超光谱侦察传感器的光电设计与实验分析

超光谱光电侦察是光学探测经历了单波长、多波段之后发展起来的一个新的阶段,是基于方位和光谱三维信息的新型光电探测技术。在分析景物的光谱-空间特征的基础上,设计了UV/VIS/NIR宽波段范围的超光谱侦察传感器,并进行了成像探测实验,获得了典型场景和目标的光谱序列图像。对其进行了分析,验证了一种自动目标探测/识别的新方法。     

不同场景的天基紫外背景杂波仿真计算

在天基紫外探测系统中,定量地估计由地气背景浮动引起的杂波辐射有利于对不同场景探测通道(包括中心波长和光谱范围)的有效选择,提高对空间目标的综合探测性能。从空间信号传输的角度出发,在290~400 nm的"紫外窗口"区建立了不同场景空间杂波辐射模型,并利用该模型分析了空间背景杂波辐亮度的主要影响因素。在可能的目标辐射特性与地气背景杂波水平下,对杂波影响下的系统探测性能进行了有效估算。结果表明:在晴空探测条件下,探测系统的中心波长和光谱范围应分别选为300 nm和297~306 nm,而在完全充满卷云的视场,探测系统的中心波长和光谱范围应分别选为299 nm和296~303 nm。     

采用多波段θ调制器作多光谱照像技术的研究

提出了一种用多波段θ调制的白光光学／数字图像处理作多光谱照相的技术,即通过使用多波段θ调制器对目标的某几个波段信息进行调制,使用傅里叶变换技术对各个多波段图像解调,可分别得到目标各波段的图像信息,然后通过假彩色融合得到目标多波段假彩色图像。从理论和实验上论证了使用多波段θ调制器与单个CCD探测器组成的多光谱照相系统,代替传统的多个相机构成的多光谱照相系统的可行性和优越性。该技术与传统多光谱照相技术相比,具有体积小、重量轻和假彩色融合操作简单方便等优点。     

自适应多波段偏振图像融合研究

为综合利用不同波段的偏振信息，以便有效地去除背景杂波的影响，提高目标检测的效果，提出一种基于伪彩色映射和窗口线偏振度熵为系数的自适应加权多波段偏振参量图像融合方法.该方法是根据目标和杂乱背景的特性及多波段成像偏振探测的基本原理，利用目标偏振特征的波长依赖性，不同波段偏振图像所反映场景信息的差异，同一波段Stokes参量图像之间的关系，以及线偏振度图像所反映的有关人造物与自然背景之间的关系.将其应用于不同真实场景下多波段偏振图像，仿真结果和评价指标表明，该方法在背景抑制方面取得了良好的效果.     

基于荧光光谱信息的绿色植物探测研究

针对农作物病、虫、草害化学防治时对靶变量施药以减少农药使用量、提高农药利用率的需求,本文研究了基于荧光光谱信息和主动光源方法在不同环境下探测绿色植物的方法。通过白色、蓝色和红色LED主动光源照射样本,采集了白天室内自然光照、白天太阳直射、白天无太阳直射和夜晚黑暗环境四种场景下的绿色植物和非绿色植物样本光谱。首先基于多波段光谱信息建立簇类独立软模式法（SIMCA）和线性判别分析（LDA）模型,验证利用主动光源照射下绿色植物荧光光谱探测绿色植物的可行性。试验结果表明,白色、蓝色和红色三种LED光源照射下SIMCA模型对预测集样本的识别率均达到92%以上,拒绝率均为100%;三种光源照射下LDA分类模型均能准确识别出预测集所有样本,检测效果优于SIMCA模型,且三种LED光源的效果无显著差异。为开发低成本绿色植物探测传感器,建立了绿色植物与非绿色植物样本分类目标函数,通过粒子群算法（PSO）优选单一连续光谱波段原始光谱并建立了绿色植物和非绿色植物样本的阈值分类模型。结果表明,白色、蓝色和红色LED光源照射下优选的原始光谱波段分别为731.1, 730.76和731.1 nm,对应阈值分类模型分类预测集样本的F1-score分别为76.71%,80.52%和78.48%,蓝色LED光源的效果最好。该研究优选的主动光源类型和连续检测波段可为开发基于单波段的低成本绿色植物探测传感器提供理论依据。     

海面弱小目标高光谱融合技术研究

海面目标受海水扰动影响,难以被宽波段光电传感器探测识别。高光谱传感器可以获取海面目标和水体的光谱数据,利用目标和海水的光谱特性差异可以有效抑制海面扰动影响,提高探测识别能力。针对高光谱数据降维融合容易丢失海面弱小目标问题,研究了弱小目标光谱数据融合方法。通过相似性分类产生类矩阵,由类矩阵主成分变换的降维投影矩阵来投影变换原有光谱数据,获得降维数据矩阵。降维矩阵通过空间变换转换到RGB彩色空间,生成伪彩色融合图像。通过远距离弱小目标和水中鱼群高光谱数据,验证了改进方法的融合性能。实验结果表明:相似性分类融合方法不仅能将高维光谱数据融合成一幅伪彩色图像,还能有效避免弱小目标融合丢失问题,提高了目标探测识别能力。     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

空时多普勒频移域运动小目标的抗干扰探测方法

有源声呐使用多普勒敏感信号可在多普勒频移域分离杂波、混响等干扰和运动目标,但低信干比时强干扰的时间旁瓣泄露和多普勒旁瓣泄露会淹没弱目标.针对该问题,提出了一种基于自适应最小均方(LMS)算法和宽带模糊函数(WAF)的运动小目标抗干扰探测方法.首先在空间多普勒频移域上利用基于LMS的自适应陷波器抑制干扰,然后在快时间多普...     

基于ACE算法的高光谱隐蔽目标探测

隐蔽目标的探测一直都是军事上重点研究的领域,随着高光谱成像技术的发展,为这一领域提供了新的解决思路。利用高光谱数据高的谱间分辨率,可在某些波段实现对隐蔽目标和背景的光谱区分,提出了一种基于ACE(alternation conditional expectations)算法高光谱隐蔽目标探测技术,充分利用背景和隐蔽目标在不同波段光谱不同的特点,引入光谱重排技术和一阶微分技术,使得背景光谱出现振荡,从而提取出目标。相较其他算法,该文提出的算法提取精度高、虚警率低,实现了较好的隐蔽目标探测效果。     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。     

红外小目标图像的背景杂波量化方法

分析了背景杂波对红外小目标检测的影响,研究了一种针对红外小目标图像的背景杂波定量描述方法.提出了背景杂波定量描述方法需要满足的三个条件:与主观判断的结果一致、对于不同的红外图像具有适应性和能够辅助改进目标检测算法.综合考虑了目标与背景的特征,融合了4种特征,提出了一种新的红外背景杂波量化方法.首先采用支持向量机对背景杂...     

基于提升方案的多光谱遥感图像有损压缩算法

在分析多光谱遥感图像谱间和空间数据特点的基础上,提出了一种DPCM线性预测与基于提升方案的整数小波变换相结合的多光谱遥感图像有损压缩算法。在谱间采用DPCM预测去除谱间相关性;在谱内采用整数小波变换去除空间相关性,根据不同子带对目标识别的重要程度,选择不同的量化阈值和量化步长进行量化,并分别对各个子带量化后的数据和重要图表采用固定比特平面编码和游程编码,实现高效的多光谱遥感图像压缩。实验结果表明,该算法在一定的压缩比下,重构图像具有较高的峰值信噪比,并且算法硬件实现简单,对内存的需求低。     

低空遥感平台下可见光与多光谱传感器在水稻纹枯病病害评估中的效果对比研究

高效无损地评估农作物病害等级,对于实际农业生产和研究都具有重要意义。研究探讨了基于低空无人机遥感平台进行水稻纹枯病病害等级评估的可行性,分析可见光与多光谱传感器的光谱响应差异及其对感病水稻光谱反射率获取的影响,并定量对比两种传感器的病害监测效果。实验研究区由67个不同品种的水稻小区组成,每块小区均分为相接的纹枯病接种区和侵染区。以大疆精灵Phantom 3 Advanced小型消费级无人机作为搭载平台,分别搭载该无人机系统自带的可见光传感器和MicasenseRedEdgeTM多光谱传感器获取遥感影像。同时,通过植保专家现场调查的方式识别病害等级,并利用Trimble公司的手持式NDVI测量仪获取实测NDVI值。基于影像拼接、波段叠合、辐射校正后的预处理结果,对可见光图像的接种区和侵染区共134个小区计算七种可见光植被指数,即NDI（normalized difference index）, ExG（excess green）, ExR（excess red）, ExG-ExR,B*,G*,R*,多光谱图像除上述可见光指数外再计算NDVI（normalized difference vegetation index）, RVI（ratio vegetation index）和NDWI（normalized difference water Index）三种多光谱植被指数。将计算得到的图像植被指数与地面实测NDVI进行相关性分析,以选取两种传感器的最优图像植被指数建立水稻纹枯病病害等级反演模型。相关性分析结果表明,基于多光谱传感器计算的图像NDVI与实测NDVI拟合度最高,接种区R2为0.914,RMSE为0.024,侵染区R2为0.863,RMSE为0.024。对于可见光传感器,NDI与实测NDVI的相关性最好,接种区R2为0.875,RMSE为0.011,侵染区R2为0.703,RMSE为0.014。比较两种传感器两种区域的同一图像植被指数与实测NDVI的一致性,除B*外,NDI,ExR,ExG-ExR,G*,ExG,R*与实测NDVI基本属于高度相关,在病害严重的接种区,两种传感器对水稻纹枯病的监测效果相近,但在病害相对较轻的侵染区,多光谱传感器的监测更为精确灵敏。基于多光谱图像NDVI建立的病害等级反演模型,R2达到0.624,RMSE为0.801,预测精度达到90.04%,模型效果良好。而基于可见光图像NDI建立的反演模型,R2为0.580,RMSE为0.847,预测精度为89.45%,效果稍差。对比分析可见光与多光谱传感器的光谱响应曲线,可见光传感器可获取可见光范围的红、绿、蓝三个波段,波段范围互相重叠,多光谱传感器包含五个成像单元,可独立获取从可见光到近红外的五个窄波光谱波段,提供更加准确的光谱信息。比较传感器获取的接种区和侵染区水稻平均反射率曲线得出,多光谱传感器不仅在可见光波段反映了较可见光传感器更强的差异,在红边和近红外波段差异则更加明显,这说明专业窄波段传感器在病害监测方面较宽波段消费级传感器更有优势。综上所述,基于可见光与多光谱传感器的低空无人机遥感平台进行水稻纹枯病病害等级评估是可行的,多光谱传感器精确灵敏,可用于纹枯病的早期监测,可见光传感器效果稍差但经济易于推广。研究结果为病虫害防治提供决策支持,有助于推动实现精准农业,保障粮食安全。     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

高光谱与多光谱遥感影像反演地表不透水面的对比——以Hyperion和TM/ETM+为例

不透水面遥感信息的反演是近十年来遥感领域的一个热门课题,但是利用高光谱影像反演不透水面信息的研究较少,高光谱和多光谱影像反演不透水面的对比研究也少有报道。重点研究了高光谱EO-1 Hyperion和多光谱Landsat TM/ETM+数据在反演不透水面信息方面的特点,首先在福州、广州和杭州选取了三个实验区,利用线性光谱混合分析模型反演Hyperion和TM/ETM+影像的不透水面信息。对于多达242个波段的Hyperion影像,进一步利用判别分析从中选取了11个特征波段构成新的Hyperion’影像,以考察是否可用缩减波段的方法来取得较好的反演效果。结果表明,Hyperion高光谱影像反演不透水面的能力优于多光谱影像TM/ETM+,而利用特征波段构成的Hyperion’的反演精度最高,这主要得益于Hyperion具有更高的光谱分辨率和辐射分辨率,使其可以更有效地区别不同地物在光谱特征和辐射特征上的微细变化,从而可以更好地区分不同地物。而由特征波段构成的Hyperion’影像由于大幅减少了高光谱影像波段的冗余度,所以获得了更高的反演精度。     

扫描型红外预警系统中弱小目标的检测算法

提出一种基于面阵探测器的全方位红外预警系统的运动弱小目标检测算法.该算法主要基于灰度形态学滤波和目标概率分布函数匹配两种技术.灰度形态学的高帽变换可以有效地检测出红外图像中的特定目标,但没有考虑目标强度分布特征,检测结果的虚警率较高.本文采用了均值偏移算法常用的概率分布函数匹配技术,对检测出的小目标进行二次确认.试验结果表明,该方法能够有效地抑制背景杂波干扰,降低虚警率.     

基于波原子变换的红外复杂背景杂波抑制算法

针对红外图像弱小目标检测技术中复杂背景杂波干扰问题,提出了一种基于波原子变换的红外图像背景抑制算法。首先,采用波原子变换对图像进行多尺度和多方向分解,获得原始图像的多尺度和多方向细节特征;然后,根据目标和背景杂波信号的差异,通过频域变换设计的系数调整函数修正经波原子变换后各子带系数,再经波原子逆变换重构得到估计的背景图像;最后,将其与原始图像相减获得背景杂波抑制后的图像。用真实的红外图像序列进行实验,结果显示,与最大中值和小波变换两种算法相比,该算法能有效地抑制红外弱小目标复杂背景杂波,突出目标信号,提高信杂比,具有良好的背景抑制性能。     

Multispectral imaging using multiple-bandpass filters

We present a method for multispectral imaging. This method uses color CCD cameras with a multiple-bandpass filter, which modifies the spectral response of the cameras used and enables concurrent acquisition of multiple images at defined spectral bands. We experimentally demonstrate methodological feasibility using two color CCD cameras and a polychroic mirror to simultaneously capture eight spectral bands. We discuss how the method developed is well suited for multispectral applications of transient phenomena or for real-time measurements.     

利用频谱组束获取双光谱光源的实验研究

 针对激光多光谱探测对多色激光光源的需求,提出利用外腔频谱组束技术获取多光谱激光探测光源的方法。报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了一种3dB线宽分别为29.3nm和11.52nm的可调谐双光谱激光探测光源。实验结果和理论分析表明：外腔频谱组束技术是一种获得多光谱激光光源的可行方法。     

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。