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。     

卫星平台复杂振动引起的光谱成像退化仿真研究

卫星平台不稳定性将严重影响光谱成像质量, 针对干涉型和色散型成像光谱仪受平台振动而产生的成像质量退化影响进行机理研究和仿真, 建立了两类成像光谱的退化模型. 提出的光谱微分动态成像退化仿真方法, 考虑了复杂振动的综合影响. 通过提出平均掺杂比的概念, 建立起卫星平台运动参数与光谱成像影响之间的桥梁, 详细推导了这两者间的定量关系. 并以典型光谱和模拟地物光谱为例进行了退化仿真, 退化结果表明平台振动中俯仰和侧滚的影响比偏航大, 而且不仅会影响空间分辨率, 还会带来光谱失真, 而影响较大的是地物种类较丰富的区域.     

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...     

嫦娥一号干涉成像光谱仪的定标

介绍了我国首次探月卫星的有效载荷之一Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪的定标.提出了"行"平场原理以及不同类型的光谱仪对比方法,分别用于相对定标与光谱辐射度绝对定标,取得了好的实验结果.检测了谱线位置不确定度、光谱分辨率及在轨光谱辐射度的相对不确定度.给出了探月卫星干涉成像光谱仪的定标及检测结果.首次采用干涉型成像光谱仪实现了对月的可见光/近红外宽谱段连续光谱探测.     

嫦娥一号干涉成像光谱仪的定标

介绍了我国首次探月卫星的有效载荷之一Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪的定标.提出了“行”平场原理以及不同类型的光谱仪对比方法,分别用于相对定标与光谱辐射度绝对定标,取得了好的实验结果.检测了谱线位置不确定度、光谱分辨率及在轨光谱辐射度的相对不确定度.给出了探月卫星干涉成像光谱仪的定标及检测结果.首次采用干涉型成像光谱仪实现了对月的可见光/近红外宽谱段连续光谱探测.     

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。     

时空联合调制型空间外差干涉成像仪运动误差评估与校正

时空联合调制型空间外差干涉成像光谱仪(TS-SHIS)在对目标推扫成像过程中,指向镜推扫误差、指向镜定位误差或卫星运动平台振动等会引起目标对应像点(x′,y′)偏离理想位置(x,y),导致其与相邻的若干空间分辨单元之间存在光谱掺杂现象,进而影响干涉数据重构及复原光谱精度。基于TS-SHIS机理,针对运动误差引起的目标光谱线性混叠、不同程度的地表反射率差异对复原光谱精度的影响等问题进行了分析;建立了以相邻目标掺杂比、地表反射率差异为变量的混合目标干涉函数关系。依据MODIS卫星载荷观测数据,对中国地区不同空间分辨率地表反射率差异进行了分析;以相对光谱二次误差为评价函数,讨论了典型高轨平台姿态参数对不同空间分辨率目标复原光谱精度的影响,该研究为下一代高轨、高时空分辨温室气体探测技术提供技术基础。     

外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.     

干涉成像光谱仪技术的新发展

综述了成像光谱仪的发展过程以及空间调制干涉成像光谱仪技术的新原理、新技术、新发展。对干涉成像光谱技术的原理进行了论述 ,分析了Sagnac型和偏振型干涉成像光谱仪的分光机理和成像原理。提出了未来光谱仪技术的发展方向。     

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。     

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.     

利用QuickBird数据进行热红外遥感成像模拟的研究

针对基于机载热像仪图像或随机产生仿真场景的早期热红外成像模拟系统,提出了对高分辨率QuickBird图像进行星载热红外成像模拟的方法。基于高分辨率QuickBird图像,采用ISODATA法进行非监督分类,得到土地分类专题图,通过地物光谱数据库获得场景地物温度及发射率,从而可获得地面辐亮度图像;利用大气辐射传输软件MODTRAN对其进行大气修正,结合卫星遥感器辐射定标系数,最终可得到卫星遥感器输出图像。仿真结果表明,利用QuickBird进行热红外遥感成像模拟是一种全新而有益的尝试,对伪装效果检验等具有一定的参考价值。     

Spectral calibration in spectral domain optical coherence tomography

A novel spectral calibration method is developed for spectral domain optical coherence tomography system. The method is based on two measurements of interference spectra from two reference mirror positions. It removes the influence of dispersion mismatch, and hence accurately determines the spectral distribution on the line-scan charge-coupled device (CCD) for sequent precise interpolation. High quality imaging can be realized with this method. Elimination of the degradation effect caused by dispersion mismatch is verified experimentally, and improved two-dimensional (2D) imaging of fresh orange pulp based on the proposed spectral calibration method is demonstrated.     

近高超声速高温蓝宝石窗口下中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验

本文基于高温红外窗口热辐射红外成像探测器干扰机理,开展高温红外窗口成像分析、仿真与实验验证研究工作. 根据流体仿真计算获得的高温窗口温度及实验测得的窗口发射率、吸收率等参数,开展窗口热辐射计算;建立了光学窗口介质内部辐射传输路径和强度计算模型,并给出了窗口辐射出射模型以及相应红外成像模型;基于光学追迹方法,把窗口热辐射成像的计算问题转换成了光学计算问题;设计了一种基于高温蓝宝石红外窗口的加热实验,对红外成像仿真结果进行了检验. 通过仿真结果与窗口加热实验结果对照,将基于模型分析获取图像与实验结果图像作差,得到的平均每个像素误差值为0.45;实验发现在窗口约773 K条件下,设计的中波红外成像系统的信噪比、对比度分别降低到原来三分之一左右,而整个红外成像系统NETD值由原来的约52 mK上升到了954 mK. 本文提出的窗口热辐射分析方法可以有效估计窗口热辐射对中波红外成像的影响,设计的实验对成像系统的指标验证有较好的用途,同时对红外成像系统波段细化优选和成像参数调整,降低图像退化程度,都有着重要的指导意义. 关键词： 近高超声速 高温蓝宝石窗口 气动效应 仿真与实验     

量子点光谱成像技术与重建仿真

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求,克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、成本高的不足,提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前,利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制,使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型,采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、能量利用率高、体积小、光谱范围宽和成本低等优势。分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响,以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。分析得出谱段间隔越低,光谱分辨率越高;重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低;适当的提高谱段间隔,可以提高重建的准确性。将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比,可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好,验证了该技术的可行性。量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径,在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。     

微光凝视成像曝光自适应研究

为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像,设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系,利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算,分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后,利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明,卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时,对应的成像曝光时间分别为18ms和55.2ms,通过对微光成像的目标点进行分析,曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元,此偏差对成像质量影响较小,成像影像的信噪比高.     

普朗克权重订正对风云卫星快速正演精度的改进

本文在逐线积分(LBL)计算卷积大气透过率的基础上,建立了统一框架的快速透过率回归算法用于卫星红外传感器通道辐射快速正演的实现.通过分别对风云二号自旋扫描辐射计VISSR/FY-2F和风云三号红外分光计IRAS/FY-3B的红外通道进行正演,并与LBL积分的通道亮温进行对比分析.结果表明,快速正演模型在窗区红外通道亮温的标准差(STD)远大于垂直探测通道的正演,随着通道探测高度降低,正演偏差随之增大;并且,全部通道正演的STD最大值小于0.4 K.本文还讨论了在卷积通道透过率时引入普朗克函数作为权重因子以改进红外通道的快速正演精度.提出以2350 cm-1与通道光谱响应曲线的相交作为应用启动普朗克订正的必要条件.试验结果表明:普朗克权重订正可以使快速正演模型的精度提高约25%以上,这个订正仅对通道光谱响应与2350 cm-1相交的通道有效,当通道光谱响应与2350 cm-1不相交,普朗克订正效果明显下降.试验还表明,普朗克订正的效果不仅对宽光谱的成像通道有效,对窄光谱垂直探测通道的正演精度改进同样明显.