基于电子倍增的高光谱成像链模型的系统信噪比分析

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

低照度成像组件的最小可分辨率对比度测量及其作用距离模拟

搭建了一套光电成像系统的最小可分辨对比度测试实验系统,并对MTV-1881-EX型低照度CCD和NOCTURN XL型超低照度CMOS成像系统的最小可分辨对比度进行了测量,分析了对应两款低照度成像组件在相同焦距、相同瞬时视场、相同视场条件下的作用距离,结果表明:1)超低照度CMOS成像组件具有更好的低照度成像质量;2)基于最小可分辨对比度的作用距离模型由于考虑了系统信噪比、调制传递函数和景物对比度等因素,可更有效地预测光电成像系统的作用距离;3)在相同瞬时视场或成像视场条件下,超低照度CMOS成像系统具有更佳的作用距离.本文方法对于拓展基于最小可分辨对比度的光电成像系统作用距离模型的应用具有重要的作用.     

临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。     

基于增加光电子积分时间的磁镜装置研究

阐述了提高微光成像系统低照度探测极限的本质是需保证成像系统对光信号足够的积累时间,从理论上指出降低CCD温度实现低照度探测的局限性和实现技术的复杂性后,提出在光阴极与光电子接收器(屏靶)之间耦合一个磁镜装置(即微通道电子瓶板结构)作为一种新的光电子接收器,即可有效保证图像信号的积分时间,提高成像系统的探测信噪比,达到拓展微光成像系统低照度探测极限的目的。论证了磁镜场的物理机理,并用计算机模拟显示出了预期的结果。该方案在常温下能实现当前微光成像系统低温探测灵敏度极限10-11lx的目标。     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

星载微光立体成像技术及实现

为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾,实现云的三维立体成像,对微光立体成像的关键技术进行了研究。首先,介绍了微光立体成像原理,分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。然后,介绍了实现微光探测需要解决的低照度成像技术及其实现方法。最后,针对观测目标照度变化较大的问题,提出了动态范围拓展技术,介绍了后期数据处理中的云雾监测技术。仿真计算结果表明：采用电子倍增CCD（EMCCD）探测器和推扫扫描成像模式、集成探测器组件以及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像,相机扫描幅宽超过2800km;高程分辨率〈817．7m。提出的成像技术可在低照度条件下监测低云大雾,获取高分辨率的三维立体云图,满足气象海洋探测的需求。     

基于四波段图像融合的彩色夜视方法研究

为了在低照度条件下获取目标的彩色图像,提高夜间对目标的识别能力,提出了基于四波段图像融合的彩色夜视方法.采用F-P滤光片设计出了透射中心在三基色光中心波长及近红外波段的四波段滤光片,在各个透射区域的平均透射率均达90%以上;将四波段滤光片设计成圆形滤色轮结构,用分光计测得了各波段滤光片的光谱透射性;对加入滤光片后的系统信噪比进行了分析和计算,分析结果表明加入滤光片不会引入噪声,计算结果表明加入蓝色、绿色、红色和近红外波段滤光片的成像系统的信噪比分别是原来单色微光夜视系统信噪比的19.59%、38.45%、47.28%和46.70%.借助国产超二代像增强器在微光实验室进行了四波段图像采集及彩色图像融合实验,实验时光照度分别为1×10~(-3)lx和1×10~(-1)lx,对获取的图像质量进行了评价.结果表明:在照度为1×10~(-3)lx时,融合的彩色图像在均值、方差和熵这三项指标上均优于过滤后的蓝色和绿色的单色图像,且由于彩色图像中利用了近红外图像进行增强,使得彩色图像亮度更高,颜色分辨性更好;在照度为1×10~(-1)lx时,融合后的彩色图像的信息熵比红、绿、蓝三种基色图像的大,彩色图像携带的信息量更大.本文的研究对彩色夜视成像系统的设计和研发具有借鉴和指导意义.     

光栅色散型成像光谱仪的偏振校正方法研究

光栅色散型成像光谱仪工作在可见近红外波段,主要用于海洋水色遥感。仪器采用推扫式成像,共设置15个光谱通道,穿轨方向由1024个像元组成,总视场宽度为14.2°。成像仪的各光谱通道对入射光的偏振状态敏感,为了提高大气顶入瞳辐射的测量精度,需要了解仪器的偏振响应特性,包括偏振灵敏度和相位角。发射前搭建了偏振测试系统,测量仪器的偏振灵敏度和相位角,它们是光谱通道和视场像元的函数。其中980nm波段的偏振灵敏度最高,平均值约为4.69%,443nm波段的偏振灵敏度最低,平均值约为1.81%。随着视场的变化,灵敏度呈现中间低,两边高的变化规律。提出成像仪偏振响应校正方法,利用偏振状态已知的入射光进行实验验证,结果表明该方法可将成像光谱仪偏振响应引入的辐射测量不确定度降低1%~6%。     

反射式TDICCD光学遥感器波段选择

光谱波段是光学遥感器设计中需要考虑的一个重要指标。首先对探测海洋目标的反射式TDICCD光学遥感器需要选择的光谱波段进行分析,应用LOWTRAN 7软件对0.4μm～1.0μm波段的大气透过率进行了计算,同时对典型的海洋目标（如船体）、海水的光谱反射率及其对比度进行分析,最后对遥感器的入瞳辐射亮度和信噪比进行了估算。计算结果表明：遥感器光谱波段选择0.5μm～0.9μm波段,在入瞳辐射亮度和信噪比等方面优于选择0.5μm～0.8μm波段。这一结论为实用系统的波段选择提供了依据。     

成像光谱偏振仪研究进展

成像光谱偏振仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器.介绍了成像光谱偏振仪的原理,对近些年来国内外成像光谱偏振仪的研究进展进行了总结,对基于声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝色散型、空间调制傅里叶变换型和层析型成像光谱仪的光路中添加偏振器件构成的成像光谱偏振仪的原...     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究

星载痕量气体差分吸收光谱仪是一种大视场天底观测方式的成像光谱仪,采用面阵CCD探测器。在成像光谱仪空间维的每列探测像元存在响应非均匀性,会在观测的遥感数据中引入仪器相关的高频光谱结构。星载痕量气体差分吸收光谱仪的像元响应非均匀性的校正需要考虑两个因素：光谱弯曲效应和大视场。基于此,提出来一种像元响应非均匀性校正方法。结果表明,光谱图像的光谱弯曲和像元响应的非均匀性得到了有效的校正,去除了光谱图像中的高频光谱结构。     

Study on the Non-Uniformity Calibration of Space-Born Differential Optical Absorption SpectrometerSCIEI北大核心CSCD

Space-borne differential optical absorption spectrometer is a nadir viewing wide field imaging spectrometer, which adopts two-dimensional CCD detector arrays. The pixel response non-uniformity exists in each column of spatial dimension, which will introduce high-frequency instrument-related spectral structures in the measurement data. However, the non-uniformity calibration of space-born imaging spectrometer is difficulty due to two factors: the spectral smile effect and the large field of view. For this reason, a method of non-uniformity calibration is discussed in detail. The result shows that the spectral smile effect and non-uniformity of full FOV image are corrected effectively, and high-frequency instrument-related structures in the measurement data are removed.     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000 nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5 μm,光谱分辨率可达2 nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5 s·B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11 μs·B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

Effects of electron multiplication on the CCD SNR in remote sensing application

A mathematical model describing the effect of electron multiplication (EM) gain on the detector signal to noise ratio (SNR) is presented, and then two types of experiment have been made to test their relationship. The experimental results of the radiometric calibration and imaging in practice both show that the initial EM gain amplification makes the most significant improvement on the EM charge coupled device (CCD) SNR, while as the gain factor continues to increase, the EMCCD SNR improvement will become negligible.