干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正研究

在阐述一般成像系统中CCD象元响应非均匀性校正的原理与算法的基础上,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题.     

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正技术

通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,给出了探测器非均匀性大小对干涉图校正及光谱复原精度影响的定量关系,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题。在此基础上,提出了一种在仪器组装完成之后再进行定标及非均匀性校正的改进新方案,该方法省时省力省资金,不仅可以校正CCD本身的非均匀性,而且可校正干涉成像光谱仪系统其他原因引起的非均匀性,且定标数据也能根据系统工作环境变化而重新标定,能更有效地提高整个光谱仪系统非均匀性的校正精度。     

多通道宽响应域TDI CCD成像系统的非均匀性校正

针对时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)成像系统多通道间存在响应非均匀问题,开展了基于辐射定标的校正方法研究。结合成像系统的信号处理流程,推导了响应非均匀性校正的理论模型,提出了一种基于加权最小二乘的定标校正方法,分别在1/4、1/2和3/4饱和响应处采集三组图像数据,并利用高斯加权函数对三组通道间的校正参数进行加权最小二乘拟合,从而获得优化的校正参数。利用TDI CCD成像系统进行实验验证,结果表明,系统的响应非均匀性(1/2饱和响应处)由原来的4.09%降低至0.85%,并优于两点校正法的1.93%,同时该方法在宽响应域内均获得了良好的校正效果,具有精度高、实用性强等特点,可应用于机载、星载等相机载荷,为获取高质量的遥感图像数据奠定技术基础。     

CCD成像电子学单元光电参量测试系统

针对空间光学相机重要组成部分的CCD成像电子学单元的光电参量测试需求,介绍了CCD成像电子学单元光电参量测试必要性,提出了对CCD成像电子学单元光电参量进行系统测试的试验方案,并设计、研制了测试装置。对于该装置进行了系统调试与标定,得到单色仪波长定标系数为1.003 29,并对CCD成像电子学单元辐射性能测试中积分球的稳定性及均匀性进行了测试,测试结果满足要求。通过标准探测器标定待测探测器,得到待测探测器的相对光谱响应度。整套装置满足测试要求。     

模拟增益对电荷耦合器件信噪比与动态范围影响的实验研究

电荷耦合器件(CCD)是遥感成像系统的核心部件,为了在低照度、低量化位数的情况下获得高信噪比与大动态范围的遥感图像,首先根据CCD的结构与噪声物理性质给出了模拟增益、量化位数与CCD信噪比的关系,接着搭建了CCD的积分球标定系统,依据实验数据建立了散粒噪声、光子响应非均匀性噪声以及基底噪声的数学模型,然后着重分析了低照度情况下模拟增益与信噪比之间的关系,最后搭建了实际成像系统,获取了低照度情况下不同模拟增益系数的遥感图像.结果表明理论分析、实验室积分球标定数据与实际成像图像符合良好,即模拟增益提高1至2倍 关键词： 电荷耦合器件 模拟增益 信噪比 遥感成像系统     

TDICCD相机的卫星姿态稳定度确定

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题,提高TDI CCD相机成像质量,分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性,推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式,得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导,结果显示：轨道高度越高,积分级数越大,对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明：轨道高度在200～1000 km变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.0377 rad/s提升至0.00635 rad/s;TDI CCD 相机的积分级数在1～100间变化时,对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.00014 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系,有助于TDI CCD成像质量的提升。     

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。     

星载痕量气体差分吸收光谱仪非均匀性校正研究（英文）

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。     

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。     

大孔径静态干涉成像光谱仪曝光时间控制技术

为了克服不带电子快门的CCD成像探测器曝光时间无法控制的问题,提出了改变驱动时序的设计方法.在帧频确定的情况下,通过在水平读出之后增加电荷释放状态,将一帧之内多余时间段的电荷迅速排放掉,可以有效地控制CCD曝光时间,并克服CCD最小曝光时间为水平读出时间的问题.实验结果表明,大孔径静态成像光谱仪系统的抗饱和性能得到了很好的改善且此方法的非线性度为4.61%.     

TDICCD拼接相机的像元响应非均匀性校正方法

为了解决光学TDICCD成像系统在拼接模式下的像元响应非均匀性问题,研究了TDICCD像元校正的原理和实现方法。提出了视频处理器在不同增益、不同偏置和TDICCD在不同积分时间下进行像元校正的方法,设计了在现场可编程门阵列（FPGA）平台下进行了程序实现和验证的方法。实验数据分析表明：成像系统单片TDICCD的非均匀性由4.72%降低到0.27%,恶劣环境下TDICCD成像系统的图像非均匀性可以降低2.55%。该像元级校正算法简单,可靠性高,能够满足星上成像的要求;在不同的增益、偏置和积分时间下能够很好地解决TDICCD成像系统的像元响应非均匀性问题。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

Noise analysis and measurement of time delay and integration charge coupled device

Time delay and integration (TDI) charge coupled device (CCD) noise sets a fundamental limit on image sensor performance,especially under low illumination in remote sensing applications.After introducing the complete sources of CCD noise,we study the effects of TDI operation mode on noise,and the relationship between different types of noise and number of the TDI stage.Then we propose a new technique to identify and measure sources of TDI CCD noise employing mathematical statistics theory,where theoretical analysis shows that noise estimated formulation converges well.Finally,we establish a testing platform to carry out experiments,and a standard TDI CCD is calibrated by using the proposed method.The experimental results show that the noise analysis and measurement methods presented in this paper are useful for modeling TDI CCDs.     

An image compression method for space multispectral time delay and integration charge coupled device camera

Multispectral time delay and integration charge coupled device （TDICCD） image compression requires a low- complexity encoder because it is usually completed on board where the energy and memory are limited. The Consultative Committee for Space Data Systems （CCSDS） has proposed an image data compression （CCSDS-IDC） algorithm which is so far most widely implemented in hardware. However, it cannot reduce spectral redundancy in mukispectral images. In this paper, we propose a low-complexity improved CCSDS-IDC （ICCSDS-IDC）-based distributed source coding （DSC） scheme for multispectral TDICCD image consisting of a few bands. Our scheme is based on an ICCSDS-IDC approach that uses a bit plane extractor to parse the differences in the original image and its wavelet transformed coefficient. The output of bit plane extractor will be encoded by a first order entropy coder. Low-density parity-check-based Slepian-Wolf （SW） coder is adopted to implement the DSC strategy. Experimental results on space multispectral TDICCD images show that the proposed scheme significantly outperforms the CCSDS-IDC-based coder in each band.     

TDICCD调制传递函数检测及评价方法研究

MTF是评价TDICCD成像质量的重要参数 ,基于对影响TDICCD成像质量诸多因素的考虑 ,提出TDICCD的MTF检测及评价方法 ,并对这种方法进行了理论分析 ,理论分析与实验结果相吻合。在检测过程中 ,采用局部视场扫描测量方法 ,测量 96级TDICCD的MTF。     

Temporal dynamics of pitch strength in regular interval noises.

The pitch strength of rippled noise and iterated rippled noise has recently been fitted by an exponential function of the height of the first peak in the normalized autocorrelation function [Yost, J. Acoust. Soc. Am. 100, 3329-3335 (1996)]. The current study compares the pitch strengths and autocorrelation functions of rippled noise (RN) and another regular-interval noise, "AABB." RN is generated by delaying a copy of a noise sample and adding it to the undelayed version. AABB with the same pitch is generated by taking a sample of noise (A) with the same duration as the RN delay and repeating it to produce AA, and then concatenating many of these once-repeated sequences to produce AABBCCDD.... The height of the first peak (h1) in the normalized autocorrelation function of AABB is 0.5, identical to that of RN. The current experiments show the following: (1) AABB and RN can be discriminated when the pitch is less than about 250 Hz. (2) For these low pitches, the pitch strength of AABB is greater than that for RN whereas it is about the same for pitches above 250 Hz. (3) When RN is replaced by iterated rippled noise (IRN) adjusted to match the pitch strength of AABB, the two are no longer discriminable. The pitch-strength difference between AABB and RN below 250 Hz is explained in terms of a three-stage, running-autocorrelation model. It is suggested that temporal integration of pitch information is achieved in two stages separated by a nonlinearity. The first integration stage is implemented as running autocorrelation with a time constant of 1.5 ms. The second model stage is a nonlinear transformation. In the third model stage, the output of the nonlinear transformation is long-term averaged (second integration stage) to provide a measure of pitch strength. The model provides an excellent fit to the pitch-strength matching data over a wide range of pitches.     

TDI CCD像元响应不一致性校正算法

线阵TDI CCD遥感相机的不一致性校正对获取高质量的图像来说具有重要意义。主要对TDI CCD像元响应不一致性的校正算法及其硬件实现进行了深入的研究。对CCD的噪声特性进行了详细的分析,给出了像元响应不一致性(PRNU:Pixel-response non-uniformity)的退化模型及校正算法,并对其计算精度进行了分析,在硬件电路上对校正算法进行了验证,详细分析了影响校正效果的各种因素。实测结果表明,校正后图像的信噪比得到显著提高。     

实现空间高分辨成像的数字域时间延迟积分CMOS相机设计及分析

为使具有诸多优点的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器更适合空间高分辨成像,寻求空间高分成像的新型技术,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域时间延迟积分(TDI)算法。同时研究数字域TDICMOS相机成像质量,详细分析了其噪声来源和特性,并建立了数字域积分图像信噪比(SNR)与积分级数的关系模型,讨论了积分时间和光照度对SNR的影响。最后利用设计的IBIS5-B-1300卷帘数字域TDI CMOS原理样机开展验证实验。实验结果表明本文算法能明显提高成像质量,数字域10级积分图像SNR由未积分的19.07dB提高至29.21dB,而且级数越大,SNR越大。理论分析和实验验证均表明M级卷帘数字域TDI可使图像SNR提高M(σAD+σCMOS)/(MσAD+槡MσCMOS)倍,其中σAD和σCMOS与选择的CMOS传感器有关,另外σCMOS还受积分时间和光照度的影响。     

颤振对TDICCD相机像质的影响分析

为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.