Алгоритм автоматического определения спектральных линий на подверженных аберрациям снимках при калибровке спектрометров изображения по длинам волн

Для построения гиперспектральных систем дистанционного зондирования Земли используются спектрометры изображения, которые формируют изображение щели на матричный приемник таким образом, что одна ее координата является пространственной, а вторая – спектральной. Калибровка по длинам волн спектрометров изображения принципиально не отличается от калибровки обычных спектрометров и может быть выполнена при помощи съемки линейчатых источников излучения с известными спектральными линиями. В идеальном случае полученные спектрометром изображения снимки линейчатых источников излучения представляют собой вертикальные линии, параллельные друг другу и имеющие одинаковую ширину и достаточную яркость по всей высоте. Однако в реальных устройствах из-за несовершенства оптической схемы получаемые изображения могут иметь различные аберрации, например: дисторсию, астигматизм и кривизну поля изображения [1]. Для калибровки по длинам волн можно использовать два подхода. Первый подход заключается в программном устранении всех аберраций на изображении и проведении калибровки для центральной строки матричного приемника. Второй подход заключается в калибровке каждой строки матричного приемника по длинам волн.
В НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ разработана видеоспектральная система «ВСС» [2, 3], предназначенная для дистанционного зондирования Земли с борта авиакосмических носителей. В состав «ВСС» входит три спектрометра изображения, построенные по схеме Роуланда с вогнутой дифракционной решеткой, которые обладают вышеперечисленными видами аберраций. Спектрометры регистрируют излучение в диапазоне 400–950 нм со спектральным разрешением от 4,4 до 5 нм. Для спектрометров «ВСС» был выбран второй подход к калибровке из-за сложности программной коррекции изображения ввиду большого числа различных аберраций.
Разработан алгоритм калибровки спектрометра изображения по данным съемки эталонных источников излучения. В данной работе рассматривается составная часть этого алгоритма, а именно разработанный алгоритм определения одной спектральной линии на изображении. На первом шаге алгоритма задается произвольное число опорных точек, приблизительно соответствующих центрам спектральной линии по всей ее высоте. Их количество зависит от степени кривизны линии (одна, если линия вертикальная). Затем для каждой линейки детектора находятся пики при помощи соответствующего алгоритма их поиска [2]. В каждой линейке, в которой есть пики, находится такой пик, который ближе всех остальных к номеру спектрального канала соответствующей опорной точки. Из найденных координат пиков формируется массив точек, из которого при помощи построения локальной полиномиальной регрессии строится кривая, аппроксимирующая спектральную линию. Затем происходит интерполяция значений полученной аппроксимации для каждого пространственного канала матричного приемника. Разработанный алгоритм позволяет аппроксимировать зашумленные, подверженные разным искажениям изображения спектральных линий гладкими кривыми, на основе которых далее проводится калибровка спектрометра изображения.
Для апробации алгоритма калибровки использовались две самые яркие линии ртутной лампы 435,83 и 546,07 нм, линии лазерных диодов с центрами на 406,80 нм, 446,37 нм, 516,41 нм и 637,69 нм, а также их вторые порядки. Коэффициент детерминации квадратичной аппроксимации зависимости длины волны от номера для всех строк трех матриц «ВСС» составил более 0,9999. Стандартная ошибка регрессии составила от 0,6 до 0,9 нм для всех строк рабочего диапазона матриц. Ошибку можно значительно уменьшить, использовав в дальнейших калибровках больше спектральных линий, особенно в ближнем инфракрасном диапазоне, где использовались только зашумленные вторые порядки лазерных линий.
После применения калибровки среднеквадратичное отклонение длин волн для измеряемых спектрометрами изображения спектральных линий в рабочем диапазоне приемных матриц составило всего 0,07÷0,19 нм (для длины волны 637,69 нм), что говорит о корректности работы алгоритма. Поэтому разработанный алгоритм может быть использован для калибровки подверженных различным аберрациям спектрометров изображения по длинам волн.