全景畸变正切改正的高光谱影像视场拼接方法

静止轨道全谱段高光谱成像仪需采用通道分离、视场和机械拼接的方式,并通过扫描镜摆扫获得宽视场、高空间分辨率的高光谱影像,若直接拼接,子视场间不一致的几何变形将使地物光谱信息失真。假设子视场间同名像点坐标的差异是由各子视场内部参数变化引起的,提出以全景畸变正切改正公式为数学模型的区域网平差方法,实现像方坐标系内的视场拼接。并在可见光近红外通道4个子视场仿真影像的基础上完成了视场拼接实验,达到了0.72 pixel的拼接精度。与基于共线条件方程区域网平差的视场拼接方法相比,该方法精度与其相当,且算法更简单,不需要控制点和DEM辅助,适用于初级影像生产。     

基于SOPC的视场拼接系统设计与实现

宽视场图像在视频压缩、虚拟现实和传输等领域有着广泛的应用。虽然利用广角镜头也可得到宽视场图像,但广角镜头的边缘会产生难以避免的扭曲变形。为了在普通成像系统的基础上获得宽视场图像,产生了图像拼接技术。分析了双路视场拼接系统的光学及机械原理,讨论了基于相位相关的视场拼接算法优劣,提出了建立基于SOPC的双视场拼接思想,介绍了双视场拼接系统的设计与实现。     

基于摆停模式的航空大视场面阵热成像技术

针对目前基于单元探测器和线列探测器的红外成像仪不能较好兼顾大视场、高空间分辨率、高温度灵敏度的问题,研制了一套基于非制冷型面阵红外探测器的大视场热红外成像仪,实现了75°大视场、0.4 mrad空间分辨率和50 m K(NEΔT)温度灵敏度指标.建立了面阵摆扫图像畸变校正模型,较好地解决了面阵摆扫图像定位精度低和图像拼接裂缝问题.研究成果对大视场面阵摆扫红外成像技术的发展具有重要的参考价值.     

多模块相机视场合成配准的测试技术

随着对宽视场的需求和视场拼接技术的发展,多相机视场拼接系统在空间和工业上均有相关应用.为了满足对相机的高精度要求和图像实时获取需求,对多相机视场拼接系统进行了视场配准测试,并结合简单的图像拼接,检验配准后系统的成像性能.实验表明,多相机视场拼接配准测试能保证图像像质,并能优化图像拼接过程,适用于实时系统.     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

机载推帚式高光谱成像仪实现宽视场的技术途径

随着焦平面探测器和分光技术水平的提高，世界上正在运行的高光谱成像仪已可以达到几十至几百个波段，并且有相当高的信噪比和动态范围，具备进入市场化运作的技术基础。但是由于仪器视场角较小所引起的遥感作业效率低等因素却限制了高光谱成像仪的应用范围。本文介绍世界上高光谱成像仪的发展现状和如何扩大系统总视场的几种方案。最后结合目前现有技术基础进行宽视场技术研究进行了初步讨论。     

单镜头大视场拼接系统成像分析与控制设计

为了满足远距离目标捕获的需求,提出了一种单镜头大视场拼接成像方法,设计了实验样机对其进行验证,对样机的成像特性进行了分析。介绍了样机的结构设计和相机曝光控制流程,然后根据该成像方法通过控制相机连续圆锥旋转实现大视场成像的特点,分析了样机成像的像移特性及样机结构运动精度对子图像正确拼接的影响,最后设计了在样机运转过程中使相机准确对子视场曝光的控制参数。实验中将样机参数代入分析结果进行了计算,得出了成像的像移大小,并对由相机运动误差导致的子图像拼接偏差进行了校核。计算得出了相机的曝光控制参数,最终获得了拼接正确的大视场图像。通过对实验样机的成像特点进行分析,为该单镜头大视场拼接方法在激光对抗系统中的工程应用奠定了基础。     

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

非全视场条件下目标红外发射率的测试和计算

非全视场条件下测试物体辐射特性时,背景干扰是影响其准确性的最关键因素。根据普朗克辐射定律,通过方法研究和公式推导消除背景干扰,建立了非全视场条件下目标辐射特性的测试和计算方法。在此基础上,采用SR-5000N 光谱辐射计,在全视场和非全视场两种模式下开展铝板和碳纳米管(MWCNTs)复合涂层的红外光谱发射率测试实验,进一步验证该测试计算方法的有效性。结果表明,在非全视场条件下,尤其在测定高发射率目标时,该方法得到的样品红外发射率与全视场条件下的测试结果数据较为一致,可基本反映样品的真实光谱特性,有效解决了视场大小对目标辐射特性测试的局限,拓展其应用领域。     

热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响,红外焦平面阵列不可避免地存在盲元,严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像,空间维只剩一维,与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标,有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发,以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据,在数据规则化处理的基础上,自动提取有效像元目标的伪光谱曲线,采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验,结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息,检测精度较高,盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。     

基于列相关的热红外高光谱遥感图像非均匀性校正

由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素,推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀,条带噪声严重,影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因,以相邻地物的相关性为理论基础,提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是,首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正,得到标准矩匹配校正图像;然后,以标准矩匹配校正图像为基础,选择相邻两列像元中相同的地物像元;最后,用两列中相同的地物像元,通过线性回归得到后一列的校正系数,并对其进行校正,顺次遍历一个波段的所有列,完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程,遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段,完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明,相比矩匹配方法,在保证非均匀性校正效果的情况下,本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。     

星载遥感短波红外高速高光谱成像仪坏像元识别

为改善干涉成像短波红外高速高光谱成像仪的坏像元对复原光谱的影响,利用高光谱成像仪测试流程建立了坏像元识别模板,以提高坏像元识别效率。首先,按照高光谱成像仪测试流程设置增益模板和帧频模板并采集图像数据,依据正常像元增益响应设定合理判定阈值Th₁,识别不同增益下异常像元并记录对应坐标值;再依据正常像元帧频响应灰度值设定合理判定阈值Th₂,识别不同帧频下异常像元并记录坐标值。最后,对比增益模板和帧频模板判定的异常像元,融合确定坏像元。实验结果表明基于增益模板和帧频模板的识别方法在不增加设备研制测试成本的同时有效识别出短波红外高光谱成像仪探测器的坏像元,为可靠识别短波红外高光谱成像仪坏像元提供了一种低成本、高效可靠的新方法,提高了干涉成像高光谱成像仪光谱反演准确性。     

航天高光谱遥感应用研究进展(特邀)

近年来随着高光谱成像技术的快速发展,航天高光谱遥感数据在各领域应用研究中取得了良好的发展与突破。文中回顾了国内外航天高光谱成像技术的发展历程,介绍了有代表性的航天高光谱成像仪的主要应用技术指标,较为系统地总结和分析了近五年来航天高光谱遥感数据在国土资源、农林遥感、海洋湖泊遥感、城市环境、灾害监测及其他方面等各领域的最新应用研究进展。对基于AI技术的高光谱信息提取与应用、基于高光谱遥感的多源数据融合与应用以及面向深空探测领域的高光谱数据分析与应用等发展趋势做了展望,未来航天高光谱成像仪技术的进一步突破和应用研究需求的牵引将会推动高光谱应用领域更大范围的创新与发展。     

短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究

文章指出背景辐射对短波红外高光谱成像仪辐射精度、信噪比是有影响的.给出了色散型短波红外光谱仪的背景辐射定量计算模型,分析了温度及温度变化与辐射精度的关系,并通过实验数据进行了验证.在背景辐射特征分析的基础上,分析总结了小相对孔径冷屏、高精度温控、冷光学、经常性标定等几种减小背景辐射影响的措施.本文的研究工作对于提高高光...     

基于天宫一号高光谱成像仪的替代光谱定标方法精度对比分析

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结果表明:基于三景图像的非同步替代光谱定标结果相近,差异小于0.2 nm,标准差小于0.11;同步和非同步两种替代光谱定标结果差异小于0.3 nm;以星上定标结果为基准,两种替代光谱定标方法的误差分别为0.384 nm和0.489 nm,二者差异较小.可见,可采用非同步替代光谱定标方法对高光谱成像仪进行高频次的光谱定标.     

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合十二五期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。     

一种基于吸收峰特征的高光谱曲线匹配方法

为了解决在应用传统高光谱地物识别方法时,由于吸收峰个数不同,造成的光谱匹配误差较大的问题,采用了一种基于高光谱吸收峰特征的选择方法,根据选择后的吸收峰特征进行光谱曲线匹配。该算法首先对高光谱曲线进行包络线消除并提取光谱特征参量矩阵,然后根据标准特征参量矩阵与待测特征参量矩阵的每个向量的余弦距离-欧氏距离来逐一寻找吸收峰的匹配向量,之后根据选择的吸收峰特征参量矩阵进行了理论分析和实验验证。结果表明,该算法可以搜寻到最佳的特征参量向量,从而实现吸收峰的选择,用选择后的吸收峰的特征参量矩阵进行高光谱匹配。这一结果对降低匹配的误差是有帮助的。     

基于本征模函数的高光谱数据特征提取方法

针对基于参数估计的特征提取方法高光谱数据维数高参数估计偏差大、细节光谱信息易丢失等问题，引入经验模式分解理论，提出了基于本征模函数的高光谱数据特征提取方法。该方法通过计算光谱特征的最大最小值以及均值得到本征模函数，从而得到反映高光谱数据的不同尺度的光谱波形波动信息，即吸收特征信息，并将高光谱数据投影到本征模函数空间，从而实现高光谱数据中不同物质属性光谱特征提取。利用航空推扫式成像光谱仪数据进行方法性能分析与验证，试验结果表明该方法不需要进行统计参数估计，避免了高光谱数据协方差的奇异性和参数估计不准确的影响，并较好地保留了数据提供的所有信息，增大了数据类间可分性。     

Continuous digital zooming of asymmetric dual camera images using registration and variational image restoration

This paper presents a theoretical basis to realize a high-quality digital zooming using two camera modules with different focal lengths. First, we describe an image degradation model of the asymmetric dual camera system to analyze the characteristic of the wide- and tele-view images. In an asymmetric dual camera system, we assume that the shorter focal length module produces the wide-view image with the low-resolution. On the other hand, the longer focal length module produces the tele-view image by an optical zooming. To reconstruct a wide-view image of a continuous digital zooming, the proposed method first estimates the point spread function (PSF) between the wide- and tele-view images. Next, the proposed method performs variational-based image restoration using the estimated PSF. In addition, since the tele-view image inserted into appropriate region of the wide-view image, the proposed method can provide significantly improved wide-view image.