基于参考辐射源标定的红外成像非均匀校正技术

持续外场工作环境下，红外系统成像的非均匀性会随工作时间、温度的改变而发生飘移，要维持非均匀性校正精度，定标动作需要定期重复，而标准黑体笨重不便于携带，使其不适用于现场定标应用。针对这一问题，介绍了一种基于参考辐射源进行红外图像校正的方法。该方法利用一个精确控温的小巧辐射源，可随时根据需要插入红外成像系统光路中进行非均匀性标定测试，实时修正硬件平台中存储的非均匀性校正参数，从而达到维持校正精度的目的。实验结果表明，所述的辐射源具有较高的稳定性，与环境温差在-10～10K的范围内温度波动可以控制在0.04K范围，使用该人工辐射源可以明显降低非均匀性随时间的恶化。

热红外光谱仪系统的内部杂散辐射定标与测量技术

提出了一种热红外光谱仪系统内部杂散辐射的测量方法,该方法基于探测器和热红外光谱仪系统的辐射定标.通过分别单独标定探测器对黑体辐射能量的全谱段输出响应曲线和光谱仪系统对黑体辐射能量分光后单一光谱通道的输出响应曲线,从而定量得出光谱仪的内部杂散辐射灰度值及辐射通量值且能计算出不同积分时间和光机温度时内部杂散辐射的灰度值及辐射通量.采用该方法对现有光谱仪内部杂散辐射进行了实验测量,并进行了对比实验,结果表明,对比实验值与理论预测值误差偏离小于1%.该方法可操作性高,可用于测量热红外光谱仪内部杂散辐射在总输出DN值中的占比、预测光谱仪制冷对内部杂散辐射的影响、测量其他内部杂散辐射抑制手段的效果等.

空间超大幅宽低畸变红外成像扫描控制

本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象,分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系,提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点,设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验,结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定,扫描起止角度误差仅为1.44角秒,扫描速度稳定度为±0.5%,扫描成像过程时间误差为83μs,回扫时间误差为250μs,整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355μs),扫描效率达86%,在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动,满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。

风云三号D星红外高光谱大气探测仪零光程差检测

红外高光谱大气探测仪是我国第二代极轨气象卫星风云三号D星搭载的大气探测仪器。干涉图零光程差位置的确定是干涉图叠加和傅里叶变换的前提,在实际应用中由于仪器自身和环境因素的影响使其确定困难。本文根据红外高光谱大气探测仪的在轨实测数据,分析了零光程差偏差对数据反演的影响,分别以最大相关法和定标光谱虚部最小法,检测干涉图的零光程差位置。干涉图校准后黑体和冷空光谱的相位差在π附近。定标光谱虚部在0附近,仅表征噪声。该方法能够很好地用于风云三号D星红外高光谱大气探测仪的数据预处理。

大幅宽长波红外变帧频变焦成像

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度。首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。

多次采样平均在长波红外高光谱成像系统中的应用

长波红外高光谱成像系统由于光谱细分导致探测器所接收的目标信号的能量较一般成像系统弱,因此系统噪声对成像效果影响较大。针对这一现象,本文在分析系统噪声成分的基础上,提出采用ADC多次采样平均的方法来降低其噪声,并从理论上推导了该方法的有效性。然后搭建了实验系统,分析计算不同积分时间下,利用多次采样平均技术得到的信号和噪声大小,并计算系统的信噪比和NETD。结果表明,多次(m次)采样平均对系统的信号值几乎无影响,但可以将系统噪声降低至原来的m^(-1/2)倍。因此,该方法可将系统的信噪比提高至原来的m^(1/2)倍,并能有效降低系统的NETD,提高系统灵敏度。该方法为改善长波红外高光谱成像系统成像效果提供了一种方案。

长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略

为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变,研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术。针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求,提出一种高精度多电机位置同步算法。依据设计的变焦扫描成像控制原理,设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置。变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时,根据当前位置和下一时刻的同步位置,每隔0.01s计算出电机的运行速度,实时对电机的速度进行控制。实验结果表明,变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003mm、±0.002mm以内;沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047m。长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰,达到消除畸变的效果,满足变焦扫描成像的要求。

宽幅长波红外高光谱扫描成像系统的设计

为了满足宽幅长波红外高光谱成像需求,基于光导型碲镉汞线列探测器和平面闪耀光栅,提出了一种在长波红外8~12.5 m范围内具有150个连续波段、30°成像视场角、基于地面应用的低成本、轻小型高光谱扫描成像系统的设计方法。该系统由光栅扫描机构和视场扫描机构组成,两机构同步控制以实现精细分光和宽幅成像功能。推导了光栅扫描角度与探测器接收单色光的波长、视场扫描角度与成像视场角间的关系式。在分析扫描系统扫描定位精度的基础上,设计了一套以步进电机为运动核心,采用"摆扫定位+停止成像"工作模式的扫描系统。实验表明,该扫描系统可满足系统视场定位精度及分光精度的要求。获取的硅碳棒在长波红外波段的发射光谱曲线表明该系统的设计合理有效。该扫描系统的设计方法对长波红外高光谱系统的设计具有一定的指导意义。

风云四号气象卫星辐射成像仪在轨温度环境适应性

风云四号是地球静止三轴稳定平台气象卫星,装载其上的辐射成像仪受剧烈的外热流日周期和年周期变化的影响,扫描机构和主光学系统等关键部件的温度每天波动可达40℃以上.光学及支撑结构如何适应剧烈的环境温度变化,并保证良好的像质,是地球静止三轴稳定平台遥感仪器系统设计的国际性难题.多种特性材料的匹配性设计以及适当支撑结构形式的采用,是避免和减少因温度大幅波动引起的光机变形及成像质量下降的良好策略.在轨数据表明,辐射成像仪克服了昼夜温差大的不利影响,敏感恒星时的弥散斑几乎仅覆盖一个像素,而且正午和子夜结果差别不大.

可见短波红外高光谱相机有效载荷观测能力及应用前景

高分五号卫星上的主载荷之一——可见短波红外高光谱相机(AHSI)是国际上首个采用改进型Offner结构凸面光栅分光的星载高光谱相机,以60km幅宽、30m空间分辨率和5~10nm光谱分辨率,同时获取地物在400~2 500nm范围内共330个连续谱段的空间信息和光谱信息,具有突出的地物探测和识别能力。通过地面测试与在轨测试验证了该相机的主要性能指标。与国际上经典的高光谱相机相比,该相机幅宽提高8倍,光谱数增加近百个,信噪比提升近4倍;与德国、日本、意大利等国家高光谱相机比较,AHSI在幅宽和光谱通道数等方面具有明显优势,其综合性能指标处于国际领先水平。该相机将为遥感应用如生态环境监测,国土资源和地质矿产调查,以及灾害监测,农、林、牧业精细作业,城市规划等中的许多关键问题提供解决方案。

超大幅宽低畸变成像系统设计与分析

针对光机扫描式超大幅宽对地观测面临的地面成像畸变导致的分辨率随扫描视场增大而急剧降低的问题,提出了一种变焦距摆扫配合可调狭缝光阑成像的方法,推导了其在超大幅宽成像过程中需满足的变焦扫描与光阑控制关系式.理论分析表明:当系统光轴倾斜角度和狭缝大小与瞬时焦距满足对应关系时,可有效消除地面成像畸变,解决边缘分辨率急剧降低的问题,实现大幅宽扫描成像过程中地面分辨率始终与星下点分辨率保持一致.此外,设计了一套变焦摆扫成像系统,分析证明了该方法具有较大可行性,这对未来超大幅宽、高分辨率对地成像观测具有重要指导意义.

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

改进的SSD红外图像行人检测算法

针对红外图像行人检测任务中图像细节少、特征信息提取困难、检测准确率低等问题,提出一种改进的SSD红外行人检测算法。利用深度可分卷积方法降低特征提取网络参数数量和网络运算量,改善实时性;在网络中嵌入SENet模块,重新分配各特征通道权重,提升网络对行人目标针对性;针对行人目标空间占比固定的特点,通过聚类分析算法设定Default Boxes数值,提升行人检测效果。实验结果表明,所提改进算法优于VSSD算法,查准率和查全率分别达到91.7%和84.8%,同时,算法实时性也得到大幅改善。

并行压缩成像系统的压缩域小目标检测

提出一种适用于并行压缩成像系统的压缩域小目标检测算法,以便省去获得小目标位置信息时进行的图像重建环节,有效降低算法的复杂度。该方法通过并行压缩成像数学模型捕获背景以及待测图像压缩测量值,通过高斯混合模型进行压缩域背景建模,从而获得压缩域前景观测值。然后计算压缩域前景观测值与各压缩域目标位置模板的余弦相似度,根据局部阈值以及压缩域候选目标面积实现目标检测与定位。最后进行了仿真实验,分析了降采样率、测量次数、投影误差以及噪声等对目标检测效果的影响。结果表明:增大降采样率及噪声均会降低检测效果;测量次数对检测效果的贡献是有限的;测量次数为2次或3次时,可以在保证检测效果的同时有效控制运行时间。此外,噪声对检测效果影响较大,因而需要严格控制系统噪声。该方法可以在不进行任何图像重建的情况下实现目标的实时检测。

静止轨道遥感仪器可见光通道月球定标方法研究

介绍了一种以月球为在轨定标参考源的对静止轨道卫星辐射计可见光通道进行辐射定标的方法.以风云二号E星为研究范例,搜集选取地球圆盘业务图中出现的月球图像,以月球圆盘积分辐照度为考察对象,进行图像过采样修正、日月距离修正、星月距离修正和月相角修正等归一化数据处理,以序列的时间变化率评估风云二号E星辐射计可见光通道的长期响应衰减情况.结果表明,风云二号E星辐射计可见光通道的年衰减率约为2.17%,与其他定标方法的结果基本一致.借助月球定标技术能很好地实现对静止轨道卫星辐射计可见光通道的长期响应衰减的评估,为订正辐射计的辐射定标的系统性偏差提供了参考.

星上定标的观测恒星确定方法研究

基于观测恒星的星上定标方法已成为近年来大型红外相机的主要定标方法之一。而这种定标方法的核心就是确定观测恒星及其在相机探测波段的辐照度。为了研究恒星在不同波段的辐照度,首先将恒星视为点源目标对其辐照度进行建模,在此基础上提出了泰勒级数展开和改进的遗传算法对恒星的温度T进行求解;然后对WISE星表的1 000颗恒星进行辐照度外推,取得外推精度<3%的恒星所占比例高达68.34%的结果,满足项目需求;最后对不同精度下恒星的光谱分布特征进行了分析总结,验证了该外推方法的有效性。

基于联合相机路径的红外视频稳像算法

针对由于视差变化而导致的红外视频稳像技术难题,文中提出了一种基于联合相机路径的红外视频稳像算法,该算法主要包括:预处理、联合相机路径求解、多路径优化、运动补偿四个步骤。首先,要对红外图像进行直方图均衡化、特征点提取和匹配处理、预映射。接着,要将每帧图像分为m×n个网格单元,利用基于网格的映射运动表征,将每一帧中对应网格得到的局部单应性矩阵进行相乘得到联合相机路径。然后,对联合相机路径采用"多路径优化"策略进行平滑处理。最后,利用平滑后路径进行运动补偿稳定视频。实验结果表明,该方法能有效地处理由于视差而引起的非线性运动,相比传统的稳像算法效果更好,当特征点存在部分遮挡时,也能取得不错的稳像效果。

基于单帧干涉图的无损压缩的研究

受位消减法启发,针对单帧干涉图特点设计一种新的无损压缩方式,并分别采用哈夫曼编码、LZW编码以及算术编码作为新方法的熵编码部分对干涉图进行压缩,比较它们最终的压缩比。经Matlab仿真实验证明,三种编码方式最终取得的压缩比均高于位消减法,其中算术编码的压缩比最高,哈夫曼编码紧随其后,两者均能够取得较位消减法27%及以上的压缩比增长,LZW编码所取得的压缩效果相比前两者一般,不适合用于干涉数据的压缩。

大小渐变目标检测与跟踪算法研究

针对快速压缩跟踪(FCT)算法难以适应复杂背景下大尺寸目标渐变成一个点目标的情况,提出一种改进的目标跟踪算法。首先采用FCT进行跟踪,并且计算当前帧跟踪框与初始跟踪框之间的余弦相似度。一旦余弦相似度小于设定的阈值,则立即切换到卡尔曼滤波器,并且采用基于最大连通域的方法检测目标位置及大小。当目标接近点目标,则将目标检测方法切换至基于高斯差分尺度空间的目标检测方法。实验结果表明该算法可以实现尺寸渐变目标的实时跟踪。

红外制冷机驱动系统的电磁干扰滤波器设计与仿真

完成了红外制冷机驱动系统滤波器的设计与仿真。针对系统关键器件的特性,采用合理算法建立精确的联合仿真模型。并借助联合仿真模型提取分析了系统的干扰机理。基于阻抗失配理论分析了不同滤波器拓扑的插入损耗与源和负载阻抗间的关系。最终提出了一套基于干扰机理的传导干扰滤波器设计及优化方法,该方法有效地优化了滤波器的性能,并降低了设计冗余。通过实验验证了该方法的准确性与可行性。