本发明属于超光谱成像，具体涉及一种应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法。
背景技术：
1、目前用于环境监测领域的成像光谱技术主要分为可以分为两大类：一种是相机方法，一次性获取所有空间维信息，然后通过切换不同滤光装置来补足光谱维信息；另一种是超光谱方法，一次性获取所有光谱维信息，然后通过改变观测视场来获取不同空间维信息。
2、对于监测气体成分这一需求，为了确保目标成分浓度的准确性，需要较高质量的光谱，因此超光谱成像是当前环境监测领域的主流成像方式。超光谱成像又分为两类，一类是线阵“摆扫式”一维成像，另一类是面阵“推扫式”二维成像。二者最主要的区别是二维成像使用二维探测器，能够直接获得一列空间维的信息，因此大大提高了观测的时间分辨率和空间分辨率。
3、在一维二维超光谱成像设备中，由于成像分辨率很低，成像结果呈现“马赛克”状，因此由于色差导致的虚焦问题很难体现。二维超光谱大气痕量组分成像设备的应用中，由于可以直接通过推扫获得高分辨成像结果，因此色差问题比一维成像设备更为突出。
4、色差问题在超光谱成像领域具体表现为由于光学器件对于不同波段的光拥有不同的成像焦距，从而在特定焦距下采集光谱时，会出现各波段成像质量不同的情况，虚焦较为严重的波段受到散射光的混叠效应，会导致光谱质量下降严重，进而影响反演质量。现在虽然有一些消色差镜头可以一定程度上避免这个问题，但这些镜头设计困难、造价昂贵且消色差波段有限，因此希望从算法层面对此种场景进行修正。
5、现在已经有一些研究对多光谱设备的色差进行了算法校正，但由于超光谱设备通道数过多，此类校正方法虽然会对每个光谱通道的成像质量起到改善作用，但光谱维度会发生严重形变，导致反演失败，因此并不适用于超光谱反演。
6、同样地，对于每个通道进行盲去卷积会引起更为严重的光谱形变。因此，如何根据不同痕量气体不同的反演波段选取一个最优调焦方案以及如何在一定程度上对色差进行校正是亟待解决的问题。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，该方法适用于环境监测领域多通道高分辨类型的二维超光谱成像设备，从而提高设备采集的光谱质量，进一步提升反演多组分痕量气体浓度的准确性。
2、为实现上述发明目的，实施例提供的一种应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，包括以下步骤：
3、确定目标观测组分对应的波段范围，并获取二维超光谱成像设备采集的波段范围内不连续的各个波段的各个通道的超光谱图像；
4、使用拉普拉斯算子对超光谱图像进行卷积计算，并对卷积后图像矩阵求出标准差作为各通道的清晰度，按照波段的重叠情况并依据各通道的清晰度计算各波段的清晰度，依据各波段的清晰度得到单次观测的总清晰度；
5、不断改变二维超光谱成像设备的焦距直到获取最大总清晰度，并以最大总清晰度对应的焦距为最优焦距；
6、二维超光谱成像设备在最优焦距下进行一次采集并获得超光谱图像清晰度最大对应的通道，依据基准通道将所有采集通道划分为前后两部分，并获得两部分的各自最优焦距；
7、利用两部分的各自最优焦距进行交替调焦采样，得到每个波段在一轮交替调焦采样中每个通道的清晰图像和模糊图像，针对每个通道利用清晰图像对模糊图像进行色差校正。
8、优选地，使用拉普拉斯算子对超光谱图像进行卷积计算，并对卷积后图像矩阵求出标准差作为各通道的清晰度，包括：
9、拉普拉斯算子在离散领域被定义为：
10、
11、其中，f(x,y)表示为超光谱图像中位置(x,y)处的光强信息；
12、利用拉普拉斯算子对于各个波段的各个通道的超光谱图像进行近似二阶微分运算，并使用运算后图像矩阵的标准差来衡量各个通道的清晰度：
13、
14、其中，m×n表示超光谱图像尺寸，μ表示拉普拉斯运算后图像矩阵的平均值，表示fij的平方，fij表示第i个不连续波段的第j个通道的清晰度。
15、优选地，按照波段的重叠情况并依据各通道的清晰度计算各波段的清晰度，包括：
16、对于反演组分波段不重叠的不连续波段，这些波段的清晰度为：
17、
18、其中，fi为第i个不连续波段的清晰度，mi表示第i个不连续波段含有的通道数，fij表示第i个不连续波段的第j个通道的清晰度；
19、对于反演组分波段有重叠的不连续波段，这些波段的清晰度为：
20、
21、其中，l表示不连续波段的不同的重叠方式，xl是第l种重叠方式的重叠数量，xl≥1，表示第i个不连续波段中第l种重叠方式的通道的清晰度之和。
22、优选地，依据各波段的清晰度得到单次观测的总清晰度，包括：
23、
24、其中，fi为第i个不连续波段的清晰度，n为不连续波段总量，f为单次观测的总清晰度。
25、优选地，二维超光谱成像设备在最优焦距下进行一次采集并获得超光谱图像清晰度最大对应的通道作为基准通道，包括：
26、二维超光谱成像设备在最优焦距下进行一次采集，获得的基准通道为靠近中心通道且超光谱图像清晰度最大的通道。
27、优选地，获得各部分的各自最优焦距，包括：
28、使用拉普拉斯算子对各部分的所有通道对应的超光谱图像进行卷积计算，并对卷积后图像矩阵求出标准差作为各通道的清晰度，按照波段的重叠情况并依据各部分的所有通道的清晰度计算各波段的清晰度，依据各部分包含的各波段的清晰度得到各部分的总清晰度；
29、不断改变二维超光谱成像设备的焦距直到获取各部分的最大总清晰度，并以各部分的最大总清晰度对应的焦距为各部分的最优焦距。
30、优选地，利用两部分的各自最优焦距进行交替调焦采样，得到每个波段在一轮交替调焦采样中每个通道的清晰图像和模糊图像，包括：
31、利用前部分的最优焦距进行调焦采样，前部分各通道采样得到的图像为清晰图像，后部分各通道采样得到的图像为模糊图像；
32、利用后部分的最优焦距进行调焦采样，前部分各通道采样得到的图像为模拟图像，后部分各通道采样得到的图像为清晰图像；
33、针对每个波段，在前部分的最优焦距和后部分的最优焦距进行一轮交替调焦采样中，得到每个通道的清晰图像和模糊图像。
34、优选地，针对每个通道利用清晰图像对模糊图像进行色差校正，包括：
35、根据每个通道的清晰图像的光强计算权重矩阵wj：
36、
37、其中，ax,y,j表示第j个通道的清晰图像中位置(x,y)处的光强信息，ax,s,j表示第j个通道的清晰图像中位置(x,s)处的光强信息，m×n表示清洗图像的尺寸，wx,y,j表示权重矩阵wj中位置(x,y)处的权重值；
38、依据权重矩阵wj对模糊图像进行色差校正，得到矫正后图像sj：
39、
40、其中，sx,y,j表示矫正后图像sj中位置(x,y)处的光强信息，cx,s,j表示第j个通道的模糊图像中位置(x,s)处的光强信息，符号·表示点乘。
41、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
42、通过选择合适的拉普拉斯算子对超光谱图像进行卷积计算，并以对卷积后图像矩阵求出标准差作为各通道的清晰度，依此来计算各波段的总清晰度来确定最优焦距，这样得到的最优焦距得到的各通道的清晰度可以满足反演要求，在此基础上依据最优焦距将采集通道划分为前后两部分，利用各部分的各自最优焦距进行交替调焦采样，得到每个波段在一轮交替调焦采样中每个通道的清晰图像和模糊图像，针对每个通道利用清晰图像对模糊图像进行色差校正，这样对于仅使用一个最优焦距进行采集时的情况能够带来反演质量上的提升，对于反演波段覆盖整个仪器的扫描波段时，反演质量提升约为18％。
1.一种应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，使用拉普拉斯算子对超光谱图像进行卷积计算，并对卷积后图像矩阵求出标准差作为各通道的清晰度，包括：
3.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，按照波段的重叠情况并依据各通道的清晰度计算各波段的清晰度，包括：
4.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，依据各波段的清晰度得到单次观测的总清晰度，包括：
5.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，二维超光谱成像设备在最优焦距下进行一次采集并获得超光谱图像清晰度最大对应的通道作为基准通道，包括：
6.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，获得各部分的各自最优焦距，包括：
7.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，利用两部分的各自最优焦距进行交替调焦采样，得到每个波段在一轮交替调焦采样中每个通道的清晰图像和模糊图像，包括：
8.根据权利要求1所述的应用于二维超光谱成像设备的最优化调焦及交替色差校正方法，其特征在于，针对每个通道利用清晰图像对模糊图像进行色差校正，包括：
