽略了相邻波段间光谱混叠的影响，直接进行空间维的校正。
附图说明
[0052]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0053]
图1为本发明的流程示意图；
[0054]
图2为拟合的二次曲线；
[0055]
图3为未校正的弯曲的太阳光谱，横向为空间维，纵向为光谱维；
[0056]
图4为弯曲校正后的太阳光谱，横向为空间维，纵向为光谱维。
具体实施方式
[0057]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0058]
本发明实施例提供了一种光谱弯曲校正的方法，参照图1和图2所示，该方法具体包括：
[0059]
步骤s1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，对样本数据进行曲线拟合。
[0060]
其中，步骤s1对样本数据进行曲线拟合具体包括：
[0061]
步骤s1.1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，读取该图像，保存进二维数组s(m,n)，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0062]
步骤s1.2：从s(m,n)中找出每一列的最小值所在的行号，将找出的最小值所在的行号保存进一维数组y(m)。
[0063]
步骤s1.3：对y(m)进行二次多项式拟合，求出y(m)＝am2+bm+c的系数a,b,c。
[0064]
步骤s2：参照图2所示，根据拟合的曲线，计算待校正图像的每一列弯曲度。
[0065]
对待校正图像每一列弯曲度的计算，在步骤s2中具体包括：
[0066]
步骤s2.1：根据拟合的二次多项式，计算该拟合曲线的谷值，即处的值，记为miny，即
[0067]
步骤s2.2：读取需要校正的太阳光谱图像，保存进二维数组q(m,n)，建立二位数组p(m,n)，用以保存光谱弯曲校正后的数据，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0068]
步骤s2.3：读取q(m,n)的第i列(1≤i≤m)，保存进一维数组xi(n)。
[0069]
步骤s2.4：根据拟合二次多项式计算第i列相对于拟合曲线的谷值的差值δyi＝(ai2+bi+c)-miny。
[0070]
步骤s3：根据每一列弯曲度，对待校正图像每一列利用傅立叶变换时移性质进行校正，完成所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据。
[0071]
在步骤s3中，对待校正图像每一列利用傅立叶变换时移性质进行校正具体包括：
[0072]
步骤s3.1：对xi(n)进行离散傅立叶变换得到xi(k)(1≤k≤n)，即xi(k)＝fft(xi(n))。
[0073]
步骤s3.2：利用离散傅立叶变换的时移性质，将xi(k)与相乘，并进行傅立叶逆变换并取实部，得到该列校正后的数据xi'(n)，即
[0074]
步骤s3.3：将校正后的第i列数据保存到p(m,n)的第i列，即p(i,n)＝xi'(n)；
[0075]
重复步骤s2.3至步骤s3.3，完成q(m,n)所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据p(m,n)。
[0076]
本发明还提供了一种光谱弯曲校正的系统，参照图1和图2所示，该系统包括：
[0077]
模块m1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，对样本数据进行
曲线拟合。
[0078]
模块m2：根据拟合的曲线，计算待校正图像的每一列弯曲度。
[0079]
模块m3：根据每一列弯曲度，对待校正图像每一列利用傅立叶变换时移性质进行校正，完成所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据。
[0080]
其中，模块m1包括：
[0081]
模块m1.1：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，读取该图像，保存进二维数组s(m,n)，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0082]
模块m1.2：从s(m,n)中找出每一列的最小值所在的行号，将找出的最小值所在的行号保存进一维数组y(m)。
[0083]
模块m1.3：对y(m)进行二次多项式拟合，求出y(m)＝am2+bm+c的系数a,b,c。
[0084]
模块m2包括：
[0085]
模块m2.1：根据拟合的二次多项式，计算该拟合曲线的谷值，即处的值，记为miny，即
[0086]
模块m2.2：读取需要校正的太阳光谱图像，保存进二维数组q(m,n)，建立二位数组p(m,n)，用以保存光谱弯曲校正后的数据，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0087]
模块m2.3：读取q(m,n)的第i列(1≤i≤m)，保存进一维数组xi(n)。
[0088]
模块m2.4：根据拟合二次多项式计算第i列相对于拟合曲线的谷值的差值δyi＝(ai2+bi+c)-miny。
[0089]
模块m3包括：
[0090]
模块m3.1：对xi(n)进行离散傅立叶变换得到xi(k)(1≤k≤n)，即xi(k)＝fft(xi(n))。
[0091]
模块m3.2：利用离散傅立叶变换的时移性质，将xi(k)与相乘，并进行傅立叶逆变换并取实部，得到该列校正后的数据xi'(n)，即
[0092]
模块m3.3：将校正后的第i列数据保存到p(m,n)的第i列，即p(i,n)＝xi'(n)；
[0093]
重复模块m2.3至模块m3.3，完成q(m,n)所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据p(m,n)。
[0094]
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
[0095]
针对超高光谱分辨率的光谱成像仪光谱弯曲校正需求，提出一种光谱弯曲校正的方法，先对弯曲的光谱进行二次多项式拟合，此拟合的曲线就是空间维弯曲程度的数学描述，再依次对每一列根据弯曲程度的不同进行位移修正，弯多少补多少。根据傅立叶变换的时移性质，时移的信号经过傅立叶变换后仅发生相位变化，其频谱的幅度没有变化。因此只要对弯曲光谱的每一列数据先进行傅立叶变换，再乘以与位移相关的相位函数，再进行傅立叶逆变换，就得到该列数据校正后的值。依次对弯曲的光谱图像的每一列进行上述操作后，就完成了整幅图的光谱弯曲校正。此方法简单直观，且通过傅立叶变换避免了复杂的卷积运算等。由于超高光谱分辨率的光谱成像仪色散比较开，光谱混叠小，所以该方法中忽略相邻波段间光谱混叠的影响，避免了相邻波段间的权重计算与重分配过程。
[0096]
太阳双超卫星太阳光谱扫描成像仪(光谱分辨率为0.072埃，像元光谱分辨率为0.025埃，观测波段为ha谱线(中心波长为6562.8埃)临近的200多个波道)观测到的太阳光谱图像见图3。使用离散傅立叶变换时移性质进行光谱弯曲校正后的太阳光谱图像如图4所示。
[0097]
该方法具体包括以下步骤：
[0098]
(1)：选取一幅太阳光谱图像作为光谱弯曲校正的样本数据，读取该图像，保存进二维数组s(m,n)，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0099]
(2)：从s(m,n)中找出每一列的最小值所在的行号，将找出的最小值所在的行号保存进一维数组y(m)。
[0100]
(3)：对y(m)进行二次多项式拟合，求出y(m)＝am2+bm+c的系数a,b,c。
[0101]
(4)：根据拟合的二次多项式，计算该拟合曲线的谷值，即处的值，记为miny,即
[0102]
(5)：读取需要校正的太阳光谱图像，保存进二维数组q(m,n)，建立二位数组p(m,n)，用以保存光谱弯曲校正后的数据，其中1≤m≤m,1≤n≤n，m为空间维，n为光谱维。
[0103]
(6)：读取q(m,n)的第i列(1≤i≤m)，保存进一维数组xi(n)。
[0104]
(7)：根据拟合二次多项式计算第i列相对于拟合曲线的谷值的差值δyi＝(ai2+bi+c)-miny。
[0105]
(8)：对xi(n)进行离散傅立叶变换得到xi(k)(1≤k≤n)，即xi(k)＝fft(xi(n))。
[0106]
(9)：利用离散傅立叶变换的时移性质，将xi(k)与相乘，并进行傅立叶逆变换并取实部，得到该列校正后的数据xi'(n)，即
[0107]
(10)：将校正后的第i列数据保存到p(m,n)的第i列，即p(i,n)＝xi'(n)。
[0108]
重复步骤(6)至步骤(10)，完成q(m,n)所有列数据的校正，得到校正后的完整光谱图像数据p(m,n)。
[0109]
本发明实施例提供了一种光谱弯曲校正的方法、系统及介质，满足超高光谱分辨率的光谱成像仪光谱弯曲校正的需求。与其他光谱弯曲校正的方法相比，本发明不需要在增加分光元器件或狭缝的设计、制造难度，不需要复杂的计算，仅利用离散傅立叶变换的时移特性，对图像数据进行处理，弯多少纠多少，非常简单直观地完成了光谱弯曲校正。由于超高光谱分辨率的光谱成像仪色散比较开，光谱混叠小，所以该方法中忽略了相邻波段间光谱混叠的影响，直接进行空间维的校正。
[0110]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0111]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。