一种成像光谱仪的数据处理方法

摘要

本发明公开了一种时空联合调制干涉成像光谱仪的数据处理方法，包括以下几个步骤：步骤一：通过时空联合调制干涉成像光谱仪，获取包括感兴趣目标点的一系列图像序列；步骤二：通过图像配准获取感兴趣目标点Q在连续推扫的干涉图像的位置；步骤三：获取感兴趣目标点对应某一光程差的干涉强度；步骤四：获取感兴趣目标点由不同光程差的干涉强度组成的干涉图；步骤五：将感兴趣目标点的干涉图通过非均匀傅里叶变换复原得到该感兴趣目标点的光谱。本发明的方法适用于机载时空联合调制干涉成像光谱仪，有效的克服了目前机载稳定平台难达到时空联合调制干涉成像光谱仪对平台稳定性要求的难点，使时空联合调制干涉成像光谱仪能有效的应用于机载平台。

主权项

一种成像光谱仪的数据处理方法，包括以下几个步骤：步骤一：通过时空联合调制干涉成像光谱仪，获取包括感兴趣目标点的一系列图像序列；采集图像的数量根据香农采样定理确定，采集图像的数量为M，对于感兴趣目标点，每一幅图像对应一个光程差，M幅图像对应M个不同的光程差；步骤二：通过图像配准获取感兴趣目标点Q在连续推扫的干涉图像的位置；将原始图像序列中第一帧图像设为原始参考图像，将通过时空联合调制干涉成像光谱仪获取的干涉图像序列分为N个图像子序列，每个子序列中有K_n幅图像，每个子序列中任意一帧图像为参考图像，其余图像为待配准图像；基于傅里叶变换的方法求取参考图像和待配准图像的相互位移关系；给定存在(u,v)平移的两幅图像f和g，即g(x,y)＝f(x‑u,y‑v)可得，$G({\omega }_x,{\omega }_y)=e^{-j({\omega }_{x}u+{\omega }_{y}v)}F({\omega }_x,{\omega }_y)---\left(2\right)$其中：F为图像f的频谱，G为图像g的频谱，(x,y)为空间像素点的坐标，(ω_x,ω_y)为空间角频率；子序列内待配准图像相对于该子序列的参考图像的运动估计值的获取方法如下：A.整数级像素位移估计：根据公式(2)，可得计算公式(3)：$\exp \left(j\right({\omega }_x{u}_c+{\omega }_y{v}_c\left)\right)=\frac{F({\omega }_x,{\omega }_y)G^{*}({\omega }_x,{\omega }_y)}{\left|F({\omega }_x,{\omega }_y)G^{*}({\omega }_x,{\omega }_y)\right|}---\left(3\right)$其中：j为虚数单位，F为待配准图像频谱，G为参考图像频谱，G^＊为G的共轭谱，F^＊为F的共轭谱，水平方向的运动估计值为u_c，竖直方向上的运动估计值为v_c，u_c和v_c均为1×K_n的列向量；对此互功率谱进行傅里叶逆变化，得到参考图像和待配准图像之间的互相关函数，互相关函数值峰值位置所对应的数值即是待配准图像和参考图像之间的整像素级位移估计值；B.奇异值筛选及校正；步骤如下所示：1)设定阈值T，根据步骤A所得整像素级位移估计结果，将帧间位移和阈值T进行比较，若大于T，对图像的运动位移参数进行校正，进入步骤2)，若小于等于T，进入步骤C；2)提取需要校正的图像的序号，以该图像前一帧图像为参考图像，重复步骤A、步骤B中的1)；C.亚像素级位移估计；具体步骤如下所示：1)使用傅里叶变换，将参考图像和待配准图像从空间域变换到频域；2)提取参考图像和待配准图像的低频区域，计算两者的相位差∠(F_n×n/G_n×n)；∠(.)代表两个信号间的频谱相位差，n×n为选定的低频区域，其中n为区域宽度；3)使用最小二乘法对相位差∠(F_n×n/G_n×n)进行拟合，计算水平方向运动估计值u_s和竖直方向运动估计值v_s；D.重复步骤A、B、C对相邻的子图像序列的参考图像进行运动参数估计，获取相邻的子图像序列的参考图像之间的位置关系，令ε_i为水平方向上的运动估计值，τ_i为竖直方向上的运动估计值；E.获取待配准图像相对于原始参考图像的相对位移；第n个子图像序列中第k帧图像相对于原始参考图像的相对位移计算表达式如下所示，其中n＝1，…，N，k＝1，…，K_n；$U_{n,k}=u_{c,k}+u_{s,k}+\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}{ϵ}_i---\left(4\right)$$V_{n,k}=v_{c,k}+v_{s,k}+\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}{\tau }_i---\left(5\right)$其中：U_n,k和V_n,k分别为待配准图像相对于原始参考图像的水平方向和竖直方向位移估计值，u_c,k和v_c,k分别为第n个子图像序列中的待配准图像相对于该子图像序列的参考图像的水平方向和竖直方向整像素位移估计值，u_s,k和v_s,k分别为第n个子图像序列中的待配准图像相对于该子图像序列的参考图像的水平方向和竖直方向亚像素位移估计值，ε_i和τ_i分别为第i个子图像序列的参考图像和第i+1个子图像序列参考图像之间的相对位移，ε₀和τ₀均为0；F.设定目标在连续图像上的位置；根据感兴趣目标点在第n个子图像序列中第k帧图像上的位置(x，y)可得估计目标在第n'个子图像序列中第k′帧图像上的位置(x′，y′)：x'＝x+U_n',k'‑U_n,k                   (6)y'＝y+V_n',k'‑V_n,k                      (7)其中，(U_n,k,V_n,k)和(U_n',k',V_n',k')分别是第n个子图像序列中第k帧图像和第n'个子图像序列中第k′帧图像的相对于完整图像序列的原始参考图像获取的位移估计参数；若已知参考图像中感兴趣目标点的位置坐标，根据以上步骤得到的运动位移估计值以及公式(6)和(7)，得到该目标点在图像序列中任意一幅图像中亚像素级别的位置坐标，并且根据该位置与图像零光程差所对应的位置计算出目标点当前对应的光程差，用于步骤五的傅里叶变换过程；步骤三：获取感兴趣目标点对应某一光程差的干涉强度；步骤二中得到推扫图像中感兴趣目标点Q在坐标(x′，y′)，采用插值方法获取目标对应的灰度值，即为目标点对应某一光程差下的干涉强度值；步骤四：获取感兴趣目标点由不同光程差的干涉强度组成的干涉图；利用步骤二获取的感兴趣目标点Q对应的M帧图像的位置，重复步骤三提取其对应的不同光程差的干涉强度数据，形成目标的干涉图；步骤五：将感兴趣目标点的干涉图通过非均匀傅里叶变换复原得到该感兴趣目标点的光谱。