Reconstruction of Hadamard coded spectral data based on diffraction theory

Abstract

Hardmard Transfer Imaging Spectrometer (HTIS) is a novel computationally optical system. Its characteristic of multi-channel multiplexing increases the luminous flux of the optical system without sacrificing spatial resolution, enabling the system's signal-to-noise ratio(SNR) to be significantly higher than traditional spectrometer’s. Encoding with digital mirror devices(DMD) in the system causes a serious diffraction effect that causes apparent degradation of imaging formation. For improving image quality and spectral accuracy of the reconstructed data cube, the Hadamard coded spectral imaging data degradation model is established based on the scalar diffraction theory. A data reconstruction algorithm is proposed based on Lucy Richard(L-R) algorithm. Through the simulation experiment, the process of image degradation is revealed. On the one hand, it proves that the degradation of system imaging diffraction is the main reason for the distortion of reconstructed data. On the other hand, it verifies the effectiveness of the correction method adopted in this paper. The evaluation result of the spectral angle distance of the restored data cube after LR correction is 0.1296, and the image similarity evaluation factor is better than 0.85. Compared with the reconstructed data before correction, the quality is greatly improved. The experimental results show that the algorithm has a good correction effect on the data cube reconstruction of HTIS.

Calibration method of relative spectral response function of indirect imaging spectrometer

“…卫星遥感物质识别、分类和监测等领域具有重要价值 [1][2][3][4] 。光谱辐射测量精度是 光谱成像仪定量遥感能力的重要标志，通过相对和绝对光谱辐射定标建立仪器 测量数据与目标光谱辐射的对应关系，是光谱成像仪研制过程中的必要环节。 星载光谱成像仪通常采用二维面阵探测器，探测器各像元间响应不一致、 光学系统不同视场角像面照度和不同波长透过效率不一致等会导致不同像元间 光谱响应不一致，进而使不同空间位置的相同目标测得的光谱曲线存在差异， 即"同物异谱"现象，因此需要对成像光谱仪进行相对光谱响应的定标。对于 星载推扫式直接型光谱成像仪，面阵探测器光谱维方向的不同像元对应不同谱 段，空间维一列像元对应相同谱段。其相对光谱响应标定只需标定像面一列像 元在某一波长处的响应差异，通常可采用"单色仪+积分球"单色均匀光源实现 一列像元间光谱响应不一致性的测量 [5][6][7] 。而间接型光谱成像仪像面各像元接收 到的是目标多谱段或全谱段辐射信号的叠加，以干涉光谱成像仪为例，其面阵 探测器各像元对应的是目标全谱段辐射信号的叠加，且各像元信号强度受到相 位的余弦调制，因此其相对光谱响应标定无法简单通过单色仪逐波长扫描的方 法实现 [8,9] 。 国内外学者对干涉光谱成像仪相对光谱响应标定进行了大量的研究工作。 但是，在已有干涉成像光谱仪光谱辐射定标研究中，多基于干涉光谱成像仪未 一体化集成的前提下，分多步对各像元的相对定标系数进行测量，或者仅对面 阵探测器空间维各行(而非整个面阵探测器)进行像元间光谱响应不一致性的 校正。例如，相里斌等在假定探测器各像元间的光谱辐射响应一致的前提下， 利用光谱辐射曲线已知的全色积分球实现了空间调制干涉光谱成像仪(Spatially Modulated Imaging Fourier Transform Spectrometer, SMIFTS)平均光谱响应的测量 3 [10] 。赵葆常等利用"行"平场方法实现了干涉光谱成像仪的平场。利用均匀面 光源作为平场光源，在理想情况下空间方向各像元的干涉强度相同，通过空间 方向各像元间的响应差异即可实现标准光谱输入条件下像元间响应不一致性的 修正 [11] 。崔燕等利用两步相对定标法实现了干涉光谱成像仪各像元点( )相对 定标系数 ( )的测量。先对探测器进行相对辐射定标得到高频相对定标系数 ( )，再对干涉光谱成像仪全系统进行相对辐射定标得到低频相对定标系数 ( )，两系数相乘即为最终相对定标系数 [12] 。以上方法多是基于准单色光源 标定空间维像元间相对光谱响应不一致性，未能实现间接型光谱成像仪全系统 面阵探测器各像元间光谱响应函数的测量，得到的相对光谱定标系数不具有普 适性。随着定量化遥感光谱辐射测量精度要求的不断提高，探索一种能够全面 标定干涉光谱成像仪全系统各像元光谱响应函数的方法，对于提升光谱成像仪 器的定量化测量精度具有重要价值。 基于傅里叶变换光谱定标源的方法在探测器的相对光谱响应定标方面得到 了广泛应用 [13][14][15] [10,16]…”