可见近红外、短波红外超光谱成像仪在轨数据处理技术研究

分析了天基可见近红外、短波红外超光谱成像仪的数据特征,提出了一种用于可见近红外、短波红外超光谱成像仪的在轨数据处理系统.重点介绍了星上定标及非均匀性校正、星上数据压缩等算法.超光谱成像仪在地面定标的基础上进行星上辐射和光谱定标,用基于定标和基于场景两种方法对图像数据做非均匀性校正.星上数据去噪及压缩采用基于小波变换的方法,去噪后的数据用3D-Tarp算法压缩.该系统设计既考虑了算法的有效性,又考虑了恶劣的星上环境对时间、功耗等指标的限制,在尽量少损失信息的情况下,能有效去除噪声,提高信噪比,减少星上存储和下传的数据,提高图像质量.     

基于中阶梯光栅的光谱定标装置设计方法

针对紫外-可见光波段高光谱成像仪光谱定标装置的设计进行研究,论述了中阶梯光栅的光学原理,根据光谱定标原理,利用中阶梯光栅工作角度大、衍射级次高、光谱分辨率高的优点,建立了基于中阶梯光栅的光谱定标装置,提出了基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计方法。以大气探测卫星Aura 上所搭载的臭氧观测仪为例论述了光谱定标装置的设计过程,仿真分析了光谱定标装置带宽对光谱定标精度的影响,给出了衍射级次、光谱分辨率、平行光管焦距等光谱定标装置主要性能参数的设计计算方法,为基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计提供了依据。     

推帚式高光谱成像仪光谱定标及精度控制研究

高光谱成像仪的光谱定标是为了确定仪器各波段中心波长和光谱分辨率,是获取地物光谱信息的必要条件。高光谱成像技术取得较快发展的同时,它的光谱分辨率也越来越高,这必然要求光谱定标的精度更高。文中从单色仪对定标精度影响出发,研究得到光源辐射强度包络对精度的影响可以达到0.12 nm以上,这对于定标精度要求很高的高光谱成像仪来说不可忽略。根据不同波长处包络的影响我们对中心波长精度进行了改善。通过实验得出波段210~228之间的中心波长精度提高了0.2 nm左右,约占总波段数的11%,波段165~209之间的中心波长精度提高了0.12 nm左右,约占总波段的24%。     

场景光谱模拟定标光源的设计技术

为了解决定标光源和遥感仪器观测场景中目标光谱之间的光谱非匹配问题,有效保证遥感仪器的定标精度,目标光谱模拟技术成为当前定标光源技术的重要发展方向。调研了定标领域中,场景目标光谱模拟定标光源技术的发展及应用案例。以数字微镜器件为例,叙述了一种基于空间光调制技术的目标光谱模拟定标光源的设计方法。这种新型的定标光源除了能够实现目标光谱的模拟,还可与标准探测器相结合,提高辐射度量的定标精度,在高光谱成像仪定标方面具有重要的应用前景。     

基于空间光调制器的光谱可调光源定标

基于空间光调制器的光谱可调光源是一种新型的定标光源,旨在实现定标光源与观测场景光谱匹配的定标新模式,进一步提高光谱定标和辐射定标精度。针对空间光调制器非光敏的特点以及这种新型光源特殊的工作模式,采用“激光光源+光谱仪”进行了光谱预定标和光谱精细定标,采用“标准灯-参考板+光谱仪”进行了辐射定标,实现了对该光源系统470~945 nm范围的光谱及辐射定标。不确定度分析结果表明,波长定标的不确定度优于0.2 nm,辐射定标的不确定度优于3.1%（k=1）。     

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度，尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 m处的吸收通道作为参考波段，提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm，中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时，大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时，对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型，用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时，光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后，将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示，热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm，FWHM变化为-18.5 nm。     

多角度偏振成像仪相对光谱响应定标方法

相对光谱响应是检测和评估多角度偏振成像仪性能的基本参数之一。采用基于激光泵浦氙灯光源的单色仪、消偏器、参考探测器和45°分束镜, 搭建了一套多角度偏振成像仪相对光谱响应测量装置。采用分束镜同步测量的方法,降低光源的非稳定性影响;针对测试过程繁琐和测试时间长的问题, 在基于现有不同开发平台开发的单色仪和数据采集系统的基础上,采用ActiveX控件与动态链接库技术,研制了一套相对光谱响应自动测试系统,降低时间 非稳定性影响,提高测量精度和效率。采用多角度偏振成像仪490 nm和865 nm偏振通道作为应用案例,开展了相对光谱响应的整机测试实验。实验结果 表明多角度偏振成像仪中心波长测量极差值与带宽均值的比值精度在0.11%以内,满足响应非一致性优于0.6%的定标要求。     

红外高光谱成像仪的系统测试标定与飞行验证

红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段,由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因,红外谱段的高光谱成像系统并不常见,目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪,它在8.0~12.5μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息,光谱分辨率优于44 nm,光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°,空间分辨率优于1 mrad,噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定,并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验,获取了指定区域的红外高光谱图像,处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率,反演的发射率曲线可以用于地物识别.     

高光谱成像仪交叉定标技术研究及应用

针对高光谱成像仪的在轨定标,提出三种交叉定标技术方案,分析了时相匹配、视场匹配、光谱匹配和几何匹配等交叉定标过程中的关键单元技术,结合HJ-1A/HSI、EO-1/Hyperion等开展了交叉定标算法模型验证。通过这三种技术方案的应用,与场地定标相结合,将有利于提高在轨定标的频次、快速校验场地定标系数,有效提升高光谱数据的定量化应用水平。     

成像光谱仪光谱定标

成像光谱仪是谱像合一的新型光学遥感器.成像光谱仪的光谱定标是辐射定标的基础,准确的光谱定标是获得地物正确光谱信息的必要条件.介绍了成像光谱仪光谱定标的原理和几种光谱定标方法,并对国内成像光谱仪光谱定标技术进行了展望.     

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。     

机载热红外高光谱成像仪的光谱性能测试与初步应用

介绍了机载热红外高光谱成像仪样机的低温光谱仪设计特点,为了检测系统的光谱识别能力,在实验室开展了详细的光谱性能测试。为满足气体探测对超高光谱精度的需求,提出了采用CO₂激光器结合高精度单色仪的方法应用于色散型高光谱成像系统。在实验室对氨气气体进行了准确的红外吸收光谱测试,表明系统可用于气体探测及识别。在此基础上,开展了飞行试验,应用结果表明热红外高光谱可以有效开展城市典型建筑物分类、工业化学气体排放种类和形态监测等应用,特别是后者是目前其它光学遥感手段尚不具备的。以上研究和试验结果表明机载热红外高光谱成像仪已经具备了业务应用能力,后续将在仪器辐射定量化精度的提升方面进一步开展研究工作。     

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。     

基于视场分割方式的宽视场高光谱成像系统的辐射匹配技术

视场分割方案是实现宽视场高光谱成像的可行途径之一,成像系统除了空间上需要配准外,辐射亮度也需要匹配.本文主要分析宽视场高光谱成像仪的视场拼接技术的辐射匹配原理和匹配要素,简要介绍了实现途径,通过该途径,成功地实现了一种机载高光谱成像仪的视场拼接,给出了该宽视场高光谱成像仪的飞行试验结果,试验显示辐射匹配结果良好,通过光谱曲线的对比,精度在系统误差范围内.     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。     

LASIS影像波段配准

针对大孔径静态干涉成像光谱仪(Large Aperture Static Interference Imaging Spectrometer,LASIS)各波段共视场扫描成像的特点,提出了基于在轨几何内检校的虚拟重成像方法进行波段高精度配准.此方法充分考虑姿轨的变化和镜头畸变等导致高光谱波段影像失配的几何因素,在内方位元素检校的基础上,对高光谱影像进行虚拟重成像,实现了对误差源的建模以及波段间相对误差的消除.利用遥感十四号LASIS在不同区域数据进行内检校和虚拟重成像实验,结果表明,进行LASIS数据的处理能够得到优于0.16像素的波段配准精度.     

线阵CCD紫外光谱仪的波长定标研究

波长定标的精度是衡量光谱仪的重要 指标之一。鉴于其重要性,研究了线阵电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)紫外光谱仪的波长定 标,并完整地给出了一种波长定标方法(包括噪声扣除、谱 峰定位和波长拟合三部分)。针对暗噪声影响光谱信号的问 题,提出了一种利用非曝光像元扣除暗噪声的方法;针对谱峰漂移 的问题,提出了一种基于权重窄窗差分的谱峰定位方法;针对单一光 源特征谱线数量不足的问题,提出了一种多波段波长拟合方法。实 验结果表明,本文方法的波长定标精度在0.6 nm之内,关键波长点 上的定标精度在0.01 nm之内,具有定标精度高、复杂度低等优 点,因此可用于紫外光谱仪的波长定标。     

多光谱遥感器带外响应的测量、校正及精度验证

带外响应（带外泄漏）是影响多光谱遥感器（multi-spectral remote sensor, MsRS）辐射定标不确定度的重要因素。以多光谱成像仪的443 nm通道为例,介绍了一种MsRS带外响应的测量、校正和精度验证方法。该方法主要利用一种新型大孔径光谱可调积分球参考光源（spectrum-tunable integrating spheres reference light source, STIS）的分立波段和连续光谱输出功能开展多光谱成像仪带外响应测量、校正及其精度验证实验,借助带外响应校正模型修正带内权重辐亮度,并与光谱辐亮度计的测量参考值进行对比。结果表明,带外响应校正前后的带内WRL与光谱辐亮度计的测量参考值的差异由8.8%降低到2.9%,初步验证了STIS在MsRS带外响应校正中的应用可行性。