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。     

机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.     

CCD噪声标定及其在边缘定位中的应用

成像过程中的CCD噪声将给图像测量结果带来误差,因此能否有效地抑制这些噪声是提高测量精度的关键。分析了CCD暗电流噪声和随机噪声的特性,并针对各自特性提出了相应的噪声标定技术以及抑制方法。结合精密图像测量任务,分别研究了暗电流噪声和随机噪声对一维边缘定位、结构光相移法相位提取的影响。通过仿真和实验,比较了噪声抑制前后的测量结果,结果表明,噪声抑制后边缘定位精度有很大的提高,证实了该CCD噪声标定技术和抑制方法的有效性和必要性。     

基于数字微镜器件技术提高面阵CCD相机动态范围的研究

提出了一种采用数字微镜(DMD)器件作为SLM调制面阵CCD的设计方法.解决普通CCD相机在拍摄高反差场景时,图像上出现过曝光或欠曝光,造成丢失细节的现象.该方法通过场景预测成像,确定CCD按多曝光区域的划定和曝光时问.利用DMD微镜凋制功能,实现CCD分区分时曝光.同时设计一种图像数据结构提高了面阵CCD动态范围.实验证明,该方法不但提高了成像质量,高亮和背光处细节可清晰地表现.而且增强了图像数据的动态范围.实现了实时获取高动态范围、高质量的图像及数据,不再需要软件"融合".     

LCTF调谐的高光谱成像系统辐射定标方法研究

简单介绍了基于LCTF调谐的高光谱成像系统积分时间定档,重点描述了一个定标检测系统,并从暗电流、响应线性、均匀性和稳定性四个方面详细阐述了定标方法。通过在实验室对相机的定标实验,给出了辐射定标系数;并利用一次野外试验获取的数据,对定标系数进行验证。试验数据的分析表明,该定标系数可用于光学图像处理中的辐射校正,实现图像数据的定量化分析。     

KAF-4301E CCD在低温下微光成像特性的实验研究

介绍了实验的原理和方法;重点介绍了在低温下KAF_4301E CCD的成像特性———量子效率(QE)、电荷转移效率(CTE)、读出噪声、暗电流和满阱等的测试结果。实验结果显示,随CCD工作温度降低并超过其最小标称值后,虽然暗流则明显减小,但CTE性能快速变差。从理论上对所得的结果进行了简短的分析和讨论。分析了该型号CCD在微光成像方面的应用前景。     

光速处理的高精度光电混合相关探测图像运动位移

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.     

平面场景和建筑物成像的几何分析

为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明：已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。     

NFTHz加速器束流横向截面尺寸测量系统研制

针对太赫兹直线加速器,开发了基于EPICS分布式系统的横向截面尺寸测量系统。该系统采用束斑检测器完成束斑到光斑的转换,并通过远心镜头将光斑成像到CCD相机,完成对光斑图像的采集,之后基于ADAravis将相机采集的图像数据汇入到EPICS数据库。由于暗电流以及环境辐射的影响,在采集到的图像中会存在椒盐噪声,因此使用卷积神经网络（CNN）对图像中的椒盐噪声进行抑制,最后对图像进行高斯拟合计算出束流截面尺寸。实验结果表明,CNN可以有效地消除椒盐噪声,并且系统的分辨率达到15.8μm,满足系统设计要求。     

平面场景和建筑物成像的几何分析

为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明:已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。     

科学级光学CCD暗电流及机械快门时间响应特性测试

暗电流在科学级电荷耦合器件(CCD)长时间曝光测试实验中是主要的噪声之一。实验测试了暗电流信号平均计数随曝光时间的变化关系,并经过计算得出-10℃和-20℃下暗电流分别为2.43ADU/(s.pixel)和0.4854ADU/(s.pixel),同时测试了暗电流随CCD制冷温度的变化特性,结果显示暗电流随温度类似指数函数形式变化。由于CCD机械快门的时间响应特性对科学级光学CCD的短时曝光计数的影响比较大,实验测试了CCD平均计数和曝光时间的关系,得出实验所用的TEK 512pixel×512pixel DB CCD的机械快门在18ms时能够完全打开。     

光子计数激光雷达的时间相关卡尔曼深度估计

在高背景噪声和低积分时间的激光雷达远距离成像场景中,针对传统方法得到的深度图像目标被噪声淹没和深度估计偏差较大的问题,提出了一种基于信号光子时间相关性和自适应卡尔曼滤波器的深度信息估计方法。首先,提取在时间上具有聚集特征的光子计数形成集合;然后,分析了影响信号光子在时间上分布的因素并使用静态高斯线性模型来描述该集合;最后将集合中的所有光子飞行时间乱序,输入改进的自适应卡尔曼滤波器,从而迭代估计深度值。在信号噪声比为1的室内,积分时间分别为10 ms和1 ms时,本文方法相对传统的最大似然方法在均方根误差指标上提升了40%和38%。在信噪比约为0.135的室外2 km目标成像实验中,在信号光子数分别为100、33和17的情况下,本文方法成像效果都优于传统最大似然估计方法和时间相关光子快速去噪方法,得到的深度图像都更清晰,噪声更低。在高噪声和短积分时间下,本文方法可以被运用于激光雷达远距离成像的深度信息估计和图像恢复中。     

面阵CCD信号采集系统的噪声抑制

分析了CCD输出噪声及其一般抑制方法,提出了一种基于面阵CCD信号采集系统的噪声抑制方法。设计了CCD信号采集系统的噪声抑制电路和处理电路,应用于CCD442A型面阵CCD;并使用积分球对采集系统进行辐射定标,计算得到系统的信噪比。仿真和辐射定标实验表明,该面阵CCD信号采集系统具有相关双采样和暗电平校正功能,抑制了CCD输出信号的复位噪声和暗电流噪声;在中等照度条件下,系统信噪比达到40dB。     

基于DMD的区域积分时间可控成像

利用CCD(Charge Coupled Device)相机获取图像后常常存在区域过暗和过曝光的情况,而这两种情况都会掩盖该区域的细节信息。改变CCD相机的积分时间只能对获取的当前帧图像进行单一的积分时间增加或减小,不能同时处理一帧图像中光强过强和过弱的情况。因此针对DMD(Digital Micromirror Device)对每一个微镜片的翻转时间可控的特点,提出了一种区域积分时间可控成像系统,该系统可以通过控制DMD微镜片翻转时间来增加或者减少图像指定区域的积分时间。实验结果表明,该系统可有效地达到同时处理一帧图像中区域过暗和过曝光的目的。     

图像采集系统特性参数的测试与评价

本文介绍了一种用于测量的高性能、高精度图像采集与处理系统的基本构成，以及为保证测量精度而对ＣＣＤ摄像机进行的改造。讨论了图像采集系统的主要时域特性参数，包括平均暗输出、暗输出不均匀性、暗噪声、动态范围、光电响应不均匀性、光电响应线性度、信噪比等。阐述了以上特性参数的定义和测试评价方法。给出了被测系统的特性参数。同时给出了噪声分布直方图和线性响应曲线。     

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。     

光栅摄谱仪的改进及其在周期性极化的铌酸锂晶体倍频研究中的应用

由于电荷耦合器件(CCD)具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测和实时检测等能力的优点,在光谱测量和光谱成象领域获得了广泛的应用。将传统的1m光栅摄谱仪和科学CCD相结合,使其具有实时快速测量激光光谱的能力。将其应用于宽带双包层光纤激光在周期性极化的LiNbO₃晶体(PPLN)中倍频特性的研究,观察到了倍频激光光谱随PPLN控制温度的动态变化过程,并对此进行了详细分析。