超光譜成像儀圖像均勻性校正

張春雷，向 陽

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130033)

1 引言

超光譜成像儀是新型光學(xué)遙感儀器，它可通過垂直狹縫方向掃描獲取二維圖像信息的同時(shí)獲得地面景物的光譜信息［1-2］。目前，在軌的國外超光譜成像儀有 CHRIS［3-4］和 Hyperion［5-6］，國內(nèi)“天宮一號(hào)”上也載有用于地面景物光譜探測(cè)的超光譜成像儀。目前超光譜成像儀存在的主要問題是刈幅寬度正比于探測(cè)器穿軌方向像元數(shù)量，受大面陣遙感用CCD探測(cè)器穿軌方向數(shù)量限制(通常小于1 024 pixel，CHRIS和 Hyperion分別為 576和250 pixel)，超光譜成像儀刈幅寬度狹小，不能滿足航天超光譜成像儀的業(yè)務(wù)化應(yīng)用要求。鑒于此，科學(xué)家們開展了對(duì)超光譜成像儀實(shí)現(xiàn)寬刈幅新方法的研究，通過光纖視場(chǎng)分束器折疊視場(chǎng)，利用CCD探測(cè)器冗余區(qū)域研制出穿軌像元數(shù)為2 048 pixel的新型超光譜儀成像儀，該超光譜成像儀的刈幅寬度擴(kuò)大了1倍。為了獲得準(zhǔn)確的超高譜數(shù)據(jù)，需要對(duì)超光譜成像儀進(jìn)行光譜輻射定標(biāo)，即確定超光譜成像儀各光譜通道的中心波長和超光譜成像儀入射光譜輻亮度與輸出DN值之間關(guān)系［7-10］，而超光譜成像儀光譜輻射定標(biāo)的前提是對(duì)均勻物體成像時(shí)同一光譜通道穿軌方向像元響應(yīng)均勻。一般情況下，超光譜成像儀同一光譜通道CCD各像點(diǎn)采集信號(hào)不均勻主要受漸暈效應(yīng)［11］、Smile 效應(yīng)［12-13］和 CCD 本身噪聲［14-16］等影響，新型超光譜成像儀由于采用光纖分束器作為視場(chǎng)擴(kuò)大元件，需要對(duì)光纖分束器引入的穿軌方向像元響應(yīng)不均勻性進(jìn)行額外校正，為下一步超光譜成像儀光譜輻射定標(biāo)和超光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定一定基礎(chǔ)。本文將利用超光譜成像儀對(duì)景物進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，根據(jù)新型超光譜成像儀采集圖像的特點(diǎn)，利用太陽作為校正源對(duì)其圖像進(jìn)行均勻性校正，并且根據(jù)超光譜成像儀光譜定標(biāo)結(jié)果對(duì)被光纖視場(chǎng)分束器分開視場(chǎng)進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)對(duì)超光譜成像儀采集圖像的非均勻性校正，最終對(duì)校正方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 新型超光譜成像儀圖像特點(diǎn)和校正原理

2.1 新型超光譜成像儀圖像特點(diǎn)

超光譜成像儀成像原理和圖像特點(diǎn)如圖1所示，超光譜成像儀將每一時(shí)刻掃描得到的目標(biāo)，經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)成像在面陣CCD探測(cè)器上，此時(shí)得到一維空間目標(biāo)的光譜圖，然后通過沿飛行器前進(jìn)方向的掃描得到二維空間目標(biāo)的光譜圖，即超光譜成像儀采集到圖像是圖像數(shù)據(jù)立方，其包含二維圖像和一維光譜［17］。

圖1 超光譜儀成像儀圖像特點(diǎn)Fig.1 Characteristic of image from imaging spectrometer

新型超光譜成像儀利用光纖視場(chǎng)分束器，如圖2所示，將一個(gè)視場(chǎng)折為兩個(gè)視場(chǎng)，有效地利用探測(cè)器冗余部分，使超光譜成像儀視場(chǎng)擴(kuò)大二倍，每一幅圖像為兩部分圖像的拼接。

圖2 光纖視場(chǎng)分束器原理圖Fig.2 Principle of fiber field division device

探測(cè)器上每一時(shí)刻采集到的光譜圖像如圖3所示，圖中行為狹縫方向，共1 024 pixel，列為光譜方向，視場(chǎng)1、視場(chǎng)2為被光纖視場(chǎng)分束器分成的兩個(gè)視場(chǎng)，其余黑色部分為探測(cè)器冗余區(qū)域。一般超光譜成像儀只有行方向1 024 pixel，新型超光譜成像儀可以突破面陣探測(cè)器行像元限制，實(shí)現(xiàn)穿軌方向2 048 pixel景物探測(cè)。

圖3 探測(cè)器采集景物圖像Fig.3 Scene picture collected by CCD

2.2 圖像均勻性校正原理

新型超光譜成像儀會(huì)由于前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)漸暈、各光纖像元透過率不均勻和探測(cè)器不同像元響應(yīng)不均勻等原因使得沿狹縫方向?qū)鶆蛭矬w成像響應(yīng)不均勻，最終導(dǎo)致超光譜成像儀圖像中出現(xiàn)垂直狹縫的橫紋，所以需要對(duì)圖像進(jìn)行非均勻性校正。某一時(shí)刻超光譜成像儀采集到的圖像如圖3所示，經(jīng)過一段時(shí)間對(duì)景物推掃，通過圖像處理軟件進(jìn)行初處理可以獲得每個(gè)光譜通道景物圖像，波長為λk的通道圖像可以用式(1)矩陣表示:

如果超光譜成像儀對(duì)一均勻物體觀察一段時(shí)間，同樣可以得到波長為λk的矩陣V'，如式(2)所示。由于超光譜成像儀采集到的圖像只是均勻物體上同一位置圖像，所以通過求平均消除隨機(jī)誤差，則矩陣V任意一列像元的校正系數(shù)如式(3)所示。

式中:mean(Qjλk)=(Q1jλk+ … +Qijλk+ … +Qnjλk)/n，利用式(3)得到的Vcor作為校正系數(shù)，采集到的圖像矩陣V的每一列點(diǎn)除Vcor，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)超光譜成像儀采集到的圖像非均勻性校正。

另外，根據(jù)新型超光譜成像儀特點(diǎn)，需要對(duì)其兩個(gè)視場(chǎng)分別進(jìn)行光譜定標(biāo)，確定各光譜通道中心波長，再把同一光譜通道圖像拼接到一起，完成對(duì)新型超光譜成像儀整個(gè)視場(chǎng)圖像的非均勻性校正。

3 新型超光譜成像儀成像實(shí)驗(yàn)與圖像均勻性校正

3.1 超光譜成像儀成像實(shí)驗(yàn)與校正源特性

新型超光譜成像儀對(duì)景物成像過程如圖4所示，圖中超光譜成像儀固定在圓形轉(zhuǎn)臺(tái)上隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)模擬衛(wèi)星或飛機(jī)對(duì)地面的推掃，每一時(shí)刻超光譜成像儀探測(cè)器上得到的是各波長的狹縫單色像，垂直狹縫的一列像元?jiǎng)t是該處像元的光譜圖，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的推掃，得到垂直狹縫方向一維的圖像。

圖4 超光譜成像儀對(duì)景物成像示意圖Fig.4 Scene imaging of imaging spectrometer

利用太陽作為均勻性校正光源相比其它光源具有亮度高、照射均勻、穩(wěn)定性和紫外光譜能量比溴鎢燈強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)［18］，所以，采用太陽作校正光源對(duì)圖像非均勻性進(jìn)行了校正。校正中利用太陽光打在陶瓷片上作為擴(kuò)展漫射光源，且陶瓷片方向的反射率經(jīng)過國家計(jì)量院標(biāo)定。太陽照射陶瓷片，經(jīng)反射入射至超光譜成像儀獲得的圖像如圖5所示。圖5中行對(duì)應(yīng)超光譜成像儀狹縫方向，狹縫方向亮暗不均是由于狹縫各像元透過率不均勻造成的;列對(duì)應(yīng)不同時(shí)間同一位置的灰度值，該值隨時(shí)間變化不大，其變化主要來源于太陽能量本身，大氣透過率和成像探測(cè)系統(tǒng)的隨機(jī)影響。定義采集到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性為該組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值，對(duì)采集到的一組超光譜成像儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到連續(xù)20個(gè)光譜通道某一像元處采集到的能量穩(wěn)定性＜2.3%，如圖6所示;同一通道狹縫方向不同像元采集到的能量穩(wěn)定性如圖7所示，可以看出基本小于3%，太陽能量和光學(xué)系統(tǒng)透過率比較穩(wěn)定，大氣透過率穩(wěn)定性為1.1% ～2.7%［19］，與采集到的數(shù)據(jù)基本符合。校正時(shí)校正圖像光譜通道與待校正圖像光譜通道相同，并且通過沿垂直狹縫方向，即圖5中列像元取平均，得到沿橫向(光纖排列方向)的1 024個(gè)數(shù)值，歸一化后的倒數(shù)作為校正系數(shù)以消除隨機(jī)誤差。由于采用太陽照射漫反射板形成的擴(kuò)展源作為校正標(biāo)準(zhǔn)，從以上數(shù)據(jù)可以看出，利用該方法對(duì)均勻物體圖像進(jìn)行校正可以實(shí)現(xiàn)4%的均勻性。

圖5 超光譜成像儀某一通道均勻物體圖像Fig.5 Uniform image of one imaging spectrometer channel

圖6 不同光譜通道某一列像元接收能量穩(wěn)定性Fig.6 Energy stability of some row pixels of different channels

圖7 同一通道不同像元接收能量穩(wěn)定性Fig.7 Energy stability of different pixels of some channels

3.2 超光譜成像儀圖像非均勻性校正

由于校正每個(gè)光譜通道均勻性過程相同，所以僅對(duì)其中一幅圖像(包含兩個(gè)視場(chǎng))進(jìn)行校正。對(duì)整個(gè)視場(chǎng)圖像進(jìn)行非均勻性校正，需要對(duì)兩個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行拼合，這就要求對(duì)超光譜成像儀兩個(gè)視場(chǎng)分別進(jìn)行光譜定標(biāo)，然后把非均勻性校正后同一光譜通道兩幅圖像拼接起來完成整個(gè)視場(chǎng)的非均勻性校正。通常采用寬帶光源、單色儀和平行光管組合對(duì)超光譜成像儀進(jìn)行光譜定標(biāo)［20-21］，本文中使用大氣中氧原子特征吸收譜線對(duì)兩個(gè)不同視場(chǎng)進(jìn)行光譜定標(biāo)［22］。利用前面提到的原理和校正系數(shù)對(duì)成像實(shí)驗(yàn)中采集到的兩幅中心波長相同的圖像大小為2 794×1 024數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正，整合后圖像尺寸變?yōu)? 794×2 048，有效地?cái)U(kuò)大了超光譜成像儀視場(chǎng)，校正前后圖像如圖8(a)、(b)和(c)所示，而一般超光譜成像儀刈幅只有圖中以紅線分割的一半視場(chǎng)大。從圖中可以看出，校正前圖像中存在亮暗不均橫紋，校正后圖像具有很好的均一性，且圖像質(zhì)量高。圖(c)為校正后圖像細(xì)節(jié)，從圖中可以看出，建筑物墻面上磚塊細(xì)節(jié)和窗口窗簾褶皺，說明新型超光譜成像儀具有很高分辨率，驗(yàn)證了新型成像光譜儀優(yōu)良的性能指標(biāo)。

圖8 非均勻性校正前后圖像Fig.8 Images of before and after uniformity correction

另外，對(duì)超光譜成像儀圖像非均勻性校正時(shí)間進(jìn)行了研究。由于超光譜成像儀數(shù)據(jù)格式是三維的數(shù)據(jù)立方，數(shù)據(jù)量巨大，圖像處理過程也相對(duì)耗時(shí)。利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖9 2 794(H)×2 048(V)進(jìn)行非均勻性校正，共耗時(shí)11.2 s，其中數(shù)據(jù)目錄改變與讀取數(shù)據(jù)耗時(shí)0.063 s，校正系數(shù)計(jì)算耗時(shí)0.062 s，兩視場(chǎng)合成大視場(chǎng)圖片及存儲(chǔ)圖片耗時(shí)0.22 s，由于校正時(shí)需對(duì)圖像中每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，每點(diǎn)所需時(shí)間為1.97×10－6s，共需運(yùn)算5.5×106次，所以利用校正系數(shù)校正圖片消耗10.83 s。

圖9 圖像非均勻性校正時(shí)間分配Fig.9 Time distribution of the uniformity correction

4 結(jié)論

本文針對(duì)新型超光譜成像儀圖像不均勻特點(diǎn)，利用太陽作為均勻校正光源對(duì)新型超光譜成像儀圖像進(jìn)行校正。結(jié)果表明:新型成像光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)景物觀測(cè)，所采用校正方法合理，校正后圖像具有很高質(zhì)量，每個(gè)點(diǎn)校正所需時(shí)間為1.97×10－6s。由于超光譜成像儀數(shù)據(jù)量巨大，所以校正時(shí)間較長，如何縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間仍是今后需解決問題。由于以太陽照射漫反射板形成的擴(kuò)展光源作為校正基準(zhǔn)，擴(kuò)展光源均勻性直接影響校正效果，從文中數(shù)據(jù)可以看出，利用該方法對(duì)亮度均勻物體圖像校正后均勻性可以小于4%。

［1］ 李歡，周峰.星載超光譜成像技術(shù)發(fā)展與展望［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2012，10(5):38-44.LI H，ZHOU F.Developments of spaceborne hyperspectral imaging technique［J］.Optics ＆ Optoelectronic Technology，2012，10(5):38-44.(in Chinese)

［2］ 鄭玉權(quán)，王慧，王一凡.星載高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(11):2629-2637.ZHENG Y Q，WANG H，WANG Y F.Selection and design of system for spaceborne hyperspectral imagers［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(11):2629-2637.(in Chinese)

［3］ FLETCHER P.Image acquisition planning for the CHRIS sensor onboard PROBA［J］.SPIE，2004，5546:141-148.

［4］ PEARLMAN J S，BARRY P S，SEGAL C C，et al..Hyperion，a space-based imaging spectrometer［J］.IEEE T.Geosci.Remote.，2003，41(6):1160-1173.

［5］ Hyperion.(2010-03-30)［2013-03-06］http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EO1Tenth/page3.php.Going hyperspectral.

［6］ CHRIEN T G，GREEN R O.Accuracy of the spectral and radiometric laboratory calibration of the Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer AVIRIS［J］.SPIE，1990，1298:37-49.

［7］ 王銳，宋克非.高精度紫外探測(cè)器輻射定標(biāo)系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(3):469-474.WANG R，SONG K F.High accuracy radiance calibration system for ultraviolet detector［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(3):469-474.(in Chinese)

［8］ 陳健，王偉國，高慧斌，等.紫外探測(cè)器的輻射定標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)傳遞［J］.中國光學(xué)，2012，5(4):423-429.CHEN J，WANG W G，GAO H B，et al..Radiation calibration for UV detectors and standard transferring［J］.China Optical，2012，5(4):423-429.(in Chinese)

［9］ 張?jiān)品?基于加權(quán)最小二乘法的紅外輻射定標(biāo)［J］.液晶與顯示，2012，27(6):832-836.ZHNAG Y F.Radiance calibration based on weighted least square method［J］.Chinese J.Liquid Crystals and Displays，2012，27(6):832-836.(in Chinese)

［10］ 郁道銀，談恒英.工程光學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:52-54.YU D Y，TANG H Y.Engineering Optics［M］.Beijing:China Machine Press，1998:52-54.

［11］ FENF Y T，XIANG Y.Mitigation of spectral mis-registration effects in imaging spectrometers via cubic spline interpolation［J］.Optical Express，2008，16(20):15366-15374.

［12］ JOHN FISHER，MARK BAUMBACK，JEFFREY BOWLES，et al..Comparison of low-cost hyperspectral sensors［J］.SPIE，1998，3438:23-30.

［13］ 陳銳，談新權(quán).紅外圖像非均勻性校正方法綜述［J］.紅外技術(shù)，2002，24(1):1-3.CHEN R，TAN X Q.Study on non － uniformity correction of infrared image，infrared technology［J］.，2002，24(1):1-3.(in Chinee)

［14］ 李憲圣，葉釗，任建偉.空間相機(jī)異常響應(yīng)圖像處理方法［J］.液晶與顯示，2012，27(4):557-562.LI X SH，YE ZH，REN J W.Processing method for abnormal response of space camera image in orbit［J］.Chinese J.Liquid Crystals and Displays，2012，27(4):557-562.(in Chinese)

［15］ BIGGAR S F，SLATER P N，THOME K J，et al..Preflight solar-based calibration of seaWiFS［J］.SPIE，1993，1939:233-242.

［16］ PUSCHELL J.Hyperspectral imagers for current and future missions［J］.SPIE，2000，4041:121-132.

［17］ MICHELE K A，KURT T J，STUART B F，et al..Solar radiation based calibration of an airborne radiometer for vicarious calibration of earth observing sensors［J］.SPIE，2002，4483:85-92.

［18］ BIGGAR S F，SLATER P N，THOME K J，et al..Preflight solar-based calibration of SeaWiFS［J］.SPIE，1993，1939:233-242.

［19］ 鄭玉權(quán).超光譜成像儀的精細(xì)光譜定標(biāo)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(11):2347-2354.ZHENG Y Q.Precise spectral calibration for hyperspectral imager［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18(11):2347-2354.(in Chinese)

［20］ 金輝，姜會(huì)林，鄭玉權(quán)，等.高光譜遙感器的光譜定標(biāo)［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2013，34(2):235-239.JIN H，JIANG H L，ZHENG Y Q，et al..Spectral calibration of the hyperspectral optical remote sensor［J］.Chinese J.Luminescence，2013，34(2):235-239.(in Chinese)

［21］ 張春雷，向陽.基于大氣吸收帶的超光譜成像儀光譜定標(biāo)技術(shù)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012，32(1):268-272.ZHANG C L，XIANG Y.Spectral calibration of the hyperspectral imagger based on atmosphere absorption［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2012，32(1):268-272.(in Chinese)