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。     

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。     

基于改进维纳逆滤波的衍射成像光谱仪数据误差分析与重构

衍射成像光谱仪探测到的高光谱数据需要进行计算与反演才可以得到成像光谱数据,本文对衍射成像光谱仪的成像过程及数据误差产生的原理从空间维和光谱维两方面进行了分析,并针对其光谱重构过程中系统点扩散函数标准差较大时重构结果清晰度较低、存在振铃等问题,提出了基于改进维纳逆滤波的光谱数据重构算法,该方法在分析衍射成像光谱仪数据特点与误差的基础上,将每一次维纳逆滤波的重构结果视为新的模糊图像,利用成像过程及维纳逆滤波的基本原理确定新的模糊图像对应的点扩散函数,反复进行维纳逆滤波达到提高图像清晰度的效果,再根据图像自身的空间和光谱特征分布,进行自适应性的噪声去除.利用模拟的衍射成像光谱数据进行验证,在系统点扩散函数的标准差为2.5的情况下,能得到无振铃的重构结果,且与传统维纳逆滤波法的重构结果进行比较,清晰度、细节能力等指标均有所提高,满足了衍射成像光谱数据应用需求.     

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。     

哈达码变换光谱成像仪数据复原算法

从哈达码变换光谱成像仪成像原理出发,对其光谱成像过程进行数学建模,分析了哈达码模板调制引起光谱信息混叠和空间信息混叠的原因,提出了一种根据光谱偏移量去除混叠的算法.采用自行研制的哈达码变换光谱成像仪进行了目标数据采集,用提出的去混叠算法对目标数据进行复原,得到目标的三维数据立方体,有效去除了空间信息混叠和光谱信息混叠,验证了算法的正确性.     

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DMD的哈达玛变换成像光谱仪中交错编码像素点的研究

近年来在哈达玛变换成像光谱仪研究领域中最重要的技术革新在于数字微镜器件在这种光谱仪中的应用,但同时也带来了一些相应的技术问题需要克服。详细的描述和分析了由于数字微镜器件在哈达玛变换光谱仪中的应用导致的编码图像上的部分像素点出现的一种交错编码现象;这种特殊的像素点,编码过程不符合哈达玛变换,在光谱复原过程中需要特殊处理。针对这种交错编码像素点,提出了一种标识方法和解码方法。实验中,向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,在编码的激光图像中确定交错编码像素点的位置。然后变换编码模板上哈达玛编码码道的空间位置,采集两组针对目标的编码图像,通过观察编码图像上一个像素点的灰度值组成的列向量中非零常量与零元素的个数,可以分辨它是否是一个交错编码像素点。其中一组编码图像上交错编码像素点光谱曲线可以通过对另一组编码图像上相应位置的像素点进行哈达玛反变换得到。实线结果证明了这一方法的可行性。     

一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术

为了改善光学成像中的成像质量和效率,提出一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术.通过物镜、编码板、色散元件、准直镜、聚焦镜、探测器等组成前端成像系统,然后,利用稀疏重构算法在后端处理器上重构光谱数据,从而将成像运算量从前端转移到后端.同时,引入块重构、错位预处理、多帧重构技术,提高重构的准确度,减小后端处理内存,降低计算复杂度.通过仿真实验对原始数据和重构数据的光谱曲线、信噪比、光谱误差、分类识别效果等指标进行对比分析,结果表明,利用本文压缩传感技术可以实现超分辨光学三维成像,且成像质量较高,数据应用效果较好,可用于大幅宽、高分辨率、低功耗、动态目标的成像观测.     

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。     

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。     

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     

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。     

基于两步迭代收缩阈值的编码孔径光谱数据复原算法

编码孔径光谱成像仪根据压缩传感理论,对物体进行光谱成像。编码孔径光谱数据复原的特点在于能将探测器上所得到的二维编码像复原成三维的数据立方体。两步迭代收缩阈值算法是在迭代收缩阈值算法和迭代加权收缩算法基础上加以改进而得出的,采用两步迭代收缩阈值算法对编码孔径光谱数据进行复原,成功地由二维编码像复原出了三维数据立方体,具有迭代步数少,收敛速度快的特点。     

基于快速采样的剪切光束成像图像重构算法

剪切光束成像是一种非传统地基光学成像技术,在对位姿快速变化的目标成像时,为重构目标高分辨率清晰图像,其成像系统的回波数据采样速率仍不够快.本文提出一种五光束快速采样的图像重构方法,通过改变成像系统编码和解码方法,采用中心对称结构呈“十”字形排布的发射光束阵型,利用所提的快速图像重构算法,单次采样的回波数据所能重构的目标图像从1幅增加到8幅,快速抑制了重构图像的散斑效应.仿真结果表明,与传统三光束图像重构方法相比,获得相同质量图像所需的回波数据采样次数从20次减少至5次,大幅减少了回波数据采样次数,提高了回波数据采样速率.     

干涉高光谱图像的空间域显示方法

成像光谱数据在空间域的显示,对与用户的图像解译和信息提取有着至关重要的作用。目前,对于成像光谱数据空间域显示方法的研究主要集中在光谱域数据立方体,针对干涉型成像光谱数据的研究很少。干涉型成像光谱数据的空间域图像显示通常采用的方法是将干涉数据反演,然后采用光谱域图像显示的方法进行显示。干涉型成像光谱数据反演至光谱域计算复杂,耗时长,这对于干涉型光谱数据的空间域实时显示提出了巨大挑战。文章提出了干涉型光谱成像数据的空间域图像实时显示方法,该方法采用不同的光程差权重实现了干涉数据立方体的灰度显示和真彩色显示,推荐了三组权重系数用于干涉数据立方体的显示。将传统并与经过光谱反演的空间域显示方法进行比较,结果表明,在相同空间域显示效果下,该显示方法可大大提高显示速度,并且显示时间随数据立方体的尺寸增长速度缓慢可以满足系统的实时性需要。     

遥感干涉超光谱图像压缩编码

基于卫星干涉超光谱成像光谱仪成像原理的分析,提出了一种新的遥感超光谱图像压缩方案，利用成像推扫平移特性提出一种低存储量，帧间小波域匹配的序列压缩，只需存储两帧图像，比起单帧处理提高图像PSNR 3-4dB.为了保护图像的光谱特征，系统采用了一种新的感兴趣区域（Region of interest, ROI） 编码技术，使系统的压缩比提高8倍以上.该感兴趣区域（ROI）编码采用率失真优化斜率提升，而不是比特平面移位，使图像在相同的光谱分辨率下拥有更好的空间分辨率.试验数据表明，算法大大保护了图像的光谱特性，在8倍压缩比情况时，满足卫星干涉超光谱遥感图像要求.     

太阳极紫外He Ⅱ 30.4 nm谱线层析成像及其光谱数据反演

由磁场重联触发的发生在日冕和过渡区域上的具有高度动态的太阳爆发活动是灾害性空间天气的驱动源,对太阳爆发活动的空间成像和光谱分光测量是实现精准空间天气预报的关键数据来源.太阳大气上单离子氦的Lyman a跃迁产生波长30.4 nm的He Ⅱ共振谱线,相比于邻近的谱线强度至少高一个数量级,因此能用来观测太阳爆发事件中的物质流动和能量输运过程.本文针对传统的太阳极紫外成像仪和成像光谱仪的缺陷,利用光线追迹方法设计了一款工作在He Ⅱ 30.4 nm波长处的二维光谱层析成像仪器,采用无狭缝的3个级次(–1, 0,+1)同时衍射成像架构,单次快照可实现大视场的二维光谱瞬时成像.由于3个级次图像的空间信息和光谱信息混叠,利用有限层析投影角度的光谱数据反演算法,重构了观测目标的三维数据立方体Ⅰ (x, y,λ).     

数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低,光能利用率高及无运动部件等优势,逐渐成为光谱仪领域的研究重点。研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题,对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。首先,导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。然后,提出了两个过程来解决谱带混叠,一是通过调整DMD编码条纹,使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。最后,通过对谱线曲率半径为5.8×104,7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正,拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。结果表明： 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后,分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、并且方法简单、有效。     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.     

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.