卫星振动频率和振幅对高光谱成像质量影响的仿真分析和实验研究

在星载推扫式高光谱成像仪成像过程中,卫星平台以振动为典型形式的姿态运动会导致探测器上不同的地物信息相互混叠,引起高光谱图像质量的退化。为了更有效地抑制、校正与补偿卫星振动引入的成像误差,针对典型色散型推扫成像光谱仪受平台振动而产生的空间维、光谱维质量退化的机理进行仿真分析和实验研究。通过分析其曝光时间内的光谱混合过程,得到了地物光谱和卫星姿态之间的关系,建立了推扫光谱成像退化模型。该模型综合考虑了不同姿态振动模式的影响,只要给出每个时刻的卫星平台姿态参数,即可通过普适的系数矩阵计算得出每个混合像元的平均混合比,进而获得仿真的退化高光谱数据立方体。详细推导了平均混合比的一般表达形式,对振幅、频率等振动参数对光谱混合的影响分别进行了定量分析。以实际运动状态下拍摄获得的高光谱数据立方体为例,进行了退化仿真和地面模拟运动退化实验,并对退化前后的高光谱数据进行了评价。结果表明,退化仿真和实际退化效果吻合,平均混合比能够直接反映高光谱图像退化的程度;卫星振动造成高光谱图像空间维质量恶化,使不同地物目标的光谱发生了混叠;高光谱数据的退化程度主要由振幅决定,振动频率对退化的影响较小。     

卫星平台振动对色散型光谱仪光谱成像质量的影响分析

卫星平台振动导致色散型成像光谱仪在曝光过程中与地物产生相对运动,从而严重地影响了光谱数据质量.本文以PHI为色散型光谱仪模型,研究计算了俯仰角、侧滚角、偏航角以及三角综合按照卫星振动信号和不同振幅的[谐波振动对光谱数据的空间图像和光谱的影响程度,并且仿真出了各种振动下的畸变光谱数据立方体,得到卫星平台振动造成光谱数据畸...     

一种卫星平台振动光谱成像数据分块校正方法

卫星平台的振动会降低光谱成像数据的质量.以星载色散型成像光谱仪为例,介绍了其运动成像的退化机理.针对传统二维反卷积算法存在的问题以及推扫机理的特殊性,提出了一种光谱成像数据分块校正方法.该方法将分块处理、升维运算以及灰度渐变拼接相结合,将基于自然景物统计规律的图像去模糊算法运用于降质成像光谱数据的校正中.分别进行了不同目标的光谱成像退化校正仿真实验,实验结果表明,光谱成像数据质量在空间维和光谱维都有了明显提高,校正效果优于传统二维反卷积算法.     

干涉成像光谱仪受卫星振动影响的仿真与分析

在干涉成像光谱仪扫描过程中,卫星姿态的不稳定性将严重影响光谱成像质量。针对该问题,在分析干涉成像光谱仪光谱成像退化机理的基础上提出了一种微分动态成像仿真方法,以此来模拟光谱成像退化过程。并提出了平均掺杂比的概念,通过它建立起卫星姿态俯仰、侧滚和偏航的运动参数与其对光谱成像影响之间的桥梁,详细推导了这两者之间的定量关系。以环境资源卫星提供的遥感数据为例进行了退化仿真,结果表明平台振动不仅影响光谱成像的空间分辨率,更会带来光谱失真,且相邻像元光谱差异较大的区域影响较大。通过仿真数据分析,对卫星姿态稳定精度提出了要求,给出了必须重视振动影响并需要采取相应补偿措施的姿态稳定度条件。     

卫星平台高光谱复杂运动成像伪互相关退化仿真研究

针对具有推扫机制的狭缝体制成像光谱仪受卫星平台俯仰、侧滚、偏航等复杂运动的影响,导致光谱数据精度降低的问题,在成像光谱仪运动成像光谱微分动态成像退化仿真方法的基础上,提出基于点扩散矩阵的光谱退化理论。按照八邻域掺杂模型,考虑卫星平台运动的时变性,不同目标像元的点扩散矩阵不同,符合伪互相关运算的概念,因此提出运动成像的伪互相关光谱退化理论。其中,点扩散矩阵由星上POS数据运用微分像移理论计算八邻域掺杂像元的平均掺杂比得到,在用模拟POS数据曲线仿真计算点扩散矩阵时,发现依据掺杂影响的大小,点扩散矩阵可以简化以便减小运算量。明确阐述光谱运动成像的伪互相关退化理论的表述和计算方法,对退化仿真和计算的结果从图像维和光谱维分别进行了定性和定量的效果评价,并使用结构相似度参数展示了退化图像与原始图像的相似性。运动成像的伪互相关光谱退化理论完善了已有的基于卫星平台复杂运动的光谱数据退化问题,仿真结果表明此种退化理论完全适用于解决卫星平台复杂运动条件下的光谱数据退化问题。     

动态混沌扰动遗传算法的振动模糊高光谱图像复原

高光谱图像具有较高的光谱分辨率和空间分辨率,从而具备区分诊断地物光谱特性的能力,但是在获取高光谱图像时,经常会由于载荷平台的振动,导致光谱图像失真,严重影响光谱图像在应用中的精度和可信度。提出一种能够将振动模糊高光谱图像复原的动态混沌扰动遗传算法, 该算法对比于普通的遗传算法,不会出现过早收敛,能够较准确的恢复图像,提高光谱质量。根据振动模糊图像的退化原理,找到振动模糊图像与清晰图像之间的映射关系和振动模糊图像的点扩散函数。针对振动模糊图像退化的非线性和混沌系统特征,用tent映射生成混沌初始种群,增强遗传算法的全局搜索能力。对产生的优秀个体,用切比雪夫映射进行混沌扰动,对优秀个体混沌优化,以增强遗传算法自身局部搜索能力。将三维高光谱影像平铺为二维图像,利用相邻的光谱通道的图像相关性,对每一幅图像进行复原,从而实现三维高光谱数据的复原。在澳大利亚机载Hymap成像光谱仪所提供的数据立方体中,进行了两组不同的振动模糊光谱图像复原仿真验证。将所提出的方法与近期使用的光谱图像复原算法和遗传复原算法进行对比分析,图像采用无参评价方法灰度平均梯度GMG和拉普拉斯算子LS,有参评价方法信噪比SNR和峰值信噪比PSNR,光谱采用光谱信息散度SID和光谱梯度角SGA评价方法,发现各个评价指标均有大幅改善。与最新的光谱复原算法相比,SNR提高了60%,PSNR提高了10%,GMG提高了11%,LS提高了11%,SID降低了39%,SGA降低了5%。与原遗传算法相比,图像的SNR提高了51%,PSNR提高了12%,GMG提高了33%,LS提高了43%,SID降低了39%,SGA降低了16%。计算结果表明该方法对恢复振动模糊高光谱图像数据非常有效,不仅能提高单波段图像的清晰度,光谱数据立方体的光谱质量也明显提高。     

线振动对合成孔径激光雷达成像的影响分析

合成孔径激光雷达采用激光作为信号载波,通过孔径合成技术实现高分辨率成像。但是平台的振动会对激光雷达图像质量产生影响。针对平台线振动对合成孔径激光雷达影响进行了分析,通过对带有振动的合成孔径激光雷达瞬时斜距展开,可以将线振动的影响分为沿航线振动影响和垂直航线振动影响,其中沿航线振动对图像质量的影响可以忽略,而垂直航线的振动对图像质量影响敏感,会导致方位向散焦而无法成像。最后通过仿真验证了分析结果。     

基于光谱靶标的光学遥感器退化特性在轨评估方法研究

多光谱遥感器在轨运行期间,受化学分子污染、发射振动、宇宙辐射等因素的影响,其光谱响应特性会发生变化,使目标物理量的测量值产生偏差,且不能用辐射定标进行校正,影响数据产品序列的一致性。提出了一种基于光谱靶标的光谱响应退化特性在轨评估方法,通过建立响应函数退化模型,并利用光谱靶标反射率在检测波段内呈非线性变化的特性来实现对光谱响应函数退化情况的定量化评估。模拟仿真与外场实验结果初步验证了本文方法的有效性,该方法在提高辐射定标精度和优化遥感器设计等方面有重要意义。     

陆基高光谱成像用于核驱动模型测量与地物分类

高光谱成像是一种先进的图像获取技术，其在获得地物空间信息的同时还可以获得地物的光谱信息，得到“图谱合一”的三维图像数据。其光谱分辨率高，光谱曲线近似连续，可以有效探测用多光谱成像技术中无法探测的地物，在目标检测、地物分类与图像压缩等领域取得了广泛的应用。地物分类的分类结果是专题制图的基础数据，在军事、农业、地质等领域有重要地位了良好的效果。地物分类是指将图像中的像元赋予类别标签，即将同类地物赋予相同标签，不同类地物赋予不同标签。根据分类前是否已经获取目标的光谱信息，地物分类分为监督分类、半监督分类和无监督分类。然而，地物光谱受成像条件的影响较大，特别是陆基成像，不同成像条件的地物光谱会发生一定的改变，不再具有严格的唯一性，因此无法根据未知成像条件下的地物光谱数据进行准确分类。但是同种地物的散射系数(由特定算法获得的散射占比)具有唯一性，与成像条件或探测方向无关，不受二向反射特性的影响，只与地物类型及波长有关，是一种反映地物本质属性的物理量，因此可以作为地物的分类依据。基于陆基成像条件下测量了多种地物的散射系数，详细描述了散射系数的测量过程并且验证了核驱动模型的拟合能力。通过对比发现不同...     

推扫误差对计算光谱成像数据重构的影响分析

计算光谱成像技术利用计算方法改变传统成像方式,在光路中引入编码模板实现正变换,最后通过逆变换获得目标光谱数据立方体。介绍了一种推扫式编码孔径计算光谱成像仪的成像原理,在实际应用中,其推扫速度与帧频的匹配误差会影响光谱数据重构的准确性。在建立了推扫模型的基础上,得到了重构数据的误差项,分析了匹配误差对光谱数据重构的影响,并引入光谱二次导数误差和strehl比分别作为复原光谱和空间图像的评价参数,进行了数据仿真分析,结果表明,当一组完整数据的累积误差超过一个像元时,明暗变化剧烈的区域恢复结果比较差,而对比较均匀的区域影响不大;累计误差不超过0.5个像元时,各通道的strehl比均在0.9以上,并且光谱能量越低的通道strehl比越小,因此编码模板的行列数越多平台的稳定性要求越高。     

传感器光谱指标对植被光谱模拟精度的影响

高光谱卫星数据模拟是卫星遥感数据模拟的重点研究方向,基于星载多光谱数据和地物光谱先验知识是一种快速模拟高光谱数据的方法,但数据模拟精度受传感器光谱指标的限制。文章针对EO-1/ALI的可见光/近红外波长范围进行实验,研究了波段数量、半波宽度和波长位置等光谱指标与植被光谱模拟精度的关系,分析了两者之间的变化规律。研究表明,光谱指标决定了植被光谱特征提取,是影响光谱模拟精度的直接原因。文章总结了适于光谱重构模型的光谱参数范围,实验结果有利于提高植被光谱模拟精度。该结论可用于多光谱传感器的性能评价及其分光滤色结构的改进。     

光谱拟合矩阵投影-卡尔曼滤波法校正稀土基体对钙光谱干扰的研究

在高纯稀土ICP－AES分析中,稀土基体光 地痕量钙的光谱干扰是影响钙分析准确度的主要原因。本文提出光谱拟合矩阵投影－卡尔曼滤波来校正峰形简单的稀土基体峰对钙峰的光谱干扰,并把此法用于校正高纯稀土氧化铽和氧化镝对痕量钙的光谱干扰,取得了满意的结果。     

Image improvement based on sub-pixel post-integration for a staring imaging system in geostationary orbit

This paper proposes the post-integration technology based on sub-pixel image registration and image fusion to improve the signal-to-noise ratio （SNR） of remote sensing images without motion degradation caused by satellite vibration. A two-dimensional vibration system is set up to simulate satellite disturbance. Image sequences with different exposure times are captured using a high-speed CMOS camera. The displacement plots are compared with the motion data measured by the grating linear encoder. These plots indicate that the accuracy of the registration algorithm is better than 0.1 pixels. The sub-pixel image fusion shows an improvement in image quality, thus indicating that this technology is powerful for staring imaging systems in geostationary orbit.     

漂浮透明油品的紫外反射光谱特性研究

石油产品的庞大运输量增加了重大污染事故的风险,给生态安全带来了巨大威胁。其泄漏事故往往具有突发性、偶然性以及污染范围大等特点,传统的化学采样检测并不适用于现场的应急监测和定量预警。卫星遥感以及机载成像的发展为事故的检测提供了有效手段,但因为水面漂浮油品颜色特征不明显,多呈透明色,RGB相机下水和水面漂浮油品难以区分,严重影响成像监测效果。尝试从水与油品的光谱反射率特性的差异出发,寻找油品的特征波段,提高图像中水与油的对比度,以实现溢油监测。针对漂浮油品的光谱测量,已有研究选用的实验容器与环境条件与自然水体中的综合光学特征存在明显差异,难以为现场泄漏事故的监测提供相应的数据支持。为模拟实际的泄漏情景,在人工开阔湖面上使用地物光谱仪对汽油和二甲苯两类透明油品及类油化学品进行紫外可见反射光谱特性的测量探究。光谱测量结果显示,样品与水在各波段区间的光谱角余弦值均接近1,但光谱反射率差值在紫外波段明显大于其他波段,说明漂浮汽油与二甲苯这类透明油品与湖水的光谱反射率曲线形状差异基本一致,而幅值差异在紫外波段处最大。为进一步论证光谱特征分析结果,选择365,436,546以及700 nm四个紫外-可见波段的滤光片,对样品进行成像分析。成像分析结果显示,汽油与二甲苯两种漂浮透明油品与湖水在紫外波段处的图像总体灰度对比值与纹理特征差距明显高于其他可见光波段。因此,选用紫外波段进行水面漂浮油品的成像监测能有效提高油品与自然水面的成像对比度。该实验在自然光与湖面自然水体的条件下进行,极大程度地模拟了实际的透明油品泄漏污染情景,为透明油品及类油化学品机载遥感监测的波段优选提供了理论与数据支持。