“高分五号”高光谱互花米草遥感识别与制图研究

基于高分五号卫星上搭载的世界上首个同时具有大刈幅、宽谱段的高光谱遥感载荷获取的遥感图像,以黄河三角洲滨海湿地为研究区,开展了对外来入侵物种互花米草的分类和制图。通过对比代表不同分类思想的SVM,SCM,ANN和MLC方法在全波段参与分类和特征波段分类中的结果,发现SVM分类方法在不同的数据中均能得到最好的分类效果,总体分类精度达到了94.23%。虽然利用特征波段的分类结果总体精度较全波段低(约3%),但更节省计算资源和计算时间。根据分类结果,在研究区内互花米草的分布面积达到了3863.16 hm^(2),占调查区域潮间带总面积的21.23%,但却占据了海岸线总长度的51.47%,其中121平台以北海岸线被100%占据,而该平台以南的海岸却几乎没有互花米草。结合现场调查数据和NDVI等植被指数的分析结果,发现互花米草的生长状态好坏与其淤泥底质的形成时间点相关,即越新形成的淤泥质潮滩上互花米草的长势越好,且好、中、差三种类型互花米草的面积比率是7∶4∶3,表明了该区域的互花米草仍有较为旺盛的生命力和入侵扩展能力。

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.

基于CMOS图像传感器的微光成像系统信噪比研究

信噪比是微光成像系统的关键参数,决定了成像系统的性能与成像质量。给出了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal--Oxide--Semiconductor,CMOS)图像传感器微光成像系统的信噪比模型,仿真计算了系统的信噪比与信号、噪声的关系。搭建了信噪比测试环境,完成了系统信噪比测试实验。实验结果表明,理论值与实测值一致。最后,根据信噪比分析结果对给定系统进行了参数优化。计算结果显示,优化后的系统在1mLux照度下,信噪比能达到4.5。信噪比的研究为基于CMOS微光成像系统的总体设计与优化提供了理论依据。

多电容非制冷红外探测器动态范围调整技术

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array,UIRFPA)对多目标成像时动态范围有限的问题,基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前,根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容;同时逐点配置像元偏压,以适应动态范围并完成非均匀性校正(NonUniformity Correction,NUC);依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明,本文方法实现了动态范围的实时调整,并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题,该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。

资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机研制

高光谱技术获取的地物观测数据可应用于精细化的地物分类。文章论述了资源一号02D卫星上的主载荷之一可见短波红外高光谱相机(AHSI)的基本结构、成像原理和技术特点。通过在轨测试验证了该相机的主要性能指标,相机光谱范围覆盖可见到短波红外(400~2500nm),实现了可见近红外10nm、短波红外20nm的光谱分辨率,可以以30m空间分辨率获取地面60km幅宽的高光谱图像,具有突出的地物分类和识别能力,在国土资源和地质矿产调查,生态环境以及灾害监测,农、林、牧业精细作业,城市规划等领域具有良好的应用前景。

资源一号02D卫星高光谱相机在轨性能及稳定性评估

为了评估资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机(AHSI)在轨运行模式下的性能和稳定性,在2019年10月—2020年6月期间进行了在轨调试和测试工作。根据AHSI相机的在轨指标测试内容,全面评价了相机的光谱性能、辐射性能、几何性能。此外,卫星运行一周年之际,还对相机运行的稳定性进行了评估,全面分析了传感器状态稳定性、相机噪声特性稳定性。结果表明,AHSI在轨各项系统性能指标良好,符合相机研制技术要求,且在轨运行稳定性良好。

协同利用高光谱与多光谱遥感技术提取油气异常信息

为了在缺少地面实测数据的情况下对遥感油气异常结果进行验证,利用多光谱遥感数据和高光谱遥感数据对同一地区进行油气异常解译,针对同一位置使用两种不同数据的异常结果进行相互验证.并提出了利用高光谱异常提取结果作为先验知识的多光谱异常主分量阈值确定方法,将该方法与传统主分量阈值方法提取的异常结果,分别与高光谱提取出的粘土异常区域结果进行重叠率计算,发现该方法提取出的异常区与高光谱提取的结果重叠率达98.808%,高于传统主分量阈值方法的98.198%.结果表明利用该方法确定的阈值划分出的异常区具有较高的精度.

可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

为满足高光谱成像仪在365~1000 nm波段范围的成像需求,设计了一款中等视场角、大相对孔径的复消色差物镜。从初级色差理论出发,分析了可见近红外波段的玻璃材料的色散特性,为光学设计选择玻璃材料提供了理论依据。设计结果表明:通过对低色散氟冕玻璃的合理使用,物镜在宽波段内的色差得到了良好校正,二级光谱仅为0.014 mm。物镜焦距18 mm,相对孔径1∶2.4,视场角30°,成像质量接近衍射极限,满足高光谱成像仪的设计要求。

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.

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。

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。

基于非线性模型的神经网络非均匀性校正方法

在低照度成像的短波红外相机中,像元响应存在非线性问题。为了克服传统的神经网络自适应校正方法只能进行线性校正的不足,提出了一种基于非线性模型的BP神经网络非均匀性校正算法,针对单一像元通过隐含层多神经元拟合像元校正曲线,有效降低拟合误差,并通过实验验证了算法的合理性。结果表明,改进算法在图像的局部非均匀性,粗糙度方面相较于传统算法分别降低了27%和28%,非线性响应像元校正曲线拟合误差降为传统算法的30%。

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。

永磁同步电机伺服系统控制中的自抗扰控制策略

本文以高精度伺服系统中的永磁同步电机变速扫描为研究对象,针对自抗扰控制器中跟踪微分器(trace differentiator,TD)及扩张状态观测器(expansion state observer,ESO)模块的延时响应和参数复杂等缺点,设计了一种改进的自抗扰控制器,有效简化了其TD和ESO模块并减少可调参数,以实现内外干扰较大的环境下电机的高精度快速响应。将该控制器应用到某型号项目的伺服摆扫镜机构中,并将其性能与同条件下传统比例-积分-微分(proportion-integration-differential,PID)控制器性能作对比。实验结果表明:改进的自抗扰控制器表现出优于PID的控制性能,0°/s^10°/s响应时间75 ms,超调小于6%,稳态精度达到±1%;变速跟踪过程转速波动小,无超调,扫描周期时间波动小于0.0014 s,起始位置角度定位精度高于0.0015°,满足型号项目指标要求。改进的自抗扰控制器对其他搭载永磁同步电机实现变速跟踪扫描的系统也有一定的参考价值。

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。

非制冷红外探测器片上偏压逐点非均匀性校正方法

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array,UIRFPA)成像系统中普遍存在的非均匀性较差的问题,本文提出了一种基于探测器工作偏压对其输出影响来进行片上非均匀性校正(Non-uniformity Correction,NUC)的方法——探测器片上偏压逐点NUC技术。该方法是在探测器每一个像元关键偏压VEB和VFID上使用DAC供电,通过在积分前对每个像元的偏压进行单独的调整来校正其信号输出值。在不影响探测器帧频的情况下,实现了非均匀性从1.9%降低到0.4%,有效改善了探测器原始信号的非均匀性,且具有很好的实时性。

基于Sentinel-2卫星影像的面向对象城市水体提取

以新发射的哨兵2号多光谱卫星影像为基础数据源,对城市水体信息进行了面向对象的提取研究。融合大气校正后的哨兵2号卫星10 m分辨率的可见近红外影像和20 m分辨率的短波影像,在多尺度分割的基础上,分析了影像对象的光谱和空间信息,建立了知识规则集;手动调节阈值,实现了水体信息的半自动提取。选取了城区和郊区两个研究区进行实验,总体精度均在95%以上,Kappa系数在0.75以上。结果表明,本文的水体提取方法取得了较好的效果,且城市主城区的水体提取精度高于郊区。

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。

全局快门sCMOS图像传感器数字TDI微光成像技术

为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04dB提高到19.78dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。

高灵敏度低噪声科学级CMOS图像传感器微光探测

分析了基于科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的微光成像系统的噪声特性,建立了系统噪声模型并进行了系统噪声测试。结果显示,系统噪声的均方根值小于1e^-。建立了系统信噪比模型,计算得到微光成像系统在10^(-3) lx的夜天光照条件下的信噪比优于1,理论值与实测值之间的误差小于10%。提出了一种自适应的条纹噪声处理方法,有效消除了低照度图像中的行条纹噪声,采用对比度受限的自适应直方图均衡的方法提升了高动态范围图像的对比度。