推扫型干涉成像光谱仪去除条带非均匀性的方法

　　0　引言

　　基于推扫式工作原理的成像光谱仪,由于成像器件各个像元的响应存在差异[1-2]、狭缝的宽度不均匀等原因,导致其最终获得的光谱立方体图像上出现沿某一固定方向分布的、亮暗不均匀的条纹,以下简称“条带”.条带影响遥感图像的质量和可视性,对光谱的定标处理造成困难.

　　已有文献中对遥感图像条带的描述多为[1]:采用多个探测器并列扫描如美国中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)或者CCD线阵推扫方式的仪器,各个探测器或像元的响应存在差异,导致图像沿探测器阵列方向出现条带.处理方法有矩匹配法、直方图均衡法、均匀区法、傅里叶变换法、插值法等[3-4].

　　本文从当前应用较多的采用Sagnac棱镜作为干涉器件的成像光谱仪结构出发,分析了狭缝作为重要器件,其加工误差导致的光通量差异对干涉图像造成的影响,阐述了沿狭缝方向使用一维数组作为校正系数对原始干涉图进行处理的思路,并讨论了校正系数的获取方法.针对处理后存在残余条带的情况,推测了可能的原因,并尝试了从均匀景物图像提取信息对校正系数进行修正以进一步去除条带,处理结果更为理想,验证了该方法的实用性.

　　1　条带产生的原因

　　图1为某卫星搭载的推扫式高光谱成像仪采集的干涉数据经过光谱复原后的图像,其中水平方向为狭缝方向,垂直方向为轨道方向即推扫方向,大量的条带沿推扫方向分布.

　　本文认为,采用狭缝结构的推扫型干涉光谱仪,入射狭缝宽度的不均匀性是导致图像出现条带的主要原因.图2所示为当前应用较多的基于Sagnac棱镜横向剪切的推扫型干涉成像光谱仪的结构,以狭缝为界,系统分为前置光学系统和干涉光学系统两个部分[5-6].

　　若光源的光谱强度分布为B(v),则仪器像面上的干涉光强分布为[7]

　　对于后续的干涉光学系统,狭缝等效为一个线状光源,经过分光器件的剪切与再成像之后,与成像器件构成共轭像,干涉图上每一行干涉维方向的像元接受到的光通量为[8]

　　式中E′为狭缝处轴外点的照度,E′0为狭缝处轴上的的照度,dS′为狭缝宽度.

　　限于加工准确度,实际的狭缝边缘存在误差,狭缝的宽度在沿狭缝方向上并非处处均匀[4],如图3.

　　狭缝宽度不一致导致像面对应处的干涉条纹光强叠加了一种固定分布的非均匀性分布(初始的非均匀性为目标沿狭缝方向的亮暗分布).经过光谱复原后,干涉图像相对固定的亮度非均匀性表现为光谱立方体图像上垂直于狭缝方向出现的条带状的亮度非均匀性,狭缝宽度较大处对应为亮条纹、狭缝宽度较窄处对应为暗条纹.