[发明专利]一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理方法

说明书

说明书附图1是一种推扫式水下成像光谱仪的信号处理的装置结构图，利用推扫式水下成像光谱仪测量被测物体光谱的过程中，接收到的光谱信号受两个因素的影响最大，第一是海水对测量带来较大的影响，因为光在海水中传播时不同的波长的光衰减程度不同造成光谱信号产生畸变，第二是光源光谱的平坦特性对于光谱信号影响较大，为解决这两个问题本专利提出了一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理方法，主要利用被测物体在水中的反射的光信息与光学平面漫反射镜在水中的反射信息相除的方法消除了海水、光源光谱特性造成的影响。

技术领域

本发明属于光谱技术领域，涉及推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理方法。

背景技术

水下成像光谱技术将有力地提升全球海洋海底资源和生态环境的调查能力和水平，够掌握全球范围内深海矿产、能源和生物等资源的形成特点、分布情况和开发潜力等统计信息。水下成像光谱技术中辐射定标是非常重要的技术，由于不同波长的光在海水中衰减程度不相同，又受照射光源的光谱特性的影响，必须进行辐射定标才能准确的采集被测物体的光谱特性。这方面在国内已经申请了相关专利，申请号 202111310606 .1 “水下光谱成像仪实验室绝对辐射定标装置及其定标方法”中给出了辐射定标方法，这种方法采用了实验室用标准光源，这种辐射定标方法只能消除海水介质对于光谱检测的误差，不能消除实际应用的光源本身对于光谱检测带来的的误差，本专利提出了一种既能方便地消除海水引起的检测误差同时又能消除光源光谱引起的检测误差的信号处理方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术问题，提出了一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理方法，为解决上述技术问题，采取以下技术方案：

一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理方法包括水箱、海水、导轨、载物平台、成像光谱仪本体、丝杠、电机、控制导线、控制器、光源、光柱、水箱底面、光学平面漫反射镜、被测物体。在水箱装满海水，成像光谱仪本体的头部和光源的头部侵入海水中，在水箱上面装有导轨，导轨上面有载物平台，载物平台上固定有成像光谱仪本体和光源，控制器通过控制导线控制电机转动，电机带动丝杠转动，丝杠连接载物平台在导轨方向上可以移动。光源采用卤素灯，光源产生的光柱照射在水箱地面为条状，水箱底面采用黑色吸光材料，水箱地面上固定光学平面漫反射镜，在水箱地面另一处固定被测物体。控制器控制成像光谱仪本体在导轨方向上匀速运动，分别采集光学平面漫反射镜反射的光源的光谱信息和光源照射到被测物体反射的光谱信息，光学平面漫反射镜反射的光源的光谱信息和光源照射到被测物体反射的光谱信息是以某一波段间隔形成系列波长的光谱图象，对于同一个波长的光学平面漫反射镜反射的光谱图象信号强度和光源照射到被测物体反射的光谱图象信号强度相除得到被测物体的光谱反射率，这个光谱反射率与光源光谱特性无关，只与被测物体的吸收光谱特性有关，实现了光谱信号的归一化。

采取上述技术方案后所取得的技术效果：

一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理装置及方法可以消除成像光谱仪光源发出的光柱的光谱在海水衰减造成的被测物体的光谱的误差，可以消除成像光谱仪光源本身光谱的不平坦造成的被测物体的光谱的误差。

附图说明

图1是一种推扫式水下成像光谱仪的信号处理的装置结构图。

图1中：1水箱、2、海水、3导轨、4载物平台、5成像光谱仪本体、6丝杠、7电机、8控制导线、9控制器、10光源、11光柱、12水箱底面、13光学漫反射镜、14被测物体。

图2是 一种推扫式水下成像光谱仪信号处理装置的棱镜分光原理示意图

图2中：51反射镜、52狭缝、 53棱镜、54CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

一种推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理装置及方法包括水箱1、海水2、导轨3、载物平台4、成像光谱仪本体5、丝杠6、电机7、控制导线8、控制器9、光源10、光柱11、水箱底面12、光学平面漫反射镜13、被测物体14，成像光谱仪本体5的光学窗口与光源10在同一个水平线上，光学平面漫反射镜13是由光学玻璃一面经过磨砂并在磨砂面镀银制成的，在水箱1装满海水2，成像光谱仪本体5的光学窗口和光源10的头部侵入海水2中，成像光谱仪本体5的光学窗口向着水箱底面12，在水箱1上面装有导轨3，导轨上面有载物平台4，载物平台4上固定有成像光谱仪本体5和光源10，控制器9通过控制导线8控制电机7转动，电机7带动丝杠6转动，丝杠6连接载物平台4在导轨3的方向上可以移动。光源10采用卤素灯，光源10产生的光柱11照射在水箱底面12为条状，水箱底面12采用黑色吸光材料，水箱底面12上固定光学平面漫反射镜13，在水箱底面12的另一处固定被测物体14,控制器9控制载物平台4带动成像光谱仪本体5在导轨方向上匀速运动，在成像光谱仪本体5匀速运动过程中成像光谱仪本体5的光学窗口、光源10离光学平面漫反射镜13和被测物体14之间的最小垂直距离相等，此最小垂直距离为M,成像光谱仪本体5匀速运动过程中光学平面漫反射镜13反射光源10的光谱信息，光源10照射到被测物体14反射的光谱信息，这两个光谱信息分别经过反射镜51反射和光学透镜组进到狭缝52和棱镜53，最后到达CCD探测器54，分别形成光学平面漫反射镜13和被测物体14的系列成像光谱图，光学平面漫反射镜13反射光源10的光谱信息在CCD探测器54上可用R_λ1，R_λ2，R_λ3……R_λn表示，R_λ1，R_λ2，R_λ3……R_λn表示光源10照射到光学平面漫反射镜13，由光学平面漫反射镜13反射的光信号经过棱镜53色散，按波长λ₁，λ₂，λ₃……λ_n分布的光强，同理设被测物体14为单一材料，光源10照射到被测物体14反射的光谱信息在CCD探测器54上可用L_λ1, L_λ2, L_λ3……L_λn表示, L_λ1, L_λ2, L_λ3……L_λn分别表示光源10照射到被测物体14，由被测物体14反射的光信号经过棱镜53色散，按波长λ₁，λ₂，λ₃……λ_n分布的光强，由上可以得到不同波长所对应的被测物体14的光谱反射率为ρ_λn=ηL_λn/R_λn，其中η为光学平面漫反射镜13的漫反射率，这样得到的光谱反射率在0到1之间，推扫式水下成像光谱仪实际使用过程中，在光谱仪匀速运动过程中只要被测物体离推扫式水下成像光谱仪的光学窗口的最小垂直距离为M就可以利用ρ_λn=ηL_λn/R_λn计算被测物体的光谱反射率，L_λn为被测物体λn所对应的光强，R_λn为在实验室推扫式水下成像光谱仪的反射光谱信息处理装置中已经测得的λn所对应的参考光强，这样得到的被测物体的光谱反射率跟海水的光衰减特性无关，与光源的光谱平坦性无关，只与被测物体的物质成分相关。