Hadamard变换成像光谱仪实验室辐射定标方法

Hadamard变换成像光谱仪采用多通道探测数字变换技术实现光谱成像。主要介绍了基于数字微镜阵列器件的Hadamard变换成像光谱仪的工作原理与仪器结构,研究设计了一套适用于该Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方案。用远距点光源光路进行CMOS探测器像元响应不均匀性修正,获得相对定标精度达到4.6%;采用太阳模拟光源和均匀平行光路,用光谱辐射度计实现标准辐射亮度的传递进行光谱辐射定标,绝对定标精度达到8.92%。通过实物成像,Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方法精确、实用。

浑浊水下主动偏振成像技术中的检偏角度研究(特邀)

水下偏振成像技术可以对水下图像对比度进行增强,但受探测器动态范围限制,难以获取准确的偏振信息,影响最终增强效果。提出了以三个任意角度检偏片成像结果进行基于水下图像复原的方法,并对滤光角度进行了研究。结果表明,对于主动线偏振照明,在入射光的正交偏振方向附近取三个点效果最好。对于非偏振光照明,在背景光偏振角间隔45°位置附近取三个点效果最好。该结果可以为高浑浊水下主动偏振成像增强技术提供理论支撑,拓展水下主动偏振成像技术的应用范围。

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。

基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪中交错编码像素点的研究

近年来在哈达玛变换成像光谱仪研究领域中最重要的技术革新在于数字微镜器件在这种光谱仪中的应用,但同时也带来了一些相应的技术问题需要克服。详细的描述和分析了由于数字微镜器件在哈达玛变换光谱仪中的应用导致的编码图像上的部分像素点出现的一种交错编码现象;这种特殊的像素点,编码过程不符合哈达玛变换,在光谱复原过程中需要特殊处理。针对这种交错编码像素点,提出了一种标识方法和解码方法。实验中,向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,在编码的激光图像中确定交错编码像素点的位置。然后变换编码模板上哈达玛编码码道的空间位置,采集两组针对目标的编码图像,通过观察编码图像上一个像素点的灰度值组成的列向量中非零常量与零元素的个数,可以分辨它是否是一个交错编码像素点。其中一组编码图像上交错编码像素点光谱曲线可以通过对另一组编码图像上相应位置的像素点进行哈达玛反变换得到。实线结果证明了这一方法的可行性。

压缩采样光谱调制技术研究

为了避免光谱成像系统的时间损失,提高系统光通量,提出一种压缩采样光谱调制技术,搭建了基于数字微镜器件的压缩采样多光谱成像系统.该技术基于压缩采样理论,采用编码孔径光学系统以低于奈奎斯特频率对光信息进行采样,大幅度地减少了光谱数据量.实验中根据探测器得到的隐含光谱信息的二维图像,采用双收缩快速迭代算法重建612nm激光和彩条布的数据立方体,结果表明:压缩采样多光谱成像系统不仅具有高光通量和高分辨率等特点,并在获取谱信息的同时对其进行瞬时压缩,压缩比可达31∶1.

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner型成像光谱仪结构特点，总结了其前置望远系统的选型及设计原则；介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法；利用该方法优化设计了一款焦距800 mm，视场达8.6o×0.148o，工作波段0.9~5μm的星载Offner型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明，在Nyquist频率16.7 lp/mm处，各谱段的调制传递函数值均在0.65以上，接近衍射极限，完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行，所设计系统结构紧凑，较易加工，适于空间遥感用Offner型成像光谱仪。

非平行光束光栅照明C-T成像光谱仪消像散研究与设计

切尔尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光谱仪是光栅光谱仪中常用的光谱仪器。其结构紧凑,无非球面镜,常被用于单色仪和光谱辐射计中。对于成像光谱仪,像散是影响其空间分辨和光能利用的主要像差。就非平行光束光栅照明像散校正方法进行了理论分析和实验验证,提出会聚和发散光栅照明C-T成像光谱仪都可以进行像散校正,其根本取决于光栅入射角和衍射的余弦平方比大于或小于1,大于1对应发散照明消像散,小于1则对应会聚照明消像散。

单色散压缩编码光谱成像系统研究

随着光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展,传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题,同时,系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、大口径长焦距系统难于精密装调、系统能量受限引起信噪比提高困难。为了解决上述问题,研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统,并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题,重点研究了该新系统的设计与实现,模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法,并给出实际样机试验及数据处理结果。最后,根据试验情况,总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容,包括编码模板误差分析,多维稀疏重构模型与算法,压缩编码光谱成像系统标定技术,重构算法/重构图谱评价技术。单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、色散、甚至下采样,由探测器接收得到成像观测图像,然后,利用该成像数据,通过重构算法,得到目标光谱图像数据,其优点是低数据量采样、工程实现硬件要求减低、多通道高通量探测。相关研究结果表明,该系统获取的数据有效,样机设计合理,重构算法与标定方法较为准确,其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰,光谱信息较为准确,符合钨灯光谱,其系统设计与实现具有工程可行性。

空间调制型干涉光谱成像仪数据压缩方法研究

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。在星载使用时,由于卫星数据传输容量的限制,需要对干涉成像光谱仪获得的原始干涉数据进行压缩,然后经过数据传输,到地面进行解压缩,再进行光谱复原处理,才能交给用户使用,干涉数据的压缩是一项新的技术,国内外很少有专门的文献进行介绍,基于该单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪数据的特点,结合环境与灾害监测预报小卫星星座A星超光谱成像仪的数据,提出了一种针对空间调制型干涉成像光谱仪的数据压缩方法,获得了很好的结果。

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP（crossed dispersionprism）的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由XDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6～5.0μm。设计结果表明,该仪器在0.6～5.0μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。

基于自准直原理的空间光学成像系统在轨几何定标技术

通过分析成像原理、仿真光学模型和搭建原理样机,讨论了在实验环境下影响自准直定标系统定标精度的主要因素,提出了定标系统在设计和工作中应注意的主要问题,包括像元尺寸选取、像点位置算法、调焦量计算和系统装调误差。根据分析结果对原理样机的定标误差进行了校正,最终实现原理样机的焦距定标精度小于0.4 mm,X、Y和Z方向旋转的定标精度分别小于0.6″、0.6″和12″,定标精度的相对误差优于0.2%。

光学被动成像干涉技术探测深海热液CH_4

为了实现对热液甲烷浓度、温度和压强信息的实时、长期探测,提出一种新颖的光学被动成像干涉系统(Optical Passive Imaging Interference System,OPIIS),并建立了该系统的正演模型和反演模型。首先利用IDL语言建立了包括深海气体辐射模型、海水传输模型和仪器响应模型的OPIIS正演模型,并模拟其正演干涉图。正演干涉图信噪比总体处于50~70,浓度探测灵敏度为0.1 mmol/L,温度灵敏度为2 K,压强灵敏度为0.1 MPa。其次采用成像干涉技术结合偏最小二乘法的方法进行OPIIS数据的精确、快速反演。利用25个建模样本建立了甲烷多因变量PLS回归模型,并利用25个预测样本对回归模型进行交叉检验。该最优回归模型的浓度预测最大误差为1.9%,温度预测最大误差为0.38%,压强预测最大误差为1.0%。

高倍率低波前畸变引力波探测望远镜的光学设计

基于离轴四反的方案设计,从同轴反射系统的理论出发,结合高倍率,低波前畸变,以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200μrad视场内系统百倍的压缩倍率,其入瞳直径300 mm,波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制,在保证高质量波前的条件下,其三镜的偏角优化结果为5.5°,且三镜为平面镜的引入,降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证,建立了该系统下0.5倍的缩比系统,实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析,原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40,满足引力波望远镜的指标要求。

空间调制型干涉光谱成像仪数据处理方法

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。干涉成像光谱仪获得的是间接数据干涉图,不能被用户直接使用,需要进行干涉数据反演处理,包括数据预处理(干涉图修正)、切趾、相位修正、傅里叶变换、光谱辐射定标等一系列复杂的处理,目前国内外尚未有文献对干涉数据处理技术进行全面的分析,文章基于作者单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪的数据处理方法,结合环境与灾害卫星超光谱成像仪的数据,提出了一套有效的数据反演方法和流程,获得了很好的数据反演结果。

阿达玛变换光谱成像仪光谱混叠分析及修正

叙述了阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,对阿达玛编码模板引起的光谱混叠现象进行了分析研究.从理论上导出了光谱混叠公式,并提出了光谱修正方法,仿真实验结果表明该方法简单有效.修正后光谱图像的分辨率取决于偏离光轴最远处的码元对应的空间分量.

哈达码变换光谱成像仪数据复原算法

从哈达码变换光谱成像仪成像原理出发,对其光谱成像过程进行数学建模,分析了哈达码模板调制引起光谱信息混叠和空间信息混叠的原因,提出了一种根据光谱偏移量去除混叠的算法.采用自行研制的哈达码变换光谱成像仪进行了目标数据采集,用提出的去混叠算法对目标数据进行复原,得到目标的三维数据立方体,有效去除了空间信息混叠和光谱信息混叠,验证了算法的正确性.

哈达玛变换成像光谱仪中光谱混合像素点的解码方法

介绍了一种基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪的物理模型,由于DMD微镜单元尺寸与探测器像元尺寸不匹配或者其他一些在光学设计和系统集成中的误差,导致这种光谱仪中采集到的编码图像上部分像素点出现的一种光谱混合现象。描述和分析了这些光谱混合像素点的编码原理,分析表明:这种光谱混合像素点无法直接用哈达玛反变换解码。为了准确地解码这些光谱混合像素点,改善复原后光谱图像的质量,提出了一种针对这种光谱混合像素点的解码方法。首先向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,针对编码图像中的光谱混合像素点确定一个解码系数。然后将这个系数带入光谱混合像素点的编码方程,即可解码它的光谱元。实验结果证明该方法是可行的。

空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像仪

简要叙述了色散型阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,指出其存在空间信息与光谱信息的错位和光谱分辨率受阿达玛编码模板码元宽度制约的缺陷。提出空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像技术原理及仪器,利用横向剪切干涉仪获得所有阿达玛编码光信息在不同光程差处的干涉信号,对干涉谱进行傅里叶变换和阿达玛变换得到目标的光谱。理论分析表明,干涉图的调制度不受阿达玛模板形状、大小等因素的影响,光谱分辨率与阿达玛模板的尺寸无关,不但避免了色散型阿达玛变换光谱成像仪中空间信息和光谱信息的错位,而且高能量通过率、高空间分辨率和高光谱分辨率成像容易同时实现。

基于DMD的Hadamard编码模板改进设计与光谱数据修正方法研究

介绍了一种基于DMD的Hadamard变换成像光谱仪的物理模型。以7阶S矩阵为例进行论述,通过改进编码模板的设计方案,使所有色散光谱都能被严格编码为7段。提出了一种针对复原后光谱图像的修正方法,以7阶的S矩阵编码,最终可以获得6幅质量较高的光谱图像。如以n阶的S矩阵编码,最终可以获得n-1幅质量较高的光谱图像。实验结果证明了该方案的可行性和有效性。

哈达玛变换光谱仪混合像元解混方法研究

哈达玛变换光谱成像仪是一种采用多通道探测的数字变换光谱技术,介绍了基于数字微镜阵列器件(DMD)的哈达玛变换光谱仪工作原理与仪器结构,对成像传感器所获得的混合像元进行了分析研究,理论推导出了混叠像元的解混合方法,仿真实验结果表明该方法简单有效,对提高混合像元复原光谱精度超过10%。