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光栅成像光谱仪图像畸变校准方法研究摘要：成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。光栅型成像光谱仪由于原理简单性能稳定技术发展成熟等优点得到了广泛的应用。光栅成像光谱仪中不同采样步长的选择及不合理的拼接方法会导致目标图像（分划板图像）的畸变会使原来分划板图像中的正方形发生不同程度拉伸或者压缩成为矩形。现采用HeNe激光器确定成像光谱仪的通带宽度并利用低压汞灯进行波长定标确定特定波长所对应的像元数通过基于区域和小波变换的拼接方法完成目标图像从而对目标图像的畸变进行校正。实验证明可以使畸变量相比原始块匹配拼接方法减小一个数量级。关键词：光栅型成像光谱仪；畸变量；图像拼接引言20世纪80年代开始成像光谱仪因能够获取高光谱分辨率景物或目标的高光谱图像被广泛应用在航空、航天器上从而对陆地、大气、海洋等进行观测[1]。成像光谱仪按分光方式的不同可分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。光栅型成像光谱仪中不同采样步长的选择及不合理的拼接方法会导致目标图像的畸变从而会影响成像光谱仪在探测目标时的准确性和精度使图像信息缺失或者变形造成探测误差。因此可以看出畸变是影响光谱测量精度的重要原因之一通过合理的方法减小畸变就非常必要。1光栅型成像光谱仪成像原理色散型成像光谱仪工作原理如图1所示目标物的反射光通过前置物镜成像在狭缝平面上狭缝作为视场光阑使物体条带的像通过挡掉其他部分光。目标物的条带像经准直物镜照射到色散元件上经色散元件在垂直狭缝方向按波长（λ）色散由成像物镜会聚成像在光谱仪像平面上的二维CCD探测器上。焦平面上平行于狭缝的水平方向称为空间维每一行像元对应于一个光谱波段的狭缝像；焦平面上垂直于狭缝方向即色散方向称为光谱维每一列像元对应于狭缝上一个空间瞬时采样视场的不同波长的光谱像。这样面阵探测器得到的每帧图像是与狭缝对应的目标条带区域的光谱图像数据。若让成像光谱仪相对目标运动让前置物镜形成的目标像依次通过狭缝同时记录狭缝的光谱图像即得到目标的光谱图像三维数据立方体[2]。本文研究的光栅型成像光谱仪在扫描采样的过程中为了获得准确的目标图像必须对载物台的运动速度进行精确的控制。本系统利用步进电机驱动载物台运动。因此载物台的运动速度是通过对步进电机的转速控制来实现的而步进电机的转速是由软件来控制。步进电机给定的步长数即采样步长直接影响到获得目标像的畸变量。由上所述的原理可知由于目标在探测器上成像只有一列因此必须通过扫描的方式才能得到目标景物的高光谱图像。光学仪器第35卷第2期韩军等：光栅成像光谱仪图像畸变校准方法研究2拼接原理传统的块匹配法虽然精度高但存在速度过慢的缺点本文应用了一种结合区域特征与小波变换的图像拼接方法拼接流程如图2所示。2.1图像预处理图像在采集过程中经常会受到光照明暗程度以及设备性能的优劣等因素的影响而导致同一时间、同一地点拍摄的图片在灰度值上的偏差所以在后续处理前要对采集图像进行预处理。2.2图像提取根据光栅型成像光谱仪的工作原理某一通道的目标信息是通过对采集到的一系列图像中每一幅图像特定波长的狭缝像信息准确的提取和合成而来。2.2.1通带宽度的确定为了获得一个通道的宽度所以要选择单色光源由于激光单色性好本文选择波长为632.8nm的HeNe激光器作为光源进行测量读出光谱采样点对采样数据点进行高斯拟合处理就可以确定其通带宽度。由于要提取的是某特定波长的通带信息所以需对波长定标。2.2.2波长定标由于所用仪器的光谱范围是400～900nm用低压汞灯作为标准光源来定标。由于在400～900nm的可见光波段内的特征谱线有限所以本文利用了二级光谱。选择404.656nm435.833nm546.073nm一级光谱和730.966nm809.312nm871.666nm二级光谱等6条特征光谱[3]进行波长定标。2.3小波分解小波变换是时间（空间）频率的局部化分析它通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化最终达到高频处时间细分低频处频率细分能自动适应时频信号分析的要求从而可聚焦到信号的任意细节[4]。2.4区域特征的选取和融合规则主要研究基于区域的小波融合算法选用平均梯度作为区域特征来构造新的融合算法平均梯度用来衡量图像的清晰程度由此来反映图像微小的细节反差。2.5融合规则与算法利用相关系数的公式采用循环式搜索与已经截下来的图片相关系数大于等于某一数值一般都在相关系数大于等于0.9以上的模块或区域然后进行相应的图像拼接。具体来说该算法可以分为以下几个步骤：（1）对源图像进行二维小波变换将源图像分解为表示低频信息的近似子图像和表示高频信息的