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。     

红外高光谱遥感成像的技术发展与气体探测应用（特邀）

相对可见光和短波红外谱段来说,在红外谱段进行高光谱遥感成像具有独特优势,特别是在资源勘查、地表环境监测、大气环境监测、军事侦察方面。尽管当前红外高光谱成像仪主要以机载为主,还未实现星载,然而国内外相关机构从未放弃推进红外高光谱遥感的星载化。文中首先分析了国内外典型的红外高光谱成像仪的设计、实现与技术指标,从光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率三个核心指标总结了现有红外高光谱成像仪的技术特点、存在问题和解决途径。未来很长的一段时间内,红外精细分光、低暗电流焦平面探测器、低温光学与背景抑制仍然是红外高光谱成像仪研制所要解决的核心问题。在此基础上,文中重点介绍了在远距离气体探测方面的应用,并分析了其独特优势。最后,展望了红外高光谱成像技术的发展方向。     

西安光机所新型干涉光谱成像技术研究取得重要进展

据www.opt.ac.cn网站报道,近日,中科院西安光机所新型干涉光谱成像技术研究取得重要进展,以光谱室胡炳研究员为首的研究团队在国内率先将离轴三反光学系统应用于短波红外干涉光谱成像系统中,并成功研制了基于M-Z像面干涉光谱成像的离轴三反桌面样机系统。面向宽覆盖、高分辨率、高光谱分辨率的要求,离轴三反加M-Z像面干涉光谱成像技术可以有效解决大视场光学系统和大尺寸干涉仪的技术瓶颈。将M-Z干涉仪放置在系统会聚光路中,在减小系统体积和重量的同时,还可以使能量     

星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3～5μm)和长波红外(8～125μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50nm和100nm,空间分辨率为60m,成像幅宽为60km,噪声等效温差优于02 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0135;光谱成像光学系统采用Wynne Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。     

高光谱成像用高帧频CMOS图像传感器北大核心

针对高帧频、全局曝光和光谱平坦等成像应用需求,设计了一款高光谱成像用CMOS图像传感器。其光敏元采用PN型光电二极管,读出电路采用5T像素结构。采用列读出电路以及高速多通道模拟信号并行读出的设计方案来获得低像素固定图像噪声(FPN)和非均匀性抑制。芯片采用ASMC 0.35μm三层金属两层多晶硅标准CMOS工艺流片,为了抑制光电二极管的光谱干涉效应,后续进行了光谱平坦化VAE特殊工艺,并对器件的光电性能进行了测试评估。电路测试结果符合理论设计预期,成像效果良好,像素具备积分可调和全局快门功能,最终实现的像素规模为512×256,像元尺寸为30μm×30μm,最大满阱电子为400 ke^(-),FPN小于0.2%,动态范围为72 dB,帧频为450 f/s,相邻10 nm波段范围内量子效率相差小于10%,可满足高光谱成像系统对CMOS成像器件的要求。     

开窗高帧频下红外面阵数字TDI实现方式研究

开窗功能是当前面阵红外探测器的一个重要功能,该功能的一个重要特点就是可以大幅度提高探测帧频。本文从理论上论述了高帧频对面阵数字TDI探测系统的影响,研究了高帧频数字TDI实现方式:(1)高帧频可以增加探测器系统扫描速度的上限;(2)在高帧频TDI的工作状态下更容易实现速度的匹配;(3)在扫描列数设定较高的情况下,高帧频数字TDI可以根据所开窗口像元的实际响应情况来选择TDI的起始列和级数,以选择质量较高的TDI图像。用国产中波红外探测器搭建了红外成像平台,进行了高帧频数字TDI成像实验,验证了高帧频数字TDI实现方式的可行性。     

短波红外超光谱成像仪前置物镜的设计

设计了一个短波红外透射式物镜用于超光谱成像仪.用色散公式计算了短波红外常用材料的阿贝数和部分色散数,并按照二级光谱的定义,计算了一些可用于双胶合的材料对.物镜采用Petzval结构,改进了可见光常用的PW设计方法,用于短波红外物镜设计的材料选择和初始结构计算.Petzval结构的物镜不能消除物镜的场曲,在焦面前加入一片平场透镜,用于扩展该物镜的有效视场.最后利用Zemax对系统的高级像差进行校正,获得像质良好的短波红外超光谱成像仪前置物镜.     

运动补偿下双通道星载高光谱成像仪图像配准

最新一代可见近红外（VNIR）和短波红外（SWIR）双通道星载高光谱成像仪,多采用视场分离器将VNIR和SWIR通道分离为多个子视场,同一时刻各子视场对地成像区域不同,在采用运动补偿技术提高图像信噪比时,各子视场对同一地物的观测角不同,导致图像间失配关系复杂,无法获取同一地物的VNIR-SWIR连续光谱。通过建立运动补偿下的严格成像几何模型,定量分析了双通道图像的畸变和失配规律,进而提出了各子视场分别几何定位再相位相关法配准的方案,并利用东天山区域运动补偿下星载双通道高光谱仿真数据进行验证。结果表明,传统的基于图像的配准方案精度为3.9像元,仍无法得到同一地物像元的VNIR-SWIR光谱曲线,文中方案配准精度提高到0.3像元,VNIR和SWIR重叠波段的反射率光谱重合度误差由41.5%降低到1.2%。     

硅化铂红外焦平面探测器的特点与应用潜力分析

硅化铂红外焦平面探测器具有规模大、均匀性好、响应光谱宽、制造成本低、性能稳定等优点,但也存在着光电转换量子效率低、探测元填充因子小等不足.根据这些特点与红外成像仪的应用需求,分析了硅化铂红外焦平面探测器的特点与应用方向--大面积红外成像侦察与监视、多光谱/宽光谱成像、低成本红外成像制导、强光探测、科学和工业红外测试仪器等.     

中波碲镉汞探测器次级盲元的量化及识别

中波碲镉汞探测器是最常用的高性能制冷型红外焦平面探测器,在多个领域均有广泛应用。中波碲镉汞探测器在实际使用中有一类独立的像元,其电平值比周边像元略低一些,但不满足国标中的盲元判定标准,会影响在光电系统上的使用(称为次级盲元)。依靠人眼判断此类像元不仅耗费大量时间,而且不同人对次级盲元的判断标准不一。针对上述次级盲元不易判断的难题,通过分析人眼对次级盲元的判断过程,使用计算机模拟人的判断,量化了次级盲元的判断标准,并实现了自动识别和统计功能。与原有的人眼判断方式相比,该方法极大地提升了识别的准确度和效率。     

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。     

Demonstration of a Corner-cube-interferometer LWIR Hyperspectral Imager

An interferometric long-wavelength infrared (LWIR) hyperspectral imager is demonstrated, based on a Michelson corner-cube interferometer. This class of system is inherently mechanically robust, and should have advantages over Sagnac-interferometer systems in terms of relaxed beamsplitter-coating specifications, and wider unvignetted field of view. Preliminary performance data from the laboratory prototype system are provided regarding imaging, spectral resolution, and fidelity of acquired spectra.     

A new algorithm for temperature and spectral emissivity retrieval over active fires in the TIR spectral range

The problem of temperature and spectral emissivity assessment from hyperspectral remotely sensed data is discussed with reference to monitoring of active fires and hot targets. A new algorithm, called similar pixel addition, was developed, which allows us to retrieve the temperature of burning areas by employing spectral data collected at thermal infrared (TIR) wavelengths. The new algorithm resolves the uncertainty connected with temperature-emissivity separation assuming a slow spatial variation of emissivity, hence reducing the number of unknowns involved in the inversion of a couple of similar pixels at once. Performance of this procedure is thoroughly discussed and compared with results from two other algorithms operating in the TIR and shortwave infrared spectral ranges. This paper shows results obtained applying the new algorithm to hyperspectral images gathered by the Multispectral Infrared and Visible Imaging Spectrometer in Northern Italy (Alps) over a natural fire that broke out in July 1999. This paper is completed with a theoretical discussion of the involved topics.     

灰度校正在红外序列图像拼接中的应用

为满足红外图像无缝拼接的需要,提出了一种基于红外序列图像的灰度非均匀性校正算法.该算法利用灰度非均匀区域的相对稳定性,通过对拍摄的大量红外序列图像求平均,获得相机灰度校正的模板图像.然后利用此模板对各帧图像进行校正,实现在同一幅度照射下各像素灰度的一致性.最后利用由HJRG-001型红外热像仪获得的红外视频图像序列进行...     

星载紫外环形光谱仪科学数据处理的设计与实现

为将环形光谱仪下传的原始数据快速转换为待反演的亮度数据,建立了紫外环形光谱仪科学数据处理系统。采用文档-视图的数据流架构,保证数据流之间的无干扰处理;采用暗像元均值对探测器噪声进行校正;采用比例法将像元响应换算为标准积分时间和增益条件下的响应值;采用无须通道光谱响应函数满足高斯函数的光谱积分法将像元响应换算为亮度,并提供指定区域的相对标准偏差统计作为图像转换正确性的快速判据。实验结果表明:系统在测试环境中用352s时间内流畅处理了环形光谱仪在987s内产生的2.19GB图像数据,生成4.96GB亮度数据,亮度换算后精度为10~(-7)lm。系统为卫星运控中心与用户之间提供了快速、准确的数据接口链路,保证了数据反演的准确性和实效性。     

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...     

An enhanced-performance CMOS imager with a flushed-reset photodiode pixel

A new front-end for photodiode-based CMOS imagers is presented. Degradation in imaging performance due to conventional hard- and soft-reset of pixels is analyzed. To overcome these limitations, the design and operation of a flushed-reset pixel is described. The flushed-reset pixel combines the best of hard- and soft-reset to simultaneously provide excellent radiometric accuracy, high linearity, no image lag, high saturation level, and reduced read-noise. The new front-end is implemented by changes to the column-circuitry only, leaving the pixel unchanged, preventing degradation of any unrelated imaging performance. It is compatible with large format imager implementation, has minimal impact on the frame-rate, and does not introduce any additional hot-carrier stress in the pixel. Data from a large format (512/sup 2/) imager demonstrates the efficacy of the flushed-reset pixel approach.