成像光谱仪星上光谱定标的数据处理

为了提高仪器光谱定标精度,降低谱线偏移对地物反射光谱数据反演精度的影响(特别是大气吸收峰附近),根据星上光谱定标的特点,介绍了星上光谱定标数据处理的常用方法。通过对实验室光谱定标时两种典型工况的比较,实现了星上定标数据处理算法的地面仿真,验证了算法的可行性,并比较了各自的优缺点。结果表明,基于谱线匹配的标准差法、相关系数法和最小差值法计算精度较高,但计算效率较低;基于多项式拟合的极值法计算精度较低,但是计算效率较其他算法提高1个数量级。用极值法对数据进行预处理,快速确定谱线偏移量,再用谱线匹配算法在小范围内精确计算谱线偏移量,可以在不影响计算精度的前提下提高运算速度,计算精度优于1 nm,满足成像光谱仪星上光谱定标的精度要求。

利用高光谱对生物变量进行估计

该文分析了非光合背景物质—土壤光谱信号的特点 ,认为利用对光谱信号进行一阶导数的运算就能对混合光谱中的土壤光谱信号进行压缩 ,由此而得到的生物指数如LAI、SApar等的估计值更能客观地反映实际 ,这对于利用成象光谱进行环境应用有很大的实用价值。

星载成像光谱仪杂散光测量与修正

分析了星载成像光谱仪杂散光的来源和危害,研究了杂散光对此类光谱仪光谱测量精度的影响。介绍了用点扩散函数描述成像光谱仪杂散光的原理,推导了杂散光影响矩阵和杂散光修正矩阵的求解,给出了杂散光测量和修正的具体方案,并对测量和修正精度进行了分析。实验表明,基于点扩散函数的矩阵法可实现成像光谱仪杂散光的测量和修正。像元中心波长入射时,修正后有效信号降低不足1%,杂散光信号降低至少99%;像元中心波长和非像元中心波长同时入射时,修正后像元中心波长处有效信号降低7%左右,非像元中心波长处有效信号降低25%左右,杂散光信号降低近50%。最后,从原理上解释了杂散光修正效果受入射光波长影响的原因。

星载成像光谱仪杂散光测量

星载成像光谱仪用于获得高准确度的光谱遥感数据,而杂散光是影响其光谱测量准确度的重要因素之一.介绍了此类成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,在比较截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法等光谱仪器常用杂散光测量方法优缺点的基础上,论述了使用杂散光影响因子描述光谱仪杂散光的可行性和优越性.最后,介绍了使用窄带滤光片测量星载成像光谱仪杂散光影响因子的测量系统组成、测量步骤和测量结果,并分析了测量方法的不确定度.结果表明:杂散光影响因子能有效描述光谱仪的杂散光特性,测量结果与光源、探测器等测量条件无关;窄带滤光片法测量不确定度为0.646%(置信概率约为95%),能满足星载成像光谱仪杂散光测量的工程需要.

空间成像光谱仪的主体支撑方式

为了改善空间成像光谱仪主体支撑方式对系统光机结构稳定性的影响,分析了成像光谱仪对主体支撑结构的要求,介绍了常用空间光学遥感仪器的支撑方式。在传统支耳支撑方式不能满足离轴非球面三反射镜(TMA)系统热稳定性的情况下,提出了一种新的双耦合的支撑方案并对其进行了理论分析。优化设计过程中,采用有限元分析软件MSC.PATRAN对其三维样机进行工程分析,结果显示,在正弦振动载荷作用下,主体一阶频率为95 Hz;在10℃均匀温降与自重耦合作用下,各反射镜的镜面变形RMS最大值为12 nm、PV最大值为60 nm,主镜绕Z轴的转角由原来的55″降低为12″,热真空环境下整机成像试验获得的光谱数据验证了工程分析的正确性,表明双耦合的支撑方案能满足整机刚度和光机系统对热稳定性的要求。

高分辨率遥感图像道路分割算法

为了提高从高分辨率遥感图像(high-resolution remote sensing image,HRI)中提取道路信息的自动化程度和准确性,发展了一种HRI道路分割算法,主要包括光谱合并、边界合并和基于形状特征的道路区域提取等3个步骤。其中,前2个步骤是基于区域生长的图像分割算法。光谱合并综合考虑了区域的均值、方差等统计特征量,以提高分割精度;边界合并采用了基于矢量梯度的边界计算方法,以准确提取多光谱HRI中的边界强度;结合全局最优合并算法实现光谱和边界合并,以得到最优化的分割结果。在道路区域被完整分割出来的基础上,利用形状特征提取道路,采用圆形度特征区分道路和非道路。利用2景Orb View3多光谱图像进行道路提取实验的结果表明,该方法的道路提取结果总精度和Kappa系数分别在97%和0.8以上,明显优于SVM监督分类方法。

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪可对星际矿物成分、大气成分进行有效识别,但由于深空探测目标温度很低,为了抑制光谱仪自身噪声,提高分辨率,需要红外谱段工作在几十K的低温环境下,这对制冷系统设计提出了严峻的挑战。在调研国外用于金星、彗星探测的可见/红外成像光谱仪(VIRTIS)制冷技术的基础上,对宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统进行了设计与仿真分析,仿真结果显示M和H探测器部件温度梯度非常小,约为4×10-2 K;探测器工作温度≤70 K;M和H部件壳体温度为130±1 K;框架温度为200±1 K,符合制冷系统设计要求。研究成果对在深空探测领域具有通用性的低温高光谱成像系统中制冷系统的研制具有一定的指导意义。

高光谱遥感技术发展与展望

高光谱遥感技术是在成像光谱学基础上发展起来的一种遥感信息获取技术,因其高光谱分辨率及光谱和图像同时获取的能力,在大气探测、航天遥感、地球资源普查、军事侦察、环境监测、农业和海洋遥感等领域有着广泛和重要的应用。文章对高光谱遥感技术的发展概况进行了回顾,详细介绍了典型的高光谱遥感仪器的发展历程及其主要参数,对比了不同时期各个国家高光谱遥感载荷的性能特点,分析了中国高光谱遥感技术发展现状,并归纳了国际上未来高光谱遥感技术发展计划。文章结合当前信息时代的发展特点,对高光谱遥感技术未来发展进行了展望,指出了高光谱遥感技术探测波段进一步拓宽,时间、空间及光谱分辨率进一步提高,高光谱遥感技术种类进一步丰富,图像、光谱、偏振多元信息一体化获取,智能化、网络化以及小型轻量化的发展趋势,可为中国高光谱遥感技术的进一步成熟化和实用化提供参考。

基于纹理特征与区域生长的高分辨率遥感影像分割算法

影像分割是面向对象影像分析中的重要步骤。为了提高高分辨率遥感影像(high-resolution remote sensing image,HRI)分割算法的性能,提出一种新的影像分割算法,包含种子确定、基于种子区域生长(seeded region growing,SRG)的过分割(advanced SRG,ASRG)和层次区域生长(hierarchical region growing,HRG)3个步骤。利用Gabor纹理特征定义纹理均匀性,将种子自动放置在HRI中同一纹理组成区域的中心位置;在SRG阶段,将HRI光谱信息与斑块形状信息相结合,提出了一种新的合并规则,以提高SRG过分割的精度与分割结果中各个斑块排列的紧凑性;在HRG阶段,提出了一种自适应的阈值,可以更好地保持多尺度分割的特性;在实验部分,采用3景HRI验证了上述方法。利用监督的影像分割评价方法定量评价了该方法的分割精度,并与另外2种主流的遥感影像分割算法进行了对比。结果表明,该方法可以得到令人满意的分割效果。

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。

大工作距大相对孔径高分辨率的改进型Dyson光谱成像系统设计

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法,解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。从工作距的角度,比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。在大工作距要求下,采取第一种思路,即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上,引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型,给出了改进型Dyson光谱成像系统。设计结果表明:改进型Dyson光谱成像系统具有12mm工作距,F/1.8相对孔径,在0.38~0.9μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45nm,以及接近衍射极限的优良成像性质,MTF在全波段全视场100lp·mm^(-1)线处大于0.7,最大像面均方根值半径小于1.2μm。同时,系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制,保证了获取光谱数据的一致性。改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点,而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适,易于装配。解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题,可为大气遥感、农林调查、海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统,对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。

S5933 PCI控制器在高分辨力成象光谱仪数据采集中的应用

为了实现高分辨力成象光谱仪 (HRIS)中的遥感图象采集工作 ,本文采用由高速信号处理电路、基于 S5933PCI总线控制器的数据采集卡、高速磁带机等组成的记录处理系统 ,解决了高分辨力、大容量、多光谱图象采集及实时处理的问题 ,并成功应用于 HRIS机载系统中。

启发法优化的农田地区高分遥感影像分割

目前主流的高分遥感影像(high resolution remote sensing image,HRI)分割算法在区域合并顺序的确定中很少考虑区域自身的分割质量信息。针对该问题,提出了一种启发法优化的策略,以提高农田地区HRI的分割精度。首先,提出了区域内和区域间的"均一致模型",前者是利用区域内光谱变化信息来建模的,后者则综合考虑了区域间多光谱与植被信息提取的边界强度;其次,将区域内和区域间的均一致模型合并,构建启发法的执行标准;最后,利用该标准使区域合并的搜索过程能够考虑待合并区域自身的分割质量,从而有效抑制过分割与亚分割错误。利用2景不同特点的农田地区HRI进行分割实验,并将所提出的启发法与2种新提出的分割算法进行对比分析。对分割结果的定量评价结果表明,启发法优化策略可以显著提高农田地区HRI的分割精度。

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。

轻小型高分辨率星载高光谱成像光谱仪

在小型化成像光谱仪的研制和应用中,如何同时实现轻量化、高地面分辨率和高信噪比是目前亟待突破的技术难题。本文通过将线性渐变滤光片分光技术和数字域时间延迟积分技术相结合,并对镜头进行紧凑化处理,设计了一款工作波段为403~988 nm、平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为7 kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪。仿真和实验结果表明,该高光谱成像仪能在500 km轨道上得到刈幅宽度为50.5 km、地面分辨率为10 m的高光谱图像,且图像信噪比良好。该成像光谱仪可为微纳卫星获得高分辨率的高光谱图像提供技术支持,推动了我国高光谱遥感探测技术的发展。

红光波段虚像相位阵列光谱仪研究

利用虚像相位阵列(VIPA)的强色散能力发展而来的VIPA光谱仪是一种新型的高性能光谱测量装置,兼具宽光谱覆盖范围、高时间分辨率及高光谱分辨率等优点。基于60 GHz自由光谱区(FSR)的石英VIPA,研制了一台可用于红光波段光谱测量的VIPA光谱仪,并测量了633 nm多模激光器的出射光谱。在100μs的时间分辨率下,获得了单次3.1 nm测量谱宽、2.0 pm(1.5 GHz)的高光谱分辨率,连续4 h运行显示光谱漂移小于0.50 pm。通过采用衍射光栅扫描装置、更短曝光速度的面阵CCD和更大FSR的VIPA,有望进一步提高光谱仪性能。

双狭缝高分辨率紫外成像光谱仪光学系统设计

在机载和星载领域,尤其是用于观测科学目标短期变化的应用领域,遥感平台逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时缩短重访时间。研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统,设计了一种工作波段为250~500nm、双狭缝均长50mm、双入射狭缝间隔为37mm、光谱分辨率为0.3nm的双缝高分辨率紫外成像光谱仪,并对设计结果进行了分析与评价。结果表明,这种紫外双缝成像光谱仪在41.67lp·mm-1处的传递函数达到0.76以上,实现接近衍射极限的优良成像质量,同时大大缩短了系统重访时间,提高了系统的信噪比,在保证高分辨率的同时缩小了系统体积和扫描镜口径,适合机载和星载遥感应用。

日光诱导叶绿素荧光高光谱成像仪研究(特邀)

研究了一种可用于植被日光诱导叶绿素荧光遥感的高光谱成像仪样机,用以满足对植被微弱荧光辐射探测的高信噪比、高光谱分辨率的科学探测需求。根据荧光与太阳夫琅禾费线的作用探测机理,结合探测科学需求分析完成了具备高性能的光学系统设计。系统工作波段为670~780 nm的可见-近红外谱段,可覆盖植物受太阳光照射而产生的荧光辐射特征波长;系统数值孔径为0.25,这种大通光能力可确保系统具备足够的信噪比;系统光谱分辨率优于0.3 nm,并同时具备良好的成像质量。样机的初步结果完全满足设计要求,该研究将为我国未来日光诱导叶绿素荧光高光谱成像探测提供一种有力的手段。

基于虚像相位阵列光谱仪的宽带高分辨率CO_(2)吸收光谱测量技术研究

为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性,搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪,单帧谱宽约为25nm(140cm^(-1)),光谱分辨率为4.5pm(0.024cm^(-1)),结合改进的旋转光栅结构,实现了1.26~1.50μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池,在1.43~1.45μm处,以CO_(2)为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究,使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度,考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。

高光谱分辨率紫外Offner成像光谱仪系统设计

紫外成像光谱仪是遥感探测仪器的重要组成部分之一。在机载和星载领域,遥感平台正逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时,其设备趋于轻量化和小型化。针对紫外成像光谱仪高光谱分辨率、轻量化、小型化等特点,研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统,设计了一种工作波段为250~400nm、狭缝长40mm、光谱分辨率为0.3nm的高分辨率紫外成像光谱仪,并对设计结果进行了分析与评价。结果表明,这种紫外成像光谱仪在38.5lp/mm处调制传递函数达到0.76以上,实现了接近衍射极限的优良成像质量;谱线弯曲和色畸变在像元尺寸的10%以内。另外,该结构在原Offner结构的基础上大大缩小了系统体积,实现了紫外遥感仪器小型化、轻量化的目的,且易于加工和装调,满足设计指标要求,适合机载和星载遥感应用。