编码孔径成像光谱仪光学放大率误差影响分析

编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术,在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码,结合特殊的采样成像方式,获得满足景物重构的采样数据量,实现了空间信息和光谱信息的高精度重构,具有高光通量、高信噪比等优势。该技术在实现过程中,通常要求一次像面与最终探测器像面间满足既定的尺寸比例,但在实际的光学系统加工和装调过程中,由于加工和装调误差的存在,使得光学放大率与设计值间存在偏差,从而降低了编码图谱的采样精度,导致最终重构图谱质量降低。通过仿真不同光学放大率下编码模板的可逆范围及重构图像质量的分析,给出了图像质量与系统光学放大率之间的曲线关系,为编码孔径光谱成像仪的设计和研制提供了参考依据。     

连续推扫计算光谱成像技术

计算光谱成像技术具有高通量、快照成像等优点,但快照成像采样数据量不足,导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究,提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术,利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径,通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。仿真和实际成像结果表明,连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响,理论上可完全重构图谱信息,重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术,连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置,也不需要凝视成像,系统中没有活动元件,稳定性高,适用于常规航空航天遥感推扫成像。     

静态计算光谱成像仪图谱反演的关键数据处理技术

静态计算光谱成像技术中图谱反演环节是实现其理论优势极为关键的一步, 是决定最终获得图谱质量优劣的数据处理技术. 本文为此专注于计算光谱的图谱反演环节,对图像压缩感知理论算法、图像重构算法、 以及针对图谱三维数据的反演算法都开展了深入的研究和比较, 并结合所研制系统的图谱数据传输全链路和工程研制过程中误差等因素进行全面详尽的仿真验证, 给出各种图谱反演算法验证、分析结果. 指出静态计算光谱成像系统研制中图谱反演环节的关键数据处理问题,适合采用的算法及其优化路线. 为顺利研制静态计算光谱成像仪,保证其理论优势的实现,提供了详实的分析、参考依据. 关键词： 计算光谱 编码孔径 压缩感知 图谱反演     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

单色散压缩编码光谱成像系统研究

随着光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展, 传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题,同时,系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、大口径长焦距系统难于精密装调、系统能量受限引起信噪比提高困难。为了解决上述问题,研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统, 并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题,重点研究了该新系统的设计与实现,模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法,并给出实际样机试验及数据处理结果。最后,根据试验情况,总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容,包括编码模板误差分析,多维稀疏重构模型与算法,压缩编码光谱成像系统标定技术,重构算法/重构图谱评价技术。单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、色散、甚至下采样,由探测器接收得到成像观测图像,然后,利用该成像数据,通过重构算法,得到目标光谱图像数据,其优点是低数据量采样、工程实现硬件要求减低、多通道高通量探测。相关研究结果表明,该系统获取的数据有效,样机设计合理,重构算法与标定方法较为准确,其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰,光谱信息较为准确,符合钨灯光谱,其系统设计与实现具有工程可行性。     

星载多角度偏振成像仪光学系统设计

星载多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式低畸变成像的偏振传感器。介绍了多角度偏振成像仪的基本工作原理,从保证偏振测量精度和大视场成像质量要求出发,分析了光学系统的设计难点及光学系统的结构型式,最终采用了反远距型像方远心光路结构。根据光路结构的像差特点,采用非球面镜校正畸变及像散,改善像面照度的均匀性,依据这样的思路,运用光学设计软件对多角度偏振成像仪的光学系统进行了光线追迹和优化,其工作光谱范围为420~930 nm,全视场角为118.74°,焦距为4.833 mm,相对孔径为1:4,并对设计系统进行了像质评价,结果表明,光学系统的传递函数在全视场大于0.5@22.22 lp/mm,最大畸变为0.9669%,像面相对照度均匀性高于97%,经过光学系统的加工制造装调,成像质量满足实际任务要求。     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

基于波像差检测的大口径RC光学系统装调分析

通过对520 mm口径RC系统进行面形波像差检测,并将其主、次镜各光学零件实际面形的干涉检测结果输入Code V软件进行了系统成像质量的波像差分析.分析结果与实际系统装调完成后的系统成像质量波像差检测结果对比,具有高度的一致性,说明在计算机辅助装调工艺中应用该仿真工具仿真度高,可以用于实际光学装调的仿真分析、指导光学装调.     

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。     

推扫式光电成像系统调制传递函数测试装置的设计

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 m,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。     

Incoherent digital holographic spectral imaging with high accuracy of image pixel registration

Fresnel incoherent correlation holography(FINCH) is a unique three-dimensional(3 D) imaging technique which has the advantages of scanning-free,high resolution,and easy matching with existing mature optical systems.In this article,an incoherent digital holographic spectral imaging method with high accuracy of spectral reconstruction based on liquid crystal tunable filter(LCTF) and FINCH is proposed.Using the programmable characteristics of spatial light modulator(SLM),a series of phase masks,none of whose focal lengths changes with wavelength,is designed and made.For each wavelength of LCTF output,SLM calls three phase masks with different phase constants at the corresponding wavelength,and CCD records three holograms.The spectral images obtained by this method have a constant magnification,which can achieve pixel-level image registration,restrain image registration errors,and improve spectral reconstruction accuracy.The results show that this method can not only obtain the 3 D spatial information and spectral information of the object simultaneously,but also have high accuracy of spectral reconstruction and excellent color reproducibility.     

适用于推扫式成像光谱仪的CCD拖尾扣除方法

拖尾(smear)现象是面阵CCD器件的固有问题。在推扫式成像光谱仪中,拖尾对成像的作用形式较为特殊,传统的扣除方案已不再适用,急需新的适合这一应用场合的方法。通过建立光谱仪中拖尾现象的数学模型,分析并仿真了常规拖尾扣除方法的失真问题,提出了适合推扫式光谱仪器的新方法。新方法使用已知图像信息估计景物的光谱分布,以此计算光学暗行通道所代表的拖尾信号在每个应用通道中的贡献,进而实现拖尾现象的扣除。遥感图像处理结果的较为理想的LSF表明,新方法效果良好,适用于推扫式成像光谱仪中CCD拖尾现象的扣除。     

Piecewise spectrally band-pass for compressive coded aperture spectral imaging

Coded aperture snapshot spectral imaging(CASSI) has been discussed in recent years. It has the remarkable advantages of high optical throughput, snapshot imaging, etc. The entire spatial-spectral data-cube can be reconstructed with just a single two-dimensional(2D) compressive sensing measurement. On the other hand, for less spectrally sparse scenes,the insufficiency of sparse sampling and aliasing in spatial-spectral images reduce the accuracy of reconstructed threedimensional(3D) spectral cube. To solve this problem, this paper extends the improved CASSI. A band-pass filter array is mounted on the coded mask, and then the first image plane is divided into some continuous spectral sub-band areas. The entire 3D spectral cube could be captured by the relative movement between the object and the instrument. The principle analysis and imaging simulation are presented. Compared with peak signal-to-noise ratio(PSNR) and the information entropy of the reconstructed images at different numbers of spectral sub-band areas, the reconstructed 3D spectral cube reveals an observable improvement in the reconstruction fidelity, with an increase in the number of the sub-bands and a simultaneous decrease in the number of spectral channels of each sub-band.     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

基于FP微阵列的压缩感知光谱重建研究

针对现有星载扫描光谱成像中无法同时实现高通量、高光谱分辨率的问题,提出采用法布里珀罗（FP）微阵列与压缩感知光谱成像方法。该方法通过在成像探测器前加FP微阵列,FP微阵列调制器每一单元对应不同高度,进而对输入光信号进行调制得到不同的光谱响应。结合扫描和压缩感知复原算法,最终获得高光谱图像数据立方体。该系统光谱范围为400 nm～700 nm,光谱通道数高达700个。通过仿真激光入射光谱与压缩感知重构光谱进行对比,仿真均方误差（MSE）为0.002。此外,通过实验对两个不同颜色的单色光光谱进行重构,实验结果与标准光谱仪测得的光谱基本一致,验证了该方法光谱重构的可行性。该方法可广泛应用于高通量、高光谱星载或扫描光谱成像测量中。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

Differential spectral interferometry: an imaging technique for biomedical applications

Differential spectral interferometry (DSI), a novel method of biomedical imaging that combines the high dynamic range of optical coherence tomography (OCT) with inherently parallel low-bandwidth image acquisition of spectral interferometry (SI), is described. DSI efficiently removes the deleterious dc background inherent in SI measurements while maintaining the parallel nature of SI. We demonstrate DSI on both synthetic and biological samples. Because DSI preserves the low-bandwidth, parallel nature of SI, it is competitive with OCT for biomedical applications in terms of image quality and acquisition rate.