机械快门对大面阵滤光片型多光谱相机成像的影响及改进

分析了大面阵滤光片型多光谱相机所用机械快门曝光时间波动对其光谱图像获取及处理造成的影响。通过对现有机械快门结构及驱动方法的研究,分析了造成该类机械快门稳定性差的原因,并提出了一种先进的机械传动方式和电路驱动方法。通过室内试验数据计算,该方案将两次曝光间的最大变化率从15.05%降低到0.96%,极大提高了曝光时间稳定性;通过外场推扫成像试验及数据处理,证明快门改进后多光谱相机所得彩色影像更接近真实目标,且无明显色彩突变。这对实际应用中多光谱相机数据处理结果的判读和目标识别具有重要意义。     

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。     

基于液晶可调谐滤光片的便携式多光谱成像仪

选用商品化照相机镜头、液晶可调谐滤光片和单色面阵CCD相机,将液晶可调谐滤光片置于由镜头和CCD相机组成的照相光路中构成便携式多光谱成像仪。该多光谱成像仪能够在被动和主动光源下进行多光谱图像数据采集,工作波长范围是400～720 nm,光谱分辨率为10 nm。建立了多光谱成像仪系统多光谱图像采集数值模型,分析了误差源,为系统定标提供了理论依据。在自然光照条件下进行了盆景植物的多光谱图像采集试验,重建出多光谱数据立方体,绘制了典型目标点的光谱曲线。     

基于LCTF的便携式多光谱成像仪

选用商品化照相机镜头、液晶可调谐滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）和单色面阵CCD相机,将LCTF置于由镜头和CCD相机组成的照相光路中构成便携式多光谱成像仪,该多光谱成像仪能够在被动和主动光源下进行多光谱图像数据采集,工作波长范围是400-720nm,光谱分辨率为10nm,建立了多光谱成像仪系统多光谱图像采集数值模型,分析了误差源,为系统定标提供了理论依据。最后在自然光照条件下进行了盆景植物的多光谱图像采集试验,重建出多光谱数据立方体,绘制了典型目标点的光谱曲线。     

超光谱成像仪图像均匀性校正

为获得高质量新型超光谱成像仪图像,根据新型超光谱成像仪图像特点,对其图像均匀性校正进行研究。利用转台旋转模拟超光谱成像仪对地面推扫,对景物成像获得超光谱成像仪三维数据;采用太阳作为新型超光谱成像仪图像均匀性校正光源,应用相应校正系数对超光谱成像仪的数据进行处理。结果表明：所采用校正方法对新型超光谱成像仪具有很好校正效果,同时也验证了新型成像光谱仪具有较高成像质量;单像元校正时间为2×10-6s,大数据量图像校正需较长时间;利用太阳照射漫反射板作为扩展源对亮度均匀物体图像进行校正,校正均匀性小于4%。     

基于Savitzky-Golay加权拟合的红外图像非均匀性条带校正方法

针对红外成像探测器单元响应不一致等因素导致的图像非均匀性条带问题, 提出了基于直方图加权和Savitzky-Golay拟合的非均匀性条带校正方法。首先, 计算每列的归一化直方图函数并将其作为权值对图像进行加权运算;然后, 利用Savitzky-Golay滤波器对加权后的图像列均值和列方差进行拟合, 并将结果带入校正公式, 通过可调参数的迭代完成校正。实验结果表明:该方法能有效地去除非均匀性条带, 保留图像的光谱辐射信息和纹理细节, 各项评价指标均提高10%。     

轻小型无人机高光谱影像拼接研究

轻小型、低成本无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)机载光谱成像仪的快速发展为水质监测、精准农业提供了新的手段。ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪是国产仪器,拥有自主产权,影像共有270个波段,光谱范围为400～1 000 nm,光谱分辨率为3 nm,空间分辨率为0.9 m@1 km,成像方式为运动推扫成像,该成像仪的特点是影像之间不存在航向重叠,只存在旁向重叠。它在提供高光谱、高空间分辨率影像的同时也存在着一系列问题：①无人机的狭窄视场限制了每条航带的地面覆盖范围,需要进行航带拼接;②其自带的POS系统定位精度低;③为提高作业效率,航带间的重叠率较低,一般设置在30%左右,为影像拼接增加了困难;④因飞行时受风力、光照以及仪器自身等影响使得每条航带间存在亮度差异,拼接时会出现拼接缝现象。针对上述问题提出一种基于曲面样条函数和相位相关的无人机高光谱影像拼接方法,旨在将无人机拍摄的单条高光谱航带拼接成一幅完整的带有地理坐标的全景图,并实现影像几何和光谱上的匹配。该方法包括以下几个步骤：首先,以正射影像为基准采用曲面样条函数法对高光谱航带进行地理配准,赋予每条航带真实的地理坐标;然后采用局部方差法计算各波段信噪比,取分值最高的波段作为最优波段;再利用该最优波段采用基于2幂子图像的相位相关算法来纠正航带间已经存在的地理空间映射关系,消除航带间存在的错位;最后选用加权平均融合法对相邻航带进行融合,消除航带拼接时因光照、仪器自身等影响所产生的拼接线问题,最终得到带有绝对地理坐标的高光谱全景图。实验使用ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪获取大理某地区的高光谱数据进行拼接,结果表明,该拼接方法得到的全景图拼接处没有错位现象,几何位置准确。选取4种典型地物拼接前后的光谱曲线,其曲线走向基本一致,计算拼接影像与拼接前左右影像的光谱角余弦均值为0.965 2,光谱相关系数均值为0.863 2,光谱信息散度均值为0.424 0,欧式距离均值为0.494 1,四种光谱曲线相似性测度指标客观上显示了曲线的高度相似性,表明拼接前后同名点的光谱匹配度高,适用于无人机高光谱数据的拼接。该方法不仅提高了拼接影像的地理坐标精度,还在消除拼接缝的基础上最大限度的保证了光谱的保真性,并通过引入2幂子图像解决了影像在重叠度低的情况下配准算法失效的问题。但拼接前相邻航带同名点间存在光谱差异,且高光谱数据量大,拼接耗时多,如何利用重叠区域的像素修正系统误差,统一拼接图像的度量空间以提升光谱精度和稳定性并提高拼接速度仍是今后需要解决的问题。     

推扫型干涉成像光谱仪去除条带非均匀性的方法

分析了推扫型干涉成像光谱仪的结构特点和工作原理,指出了由于加工误差导致入射狭缝的宽度不均匀,使干涉图像沿狭缝方向存在亮度差异,复原后的光谱立方体图像上出现平行于推扫方向的非均匀性条带,影响了光谱立方体的图像质量和光谱精确度.采取校正系数法去除条带,讨论了获取校正系数的方法,并使用仪器的定标干涉数据提取成像面上沿狭缝方向的不均匀特性,获得了校正系数,对干涉图像进行处理以消除条带.结果表明:校正系数法能够去除大部分条带.根据处理后残余条带的情况,在没有在轨定标数据的情况下,使用均匀景物的光谱立方体数据提取不均匀特性,修改了校正系数,有效地消除了残余条带.     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标EI北大核心CSCD

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

光学拼接焦平面空间相机的相对辐射定标

为了提高光学拼接焦平面空间相机的成像性能和图像质量,开展了空间相机研制全过程的辐射定标技术研究,包括辐射响应性能分析、图像传感器的辐射定标及筛选、焦平面辐射定标、系统级辐射定标以及辐射定标数据应用等,并对具有反射镜光学拼接焦平面的空间相机进行了辐射定标实验。结果表明,利用相对辐射校正系数对图像校正,可以有效消除渐晕,图像的非均匀性由14.1%降至0.4%,图像质量明显提升;图像传感器的筛选以及焦平面组件的辐射定标,减少了图像传感器之间的辐射响应差异,相对定标不确定度小于1.0%。     

多点分段单步校正法在接触式图像传感器扫描仪上的实现

提出了一种接触式图像传感器(CIS)扫描仪非均匀校正的新方法,能够快速高效地完成对CIS扫描仪彩色图像的非均匀校正,消除了CIS的颜色差异。采用多点分段单步法进行标定,采用现场可编程门阵列实现校正,并最终得到颜色均匀的彩色图像。对于分辨率高达1200dpi的CIS扫描仪,采集一次样板纸完成全部颜色空间的分段标定,图像传输的同时完成校正,校正过程仅耗时0.125μs。实际应用效果显示校正后R,G,B三个通道的像素误差控制在5个像素以内,相比校正前图像均匀性提升10倍左右,比传统两点法提升3倍左右,且明显改善图像颜色突变、暗淡以及随机条纹等问题。     

一种多视点视频自动颜色校正系统

针对多视点视频系统中视点间图像颜色不一致的问题,提出了一种多视点视频自动颜色校正系统。通过求取目标图像和源图像间的颜色校正矩阵,判断其是否满足全局校正的要求;对不满足要求的图像,通过图像分割和K-L变换(Karhunen-Loeve transform),建立起目标图像和源图像中各分割区域间的局部映射关系,并通过感兴趣区域匹配,来实现对源图像的校正,最后通过视频跟踪技术实现对视频图像的校正。以标准的多视点测试图像集为例,通过将新方法与直方图匹配、全局一维线性校正算法等进行比较,表明新方法能消除匹配失真的影响,且具有较好的颜色校正效果。研究结果表明该系统可以很好地揭示图像间的颜色变化关系,并且具有很好的内容自适应性,是一种有效的多视点视频图像系统颜色校正方法。     

大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究

为了实现大口径积分球光源高精度绝对辐射定标，研究了基于钨带灯比对的光谱辐射亮度定标方法，通过同心圆扫描分析了空间光谱辐射均匀性定标方法，研制了绝对辐射定标装置，校准了出光口径为Ф300 mm积分球光源的光谱辐射亮度、亮度、色温值，实验验证光谱辐射亮度绝对定标的不确定度优于4%。     

X射线皮秒变象管分幅相机研究

本文介绍了我们提出的一种新的实现皮秒分幅摄影的技术方案,其优点是对控制线路要求不高,给出了用计算机对此方案进行数值模拟的结果和新设计的用于这种分幅方案的变象管特性,用直流X射线源测出该变象管的静态空间分辨率为20lp/mm。用激光打靶产生的脉冲X射线测量了相机动态特性,已得到了四幅动态像,每幅曝光时间150ps,空间分辨率3lp/mm。     

彩色视觉装置的颜色校正对比实验研究

鉴于利用彩色视觉装置进行在线测量是颜色测量在工业应用发展的趋势,而光源的光谱分布和相机响应函数与人眼的光谱响应曲线的不一致会严重影响测量的精确性,在人工D65光源和LED阵列光源照明下,利用相同的工业相机获取校正图片,采用多项式回归方法在与设备无关空间sRGB和CIEL*a*b*空间进行校正。实验结果显示在校正前平均色差分别为27.68E和16.09E,人工D65光源照明下获取的图片色差较小,校正后不同光源下获取图片的色度趋于一致,分别为2.56E和2.39E。采用sRGB颜色空间,在校正精度、校正步骤、图片显示等方面都要优于CIEL*a*b*空间。以一幅拍摄的实际图片校正为例,显示了色度校正对彩色装置的重要性。     

图像平场校正方法的扩展应用研究

对于图像阵列探测器而言,由于各像元响应的不一致使得所获图像中各像元灰度存在差异（响应的非均性现象）,而图像的平场校正可以非常有效地消除图像中各像元响应的不一致性.如果将图像背景或光路中影响成像的一些因素在一定程度上看作是图像探测器的响应,认为它是响应非均匀的组成部分,根据平场校正的原理对其进行处理,则可以获得较好的效果.     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

基于固定校正板和透镜阵列的机载共形窗口像差校正

为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。     

目标光源差异对阵列式光谱辐射计测量的影响及紫外杂散辐射修正研究

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题,空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题,导致杂散辐射,严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性,考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响,分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。首先,利用不同光谱透过率的带通滤光片,测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。针对杂散辐射分布特点,建立数学修正模型,实现高效快捷的杂散辐射修正。地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后,紫外杂散辐射信号显著降低。对于连续分布的宽谱段光源,带通滤光片修正法具有实验简便易行、测试过程高效等优点。然而,实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。为此,建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统,解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。改变可调谐激光器的输出波长,精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数,再推导出杂散辐射信号分布函数,通过MATLAB软件将矩阵反演运算,得到各像素点的杂散辐射修正结果,实现杂散辐射的高精度修正。利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法,对于非连续分布的窄带光源,测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级,并且谱线两边的杂散宽峰显著消除,大幅降低了紫外波段的测量偏差。针对不同光谱分布的光源,建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法,有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差,进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。