第６期光谱学与光谱分析１７１３
夏＝赤萎善ｓ（弘），ｋ＝１，２＇２…，Ｋ（１）ＣＣＤ阵列的非均匀性是由阵列中各探测单元响应曲线的不一致引起的，其非均匀性校止就是将阵列中各探测单元的响应曲线做归一化，如图ｌ所示，实线为ＣＣＤ阵列中第（ｉ，＿『）个探测器单元的响应曲线，虚线为阵列所有探测器单元的平均响应曲线，将其作为归一化曲线，其过程即是将Ｓ（馈）映射为Ｓｋ，志＝１，２，…，Ｋ，亦即要求解如下函数关系，
Ｓ７ｄ（妒）＝尢ｓ，ｊ（妒）］（２）＆＝尢Ｓｏ（强）］，ｋ＝１，ｚ，…，Ｋ（３）
Ｒ目ｐｍｎｌｍＯｆｔｈｅ（Ｊ．力ｕｎｉｔ
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Ｒａｄｉａｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ／Ｗ．ｍ一２
Ｆ．唔１０ＣＤｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
函数关系厂的求解可利用函数插值或函数拟合来实现，考虑到Ｔ程应用．算法庇要绝对收敛Ｈ计算鼍要小。由于ＣＣＤ器件各探测单元响应特性的线性度一般较高，最有效的校正算法就是两点校正算法
Ｓ’。（妒）＝Ｕｋ（ｉ，ｊ）Ｓ（ｐ＋Ⅵ（ｉ，歹）（４）其中
Ｕ；（ｉ，Ｊ）＝［瓢Ｉ一＆］／ＥＳ，ｊ（阶Ｉ）一Ｓｏ（伫）］（５）
Ⅵ（ｉ，ｊ）＝［Ｓ（舛，）＆一ＳｌＪ（体）瓢，］／
［Ｓ（钟１）一岛（体）］（６）为非均匀性校正系数矩阵。特别地，当Ｓ（９）≤Ｓｏ（卿）时，取
Ｓ，口（９）一Ｕ（ｉ，歹）ｓ，ｊ（９）＋Ⅵ（ｆ，．ｆ）（７）当Ｓ（ｐ＞Ｓｏ（舛）时，取
ｇ口（驴）＝ＵＫ—ｌ（ｉ，Ｊ）Ｓ（９）＋Ｖｋ一１（ｉ，Ｊ）（８）该算法计算量小，适用于探测器单元响应特性为线性或非线性的场合。
成像系统辐射定标及非均匀性校正在系统组装完成后进行，它不仅町以校正ＣＣＤ器件本身的非均匀性，也町以校正其他诸如入射到探测器表面光源分布不均匀等原因引起的非均匀性。
２干涉成像光谱仪ＣＣＤ非均匀性校正方法
为解决工程应用，在干涉成像光谱仪系统组装之前，单独对ＣＣＤ进行定标，之后利用定标数据，在系统数据处理部分完成对十涉图的校正处理。为减小电路等随机噪声的影响，在某一亮度级均匀辐射下的定标图像采用多帧平均的方法获得，并采集ｒｌＩ幅不同亮度级的定标图像和Ｉ幅暗电流图像，图像大小为５１２×２５６，结果如图２所示。图２（ａ）为其中的一幅定标图像，图２（ｂ）为暗电流图像，图２（ｃ）为图２（ａ）去暗电流图像，图２（ｄ）为图２（ｃ）第２４５行图像。由图２（ｄ）可以看出。由于受定标点光源球面波及ｃＣＤ器件遮光罩等的影响，图２（ｃ）所示的系列定标图像中，不仅包含有探测器本身的非均匀性，而且包含了入射到探测器上的光源分布的不均匀性。其非均匀性平均为３．６％，因而在求解ｆ涉图校正系数Ｕ和Ｖ时应首先从定标图像中去掉光分布不均的影响。
晦２ＣＣＤｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｉａｌＵｎａｇＵ，ｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ
（ａ）：Ｓｃａｌｉｎｇｉｍａｇｅ；（ｂ）：Ｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔｉｍａｇｅ（ｃ）：Ｒｅｍｏｖｅｄｄａｒｋ－ｃｕｒｒｅｎｔｉｍａｇｅ，（ｄ）：Ｏｎｅｌｉｎｅｏｆｉｍａｇｅ（ｃ）ｆ（ｅ）：Ｓｃａｌｉｎｇｉｍａｇｅｏｆｄｅｔｅｃｔｏｒ；（ｆ）：Ｏｎｅｌｉｎｅｏｆｉｍａｇｅ（ｅ）ｆ（ｇ）：Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅ；（ｈ）ｌＯｎｅｌｉｎｅｏｆｉｍａｇｅ（ｇ）
利用曲线拟合的方法得到图２（ｃ）定标图像每一行曲线的基线即为每一行的光分布不均匀性，将图２（ｃ）定标图像减去其每一行曲线的基线后再加ｆ：其均值即可得到只有ＣＣＤ探测器本身不均匀性的定标图像图２（ｅ）。其非均匀性平均为０．５４％，图２（Ｄ为图２（ｅ）第２４５行图像。由于本工程中ＣＣＤ器件响应曲线的线性度很好，因而可以在图２（ｅ）所示的系列图像中选取两幅合适的图像作为定标｝冬Ｉ像，利用上面所介绍的成像系统ＣＣＤ非均匀性校正两点定标算法求得对干涉图进行校正的校正系数Ｕ和ｙ。若原Ｉ冬ｌ像表示为Ｓ，校正后图像表示为Ｓ’，则有
胃蚶≮
跗
备霉口
１７１４
光谱学与光谱分析
第３０卷
Ｓ，＝Ｕ．＊Ｓ＋Ｖ
（９）
符号．＊表示矩阵对应元素相乘而非矩阵乘。
图２（ｇ）为图２（ｅ）经式（７）校正后的图像，其非均匀性平均为０．０７％，图２（ｈ）为其第２４５行图像。可以看出，ＣＣＤ器件本身的非均匀性，经校正后下降了０．５４／０．０７＝７．７倍。
表１给出了探测器非均匀性大小对干涉图校正及光谱复原精度的影响关系。表中第１行Ｄ表爪探测器平均非均匀性大小，第２行Ｊ表示校正干涉网与原干涉图之间平均相对误差，第３行ｓ表示校正光谱与原光谱之间的平均相对误差。可以看出，探测器非均匀性大小对复原光谱的精度具有较大的影响，当探测器非均匀性超过５％时，复原光谱将产生近２０％的误差，因而Ｔ程中应根据实际情况决定是否对干涉图进行修正：如对町见光ＣＣＤ，由于其非均匀性较小。对复原光谱的影响也较小，可以不修；而对红外成像光谱仪，由于红外ＣＣＤ的非均匀性比较大，对干涉图的修正是必须的。
Ｔａｂｌｅ１
Ｉｍｐａｃｔｏｆ０ＣＤｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ∞ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｓｐｅｃｔｒｕｍ
３干涉成像光谱仪ＣＣＤ非均匀性校正改进
方案
上面，在干涉成像光谱仪系统组装之前单独对ＣＣＤ进行定标，提ｌｊｉ『获得定标数据，最后在数据处理部分完成对干涉图的非均匀校正处理。该方案由于对ＣＣＤ的定标没有光学系统的支持。或多或少不可避免地会引入光分布的不均匀性，给后续数据处理带来不少麻烦。同时，随着后续光谱仪系统组装完成及所处工作环境的变化，一旦ＣＣＤ工作状态发生漂移，利用之前获得的定标数据，对干涉图进行校正将会产生偏差。如果能在整个光谱仪系统组装完成之后，再对其进行定标及非均匀性校ｊＦ处理，一方面省时省力，节省资金，另一方面不仪可以校ＩＥＣＣＤ本身的非均匀性，而且可校正光谱仪系统其他原因引起的非均匀性，能更有效地提高整个光谱仪系统非均匀性的校正精度，且随着将来光谱仪工作
环境的变化还可以随时再定标。
图３所示为迈克尔逊干涉仪摹本原理，假设入射光束为一振幅为口、波数为ｖ的理想准怠单色光束，分束板ＢＳ的振幅反射率为，．、透射率为ｔ，则成像平面ｔ信号振幅为
Ａｆ＝ｒｔａ（１＋ｆｉ２一）
（１０）
信号强度为
Ｉ（ｘ，ｖ）＝２ｆ盯Ｂｏ（ｖ）＋２脚ｏ（ｖ）ｃｏｓ（２ｘｒｖ）
（１１）
（１１）式中，Ｒ＝ｒ２，Ｔ＝产是分柬板的反射率和透射率，Ｂｏ（ｖ）一口ｎ’是入射光束强度，ｚ是来自阅定镜和动镜反射光束问的光程差。像面上信号由直流分量和交流分量组成，交流分量反映ｒ输入光谱的特征。
Ｍｏｖｉｎｇ
ｍｉｒｒｏｒ
船气≯三Ｈ№３
Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
从（１１）式可以看出，如果干涉仪动镜不动，则干涉仪固定镜和动镜反射光束『日】的光程差Ｘ不变，此时，干涉仪系统就相当于一个成像系统，只是相面卜信号强度较一般成像系统略有不同而已。基于此理，我们可以在整个光谱仪系统组装完成之后再对其进行非均匀性定标及校正处理，方法如下：
（１）调整电路，让干涉仪动镜固定某处（如ｚ＝０处）不动。
（２）用均匀辐射光源作为定标光源。
（３）采集至少两幅不阳均匀辐照下的系统输出图像为定标图像。
（４）让干涉仪正常工作，利用采集的定标图像对系统输出的ｆ涉图进行非均匀性校正处理。
根据实际丁程中ＣＣＤ响应特性线姓度较高的特点，利用线性函数模拟出定标图像数据对该ｆ涉成像光谱仪非均匀性校正方法进行ｒ计算机仿真实验，结果如图４所示。图４（ａ）为丁程中实际获取的原干涉图像，图４（ｂ）为图４（ａ）加入了非均匀性后的干涉图像，其非均匀性为１３．２％，图４（ｃ）为根据前述两点校正算法利用模拟的定标图像数据对图４（ｂ）进行非均匀性校正处理后的ｆ涉图像，其非均匀性为１．６７％，由结果可以看出校正方法的有效性。
（ａ）
（ｂ）
（ｃ）
Ｆ酶４
ｓｐｌｅｃｔｒＩ腑ｎｏ．ｍｆｏｒＩｌｌｉｔｙ
ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ
（ａ）：ｌｎｉｔｉａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ；（ｂ）：Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｗｉｔｈｎｏｎｕｍｆｏｒｍｉｔｙ（１３．２％）；（ｃ）ｌ
Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｉｎｅｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ（１．６７％）
第６期光谱学与光谱分析
１７１５
４结论
由于ＣＣＤ探测器非均匀性大小，对干涉成像光谱仪复原光谱精度具有较大的影响，因而在进行光谱复原之前。工程中应根据探测器的实际情况决定是否对十涉图进行非均匀性校正处理。
干涉成像光谱仪与一般成像系统结构的不同，其非均匀性校正一般要在整个系统组装之前，单独对ＣＣＤ进行定标并获得定标数据，之后再利用定标数据在其数据处理系统中完成对干涉图的校ｊＦ处理。本文给出的干涉成像光谱仪ＣＣＤ非均匀性校正方法，能有效解决这一工程技术难题。这种方
法由于提前定标的要求，定标数据后期无法变动。随着后续
光谱仪系统组装完成及所处工作环境的变化，如果ＣＣＤ工作状态发生漂移，利用事先获得的定标数据，对干涉图进行校正将会产生偏差。
本文提出的在整个干涉成像光谱仪系统组装完成之后，再对其进行定标及非均匀性校正处理的改进方案，不仅可以校正ＣＣＤ本身的非均匀性，而且可以校正光谱仪系统其他原因引起的非均匀性，省时省力省资金，能更有效地提高整个光谱仪系统非均性的校正精度，且随着将来光谱仪工作环境的变化还可以随时再定标，方法切实町行，为干涉成像光谱仪的ＣＣＤ非均匀性校正开辟了一个新的技术途径。
参
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干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正技术
作者：姚涛， 殷世民， 相里斌， 吕群波， YAO Tao， YIN Shi-min， XIANGLI Bin， L(U) Qun-bo
作者单位：姚涛,YAO Tao(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西,西安,710068;中国科学院研究生院,北京,100049)， 殷世民,YIN Shi-min(中国人民解放军夺军试验训练基地一区,甘肃,酒
泉,735018)， 相里斌,XIANGLI Bin(中国科学院光电研究院,北京,100190)， 吕群波,L(U)
Qun-bo(中国科学院研究生院,北京,100049)
刊名：
光谱学与光谱分析
英文刊名：SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS
年，卷(期)：2010,30(6)
被引用次数：1次
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/c210953198.html,/Periodical_gpxygpfx201006058.aspx