基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

目标探测的信噪比分析

从黑体辐射理论出发，分析空间目标超光谱探测时的影响因素。计算太阳对目标的表面辐射,利用大气传输模型分析软件——MODTRAN分析计算在可见光到近红外范围的天空漫反射辐射，给出了成像光谱仪接收到的目标辐射能量和背景辐射能量的计算方法，同时考虑探测器得到噪声的种类,给出主要噪声源的计算方法,从而推导出光谱仪接收到的以电子数为基本单位的信噪比一般表达式。通过分析表达式中的各种因素对信噪比的影响，提出得到较高信噪比的可行方法,从而更清楚地分辨物体。     

短波红外成像光谱仪的景物辐射采集特性

为了研究棱镜色散的非线性对短波红外(1.0~2.5μm)成像光谱仪采集景物辐射能量和信噪比(SNR)的影响,首先推导出系统采集辐射能量和光谱采样计算表达式,并在短波红外光谱范围内进行了计算分析。结果表明,在相同的光谱通道数前提下,与等间隔光谱采样方法相比,单棱镜色散成像光谱仪探测器像元采集到的景物辐射能量,在1.0~1.85μm光谱范围比较高,在1.85~2.5μm光谱范围比较低,信噪比具有类似的特点;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来。     

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。     

临近空间高空气球地基探测能力分析

基于探测系统背景辐射特性及高空气球辐射特性,建立了探测系统辐射接收模型.考虑大气传输、光学系统成像、探测器及其采样对辐射的影响,精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数,推导出用于高空气球探测的信噪比.利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度,分析了复杂大气条件下的气球辐射特性,及高空气球镜反射率、漫反射率与积分时间对探测系统信噪比的影响.结果表明:采用光谱滤波技术,在晴朗无云天气下,可见光近红外(0.6~2.4)探测器适合高空气球探测;在复杂大气条件下,长波红外(8~12)探测器适合高空气球探测;在积分时间为0.25s,镜反射率为0.32,漫反射率为0.68时,或积分时间为1s,镜反射率0.43,漫反射率0.57时,探测系统对高空气球探测能力最强.     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比估算及压缩方法研究

采用局部标准差法和去相关法对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比进行估算。这两种方法已将地物变化的影响降低到很低的程度。这样在大气订正后，图像的信噪比性能充分反映出遥感仪器的信噪比性能。针对图像压缩，提出控制各波段恢复图像的峰值信噪比刚好大于原始图像的信噪比，使由压缩算法本身所带来的噪声限制在原始图像的噪声范围之内。结合这种压缩思想，用基于离散余弦变换和基于离散小波变换的压缩算法，对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像进行压缩。实验表明，利用这种方法，对于高信噪比的波段，图像信息得到了保真；对低信噪比的波段，压缩倍数提高迅速且恢复图像视觉无失真，对整幅成像光谱图像，压缩性能提升显著——当压缩比等于37．95倍时，峰值信噪比等于45．86dB。     

空间外差干涉光谱仪信噪比研究

以传统非成像式的高光谱空间外差干涉光谱仪为例,详细推导了传统空间外差干涉光谱仪的空域和光谱域信噪比(SNR)的表达式,分析了仪器各影响因素与SNR的关系,包含空间分辨率、光谱分辨率、干涉条纹调制度和电子学噪声等,并结合样机成像方式进行了讨论,得出了相应的结论。结果表明,计算SNR可有效评估和反映光谱仪的特性。     

基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。     

空间外差干涉光谱仪信噪比研究EI北大核心CSCD

以传统非成像式的高光谱空间外差干涉光谱仪为例,详细推导了传统空间外差干涉光谱仪的空域和光谱域信噪比(SNR)的表达式,分析了仪器各影响因素与SNR的关系,包含空间分辨率、光谱分辨率、干涉条纹调制度和电子学噪声等,并结合样机成像方式进行了讨论,得出了相应的结论。结果表明,计算SNR可有效评估和反映光谱仪的特性。     

起伏地形的高光谱遥感地气耦合辐射建模研究

邻近效应会影响高光谱遥感的定量化应用,而地气耦合辐射是邻近效应的重要组成部分。高光谱遥感数据多受地形背光和阴影的影响,不利于描述地物的光谱特性,并且地形的相互遮蔽使得辐射在大气、地表之间的耦合过程变得更加复杂。为了满足高光谱数据模拟快速性的要求,在深入分析辐射传输过程的基础上,利用邻近地物和目标地物的相对方位以及局地地形特征描述背景等效反射率,计算地气耦合辐射对传感器入瞳辐亮度的贡献,从而在起伏地形下实现了精确的地气耦合辐射建模。将此建模方法应用于高光谱遥感成像仿真,通过对实测图像的模拟,验证模型的有效性。结果表明,模拟图像与实测图像在视觉效果上具有较好的一致性;在地形起伏区域,仿真中采用改进后的地气耦合模型可提高模拟图像与实测图像的光谱相似度,同时在地形平坦区域保持了较高的仿真精度。     

空间遥感仪器探测器工作温度对信噪比的影响分析

临边观测是一种新的空间大气遥感探测方式,但大气散射光谱辐射随临边高度的增加而迅速减弱。所以信噪比是临边遥感仪器的关键性能指标。在深入分析典型仪器信号光谱辐射传输特性和噪声来源的基础上建立了随探测器制冷温度变化的信噪比模型,并在一台临边遥感光谱仪原理样机上模拟试验验证了空间环境下临边高度70km处的信噪比,理论分析和实验结果一致表明:探测器制冷到一定温度时,仪器的信噪比达到了一个极限值。在综合考虑功耗、散热等问题的基础上获得了探测器的最优工作温度。     

基于先验图像约束的多光谱压缩感知

在低采样率、低信噪比(SNR)的探测条件下,多光谱重建图像噪声增多,重建质量大幅度降低。为了提高多光谱图像的重建质量,提出了一种基于先验图像约束的多光谱压缩感知(PICHCS)重建方法。PICHCS利用多光谱图像的空间相关性和谱间相关性重建出初始图像,并将相邻谱段的初始图像取平均获得高信噪比的先验图像。先验图像与目标图像相减可以使优化目标稀疏化,并使得重建结果具有与先验图像类似的高信噪比特性。通过数值模拟和实验验证了该重建算法的可行性,并在不同的采样率、信噪比条件下和全变差低秩联合重建算法进行了对比研究。结果表明,PICHCS可以在低采样率低信噪比情况下提高多光谱图像的重建质量,从而降低对数据采样率和系统信噪比的要求。     

表面疵病动态彩色编码融合成像检测技术

表面微小疵病在用不同波长的光照明时,其光学图像会存在不同程度的非线性放大畸变现象,对成像信息中的目标提取和信噪比(SNR)将产生一定的影响。提出利用红、绿、蓝三基色光源辐照下的疵病图像进行动态彩色编码成像的方法,经像素级图像融合后可实现高冗余信息的图像合成,从而在获取表面微小疵病丰富细节的同时可进一步提高信噪比。分析了针对三基色图像进行彩色编码的理论,提出了基于图像梯度的动态权值融合成像方法,同时给出了光谱非线性放大信号的噪声分析模型,通过理论分析和数值模拟两方面,充分验证了动态权值融合降低标准偏差的有效性。在明场表面疵病成像实验中,采用三基色平衡响应的彩色互补金属氧化物半导体(CMOS)相机,分别获取了单个微米量级表面疵病点的三基色滤波图像,并通过与传统边缘提取、非动态权值组合等方法的结果比对,验证该优化方法可得到一幅细节更为丰富的高SNR图像。在暗场表面疵病成像实验中,以图像灰度平均梯度和提取到的疵病数量为评价参数,即从优化图像质量和疵病识别能力两个方面,进一步验证该优化在高保真和低噪声方面的有效性。提出的动态彩色编码融合成像方法可有效降低光谱非线性放大带来的噪声。     

高灵敏度APS CMOS图像传感器光谱探测技术研究

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能,在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题,建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试,分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平;结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统,进行了光谱成像试验,验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明,CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求,可用于高光谱探测。     

成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

高分一号卫星多光谱遥感图像邻近效应校正研究

在遥感观测中,目标辐射信息中包含了背景辐射经过大气散射后进入传感器视场的部分,从而使地物边缘模糊,对比度降低,即邻近效应。要从遥感图像中准确获取目标信息,邻近效应校正是必不可少的环节。根据大气辐射传输模型,利用MODIS气溶胶产品并引入新的邻近效应校正系数对高分一号卫星多光谱遥感影像进行邻近效应校正。结果表明,经过校正的遥感影像对比度增强,清晰度增加,地物信息更丰富。     

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。     

高光谱遥感图像的小波去噪方法

高光谱遥感图像是由二维空间信息和一维光谱信息组成的三维数据。普通的去噪方式通常是分别对空间信息或光谱信息进行去噪,其主要缺点是忽视了高光谱图像强烈的谱间相关性和图谱合一的特点。针对这些特点,文章提出一种基于小波变换的高光谱遥感图像去噪方法。该方法对各波段高光谱图像逐一进行二维小波变换,根据含噪声大的波段与噪声小的波段的波长关系,对小噪声波段的高频系数加权求和,代替噪声大的波段的高频系数,通过小波逆变换得到去噪后的重构图像。该方法运算速度快,能有效地降低噪声。对机载可见红外成像光谱仪数据(AVIRIS)实验表明,与经典的BayesShrink图像去噪方法相比,方法重构图像的信噪比(SNR)高出3.8～10.6 db,节省运算时间一半以上。     

临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。