Калибровка гиперспектрометра

Для каждой гиперспектральной камеры получаемые оптические характеристики могут незначительно отличаться. Для определения этих характеристик и достижения единообразного соответствия каналов длинам волн должна проводиться калибровка. Это позволяет сравнивать различные гиперспектральные изображения полученные с разных камер в разное время и при различающихся условиях. Таким образом, возможно получать правильные расчеты вегетационных индексных изображений, осуществлять поиск объектов и др.

В гиперспектральной камере дисперсионный элемент, как и в любом другом спектральном устройстве на основе решетки, положение спектральных линий подчиняется условию главных максимумов dsinφ= +/-mλ, (m=0, 1, 2,…), где d – период решетки, m – порядок дифракционного максимума. В гиперспектральной камере наиболее эффективными являются нулевой и +/-1 порядки. Поскольку оптическая система является постоянной, то и положение нулевого и +/-1 порядка на изображении на матрице (оптическом сенсоре), относительно друг друга является тоже постоянным. В случае если на входе возникает не монохроматическое излучение (солнечный свет, свет галогенной лампы) принцип сохраняется, но различные длины волн будут отклоняются на разные углы согласно условию главных максимумов. Длинные волны отклоняются сильнее, короткие волны, слабее. В таком случае в нулевом порядке изображение на матрице останется без значительных изменений такое же, как оно было в щели, а в +/-1 порядке возникнет ее спектральное разложение по длинам волн.

Перед настройкой калибровки необходимо определить положение щели на изображении в кадре гиперспетрометра. Для каждой гиперспектральной камеры положение щели в кадре и её разложения является постоянным и сохраняется в настройках гиперспектрометра при первичной настройке после сборки.

Калибровку гиперспектрометра рекомендуется осуществлять с помощью зелёного лазера, с длинной волны = 532нм. Длина волны данного лазера является очень стабильной в широком диапазоне условий.

Для калибровки луч лазера следует направить на лист белой бумаги или картона. Камеру гиперспектрометра для калибровки расположить перпендикулярно листу бумаги, на расстоянии 1,5 - 2 метров, направить камеру на изображение лазерного пятна.

В результате на изображении камеры гиперспектрометра видна дифракция лазерного пятна:

1-й порядок дифрации соответствует длине волны 532нм, 2-й порядок соответствует первому порядку 1064 нм.

В нашем примере калибровки щель находится на высоте (в пикселях, верхняя строка = 0) - 402, 1-й порядок дифракции (середина пятна) - 291, 2-й порядок дифрации - 181.

Минимальная ширина канала гиперспектрометра между 0 и 1 порядком дифракции лазера составляет: (532-0)/(402-291) = 4,7928 нм/пиксель

Минимальная ширина канала гиперспектрометра между 1 и 2 порядком дифракции лазера составляет: (1064-532)/(291-181) = 4,8364 нм/пиксель

Данная разница вызвана небольшим отклонением функции синуса от линейности при более высоких угловых отклонениях лучей в оптической системе.

Для сборки гиперкуба нам нужно вычислить в пикселях верхнюю и нижнюю границу захвата гиперспектрального изображения (верхняя граница - 400нм, нижняя - 1100 нм):

Ближнему ИК 400 нм соответствует линия: 291 + (532-400)/4,7928 = 318,5414 пикселей

Границе УФ 1100 нм соответствует линия: 181 + (1064 - 1100)/4,8364 = 173,5564 пикселей

Для корректного вычисления границ захвата гиперспектрального изображения эти линии необходимо сдвинуть к нижней и верхней границе крайних каналов, т.к. вычисленные линии соответствуют середине каналов в 400нм и 1100 нм.

Количество пикселей на канал вычисляется как разница между границами 400 и 1100 нм, разделённая на число каналов. Например, для 40 каналов: (318,5413 - 173,5564) / 40 = 3,6246 пикселей на канал.

Таким образом, границы захвата определяются (с округлением до целого):

first line = 173,5564 - 3,6246/2 = 172

last line = 318.5414 + 3,6246/2 = 320

Вычисленные границы нужно указать в форме настроек параметров съёмки гиперспектрометра: