超光谱成像仪图像均匀性校正

张春雷，向 阳

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春130033)

1 引言

超光谱成像仪是新型光学遥感仪器，它可通过垂直狭缝方向扫描获取二维图像信息的同时获得地面景物的光谱信息［1-2］。目前，在轨的国外超光谱成像仪有 CHRIS［3-4］和 Hyperion［5-6］，国内“天宫一号”上也载有用于地面景物光谱探测的超光谱成像仪。目前超光谱成像仪存在的主要问题是刈幅宽度正比于探测器穿轨方向像元数量，受大面阵遥感用CCD探测器穿轨方向数量限制(通常小于1 024 pixel，CHRIS和 Hyperion分别为 576和250 pixel)，超光谱成像仪刈幅宽度狭小，不能满足航天超光谱成像仪的业务化应用要求。鉴于此，科学家们开展了对超光谱成像仪实现宽刈幅新方法的研究，通过光纤视场分束器折叠视场，利用CCD探测器冗余区域研制出穿轨像元数为2 048 pixel的新型超光谱仪成像仪，该超光谱成像仪的刈幅宽度扩大了1倍。为了获得准确的超高谱数据，需要对超光谱成像仪进行光谱辐射定标，即确定超光谱成像仪各光谱通道的中心波长和超光谱成像仪入射光谱辐亮度与输出DN值之间关系［7-10］，而超光谱成像仪光谱辐射定标的前提是对均匀物体成像时同一光谱通道穿轨方向像元响应均匀。一般情况下，超光谱成像仪同一光谱通道CCD各像点采集信号不均匀主要受渐晕效应［11］、Smile 效应［12-13］和 CCD 本身噪声［14-16］等影响，新型超光谱成像仪由于采用光纤分束器作为视场扩大元件，需要对光纤分束器引入的穿轨方向像元响应不均匀性进行额外校正，为下一步超光谱成像仪光谱辐射定标和超光谱数据应用奠定一定基础。本文将利用超光谱成像仪对景物进行成像实验，根据新型超光谱成像仪采集图像的特点，利用太阳作为校正源对其图像进行均匀性校正，并且根据超光谱成像仪光谱定标结果对被光纤视场分束器分开视场进行拼接，实现对超光谱成像仪采集图像的非均匀性校正，最终对校正方法进行评价。

2 新型超光谱成像仪图像特点和校正原理

2.1 新型超光谱成像仪图像特点

超光谱成像仪成像原理和图像特点如图1所示，超光谱成像仪将每一时刻扫描得到的目标，经望远系统、狭缝、准直系统、色散系统和成像系统成像在面阵CCD探测器上，此时得到一维空间目标的光谱图，然后通过沿飞行器前进方向的扫描得到二维空间目标的光谱图，即超光谱成像仪采集到图像是图像数据立方，其包含二维图像和一维光谱［17］。

图1 超光谱仪成像仪图像特点Fig.1 Characteristic of image from imaging spectrometer

新型超光谱成像仪利用光纤视场分束器，如图2所示，将一个视场折为两个视场，有效地利用探测器冗余部分，使超光谱成像仪视场扩大二倍，每一幅图像为两部分图像的拼接。

图2 光纤视场分束器原理图Fig.2 Principle of fiber field division device

探测器上每一时刻采集到的光谱图像如图3所示，图中行为狭缝方向，共1 024 pixel，列为光谱方向，视场1、视场2为被光纤视场分束器分成的两个视场，其余黑色部分为探测器冗余区域。一般超光谱成像仪只有行方向1 024 pixel，新型超光谱成像仪可以突破面阵探测器行像元限制，实现穿轨方向2 048 pixel景物探测。

图3 探测器采集景物图像Fig.3 Scene picture collected by CCD

2.2 图像均匀性校正原理

新型超光谱成像仪会由于前置望远系统渐晕、各光纤像元透过率不均匀和探测器不同像元响应不均匀等原因使得沿狭缝方向对均匀物体成像响应不均匀，最终导致超光谱成像仪图像中出现垂直狭缝的横纹，所以需要对图像进行非均匀性校正。某一时刻超光谱成像仪采集到的图像如图3所示，经过一段时间对景物推扫，通过图像处理软件进行初处理可以获得每个光谱通道景物图像，波长为λk的通道图像可以用式(1)矩阵表示:

如果超光谱成像仪对一均匀物体观察一段时间，同样可以得到波长为λk的矩阵V'，如式(2)所示。由于超光谱成像仪采集到的图像只是均匀物体上同一位置图像，所以通过求平均消除随机误差，则矩阵V任意一列像元的校正系数如式(3)所示。

式中:mean(Qjλk)=(Q1jλk+ … +Qijλk+ … +Qnjλk)/n，利用式(3)得到的Vcor作为校正系数，采集到的图像矩阵V的每一列点除Vcor，即可实现对超光谱成像仪采集到的图像非均匀性校正。

另外，根据新型超光谱成像仪特点，需要对其两个视场分别进行光谱定标，确定各光谱通道中心波长，再把同一光谱通道图像拼接到一起，完成对新型超光谱成像仪整个视场图像的非均匀性校正。

3 新型超光谱成像仪成像实验与图像均匀性校正

3.1 超光谱成像仪成像实验与校正源特性

新型超光谱成像仪对景物成像过程如图4所示，图中超光谱成像仪固定在圆形转台上随转台一起转动模拟卫星或飞机对地面的推扫，每一时刻超光谱成像仪探测器上得到的是各波长的狭缝单色像，垂直狭缝的一列像元则是该处像元的光谱图，随着转台的推扫，得到垂直狭缝方向一维的图像。

图4 超光谱成像仪对景物成像示意图Fig.4 Scene imaging of imaging spectrometer

利用太阳作为均匀性校正光源相比其它光源具有亮度高、照射均匀、稳定性和紫外光谱能量比溴钨灯强等明显优势［18］，所以，采用太阳作校正光源对图像非均匀性进行了校正。校正中利用太阳光打在陶瓷片上作为扩展漫射光源，且陶瓷片方向的反射率经过国家计量院标定。太阳照射陶瓷片，经反射入射至超光谱成像仪获得的图像如图5所示。图5中行对应超光谱成像仪狭缝方向，狭缝方向亮暗不均是由于狭缝各像元透过率不均匀造成的;列对应不同时间同一位置的灰度值，该值随时间变化不大，其变化主要来源于太阳能量本身，大气透过率和成像探测系统的随机影响。定义采集到数据的稳定性为该组数据标准偏差除以平均值，对采集到的一组超光谱成像仪数据进行处理，可以得到连续20个光谱通道某一像元处采集到的能量稳定性＜2.3%，如图6所示;同一通道狭缝方向不同像元采集到的能量稳定性如图7所示，可以看出基本小于3%，太阳能量和光学系统透过率比较稳定，大气透过率稳定性为1.1% ～2.7%［19］，与采集到的数据基本符合。校正时校正图像光谱通道与待校正图像光谱通道相同，并且通过沿垂直狭缝方向，即图5中列像元取平均，得到沿横向(光纤排列方向)的1 024个数值，归一化后的倒数作为校正系数以消除随机误差。由于采用太阳照射漫反射板形成的扩展源作为校正标准，从以上数据可以看出，利用该方法对均匀物体图像进行校正可以实现4%的均匀性。

图5 超光谱成像仪某一通道均匀物体图像Fig.5 Uniform image of one imaging spectrometer channel

图6 不同光谱通道某一列像元接收能量稳定性Fig.6 Energy stability of some row pixels of different channels

图7 同一通道不同像元接收能量稳定性Fig.7 Energy stability of different pixels of some channels

3.2 超光谱成像仪图像非均匀性校正

由于校正每个光谱通道均匀性过程相同，所以仅对其中一幅图像(包含两个视场)进行校正。对整个视场图像进行非均匀性校正，需要对两个视场进行拼合，这就要求对超光谱成像仪两个视场分别进行光谱定标，然后把非均匀性校正后同一光谱通道两幅图像拼接起来完成整个视场的非均匀性校正。通常采用宽带光源、单色仪和平行光管组合对超光谱成像仪进行光谱定标［20-21］，本文中使用大气中氧原子特征吸收谱线对两个不同视场进行光谱定标［22］。利用前面提到的原理和校正系数对成像实验中采集到的两幅中心波长相同的图像大小为2 794×1 024数据进行非均匀性校正，整合后图像尺寸变为2 794×2 048，有效地扩大了超光谱成像仪视场，校正前后图像如图8(a)、(b)和(c)所示，而一般超光谱成像仪刈幅只有图中以红线分割的一半视场大。从图中可以看出，校正前图像中存在亮暗不均横纹，校正后图像具有很好的均一性，且图像质量高。图(c)为校正后图像细节，从图中可以看出，建筑物墙面上砖块细节和窗口窗帘褶皱，说明新型超光谱成像仪具有很高分辨率，验证了新型成像光谱仪优良的性能指标。

图8 非均匀性校正前后图像Fig.8 Images of before and after uniformity correction

另外，对超光谱成像仪图像非均匀性校正时间进行了研究。由于超光谱成像仪数据格式是三维的数据立方，数据量巨大，图像处理过程也相对耗时。利用数据处理软件对图9 2 794(H)×2 048(V)进行非均匀性校正，共耗时11.2 s，其中数据目录改变与读取数据耗时0.063 s，校正系数计算耗时0.062 s，两视场合成大视场图片及存储图片耗时0.22 s，由于校正时需对图像中每个点进行运算，每点所需时间为1.97×10－6s，共需运算5.5×106次，所以利用校正系数校正图片消耗10.83 s。

图9 图像非均匀性校正时间分配Fig.9 Time distribution of the uniformity correction

4 结论

本文针对新型超光谱成像仪图像不均匀特点，利用太阳作为均匀校正光源对新型超光谱成像仪图像进行校正。结果表明:新型成像光谱仪能够实现大视场景物观测，所采用校正方法合理，校正后图像具有很高质量，每个点校正所需时间为1.97×10－6s。由于超光谱成像仪数据量巨大，所以校正时间较长，如何缩短数据处理时间仍是今后需解决问题。由于以太阳照射漫反射板形成的扩展光源作为校正基准，扩展光源均匀性直接影响校正效果，从文中数据可以看出，利用该方法对亮度均匀物体图像校正后均匀性可以小于4%。

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