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。     

编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差分析

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, 该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.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.     

高光谱RX异常检测的多DSP并行化处理技术

为达到高光谱图像数据RX异常检测处理的高速、实时、海量存储等要求,本文提出了一种基于CPCI Express标准总线架构的多DSP高光谱图像并行处理系统的解决方案。系统采用4片DSP共享数据总线和存储器的紧耦合与Link口互联相结合的硬件拓扑架构。在该硬件平台上,针对光谱RX异常检测算法以及光谱图像三维数据的特点,分配各DSP并行处理任务,提出了一种利用图像空间分块计算并求整个图像的均值矩阵与协方差矩阵的4DSP并行处理技术。结果表明,在保证同等探测效果的条件下,采用本文的RX异常检测算法4DSP并行处理技术,可以达到单DSP处理4倍的时间效率,解决了DSP内存容量对大数据量图像处理的限制,并较好的完成了光谱数据的实时处理要求。     

大气湍流畸变对空间目标清晰干涉成像仿真研究

本文利用功率谱反演法分别展开对符合 Kolmogonov 统计规律和修正后的Von Karmen 统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究. 得到各种模型下相位屏对该成像系统干涉成像图. 仿真结果表明, 采用闭合相位原理, 基本可以消除大气湍流对光束波前的影响, 验证了采用相位闭合技术的优势.     

非均匀采样干涉数据光谱反演技术研究

干涉光谱成像仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演才能够得到目标光谱数据,傅里叶变换方法是常规的光谱反演方法。由于干涉数据中存在非均匀采样问题,若忽略光谱混叠,直接采用快速傅里叶变换会导致反演光谱的失真,难以满足实时处理需求。针对非均匀采样干涉数据的光谱反演需求,将插值及非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法应用到光谱反演处理中,对过采样及部分欠采样情况下的非均匀采样干涉数据,提出了相应的光谱反演方法,并分析了方法的适用性。最后对过采样及部分欠采样情况下的光谱反演方法进行计算机仿真,过采样情况下采用NUFFT方法反演光谱的精度要明显高于插值方法,而部分欠采样情况下插值方法反演光谱的精度要明显高于NUFFT方法,并对欠采样造成的光谱混叠有一定的修正,验证了方法的有效性。     

反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较

介绍了反射转镜式干涉光谱仪的原理。转镜的转动会导致光程差存在非线性问题,是转镜式干涉光谱仪普遍存在的问题。由于光程差的非线性会导致反演光谱的严重失真,因此需要对其进行修正处理。对非线性修正问题,目前常用的有光程差替换法、干涉图二次采样法和NUFFT法。实验结果证明,NUFFT法和光程差替换法运算精度较高,相对偏差优于0.13%,NUFFT法精度又略高于光程差替换法;在运行效率上,NUFFT法运行速度最快,其次为光程差替换法。由于干涉图本身是一个剧变信号(特别是在零光程差附近),不适合进行多项式拟合,所以干涉图二次采样法运算精度最低,另外,由于干涉图二次采样法需要做分段拟合运算,所以运行效率也最低,从而可以认为NUFFT方法是目前最适用于反射转镜式干涉光谱仪非线性采样误差修正的方法。     

大工作距大相对孔径高分辨率的改进型Dyson光谱成像系统设计

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法,解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。从工作距的角度,比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。在大工作距要求下,采取第一种思路,即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上,引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型,给出了改进型Dyson光谱成像系统。设计结果表明:改进型Dyson光谱成像系统具有12mm工作距,F/1.8相对孔径,在0.38~0.9μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45nm,以及接近衍射极限的优良成像性质,MTF在全波段全视场100lp·mm~(-1)线处大于0.7,最大像面均方根值半径小于1.2μm。同时,系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制,保证了获取光谱数据的一致性。改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点,而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适,易于装配。解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题,可为大气遥感、农林调查、海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统,对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。     

基于主成分变换的图像稀疏度估计方法

压缩感知理论基于信号的稀疏性和可压缩性, 突破传统Nyquist采样频率的限制, 以较低的数据量对信号进行采样和高概率重构. 在压缩感知理论中, 信号的稀疏度确定了稀疏采样的最低数据量, 是验证采样方法及重构方法优劣的重要参数. 在实际研究过程中, 图像稀疏度通常未知, 这就可能导致过采样或欠采样的情况, 从而无法验证采样方法及重构方法的优劣. 因此, 快速而客观地估计图像的稀疏度对于压缩感知理论研究来说意义重大. 本文分析了基于小波变换的图像稀疏化表示方法, 通过遍历采样和重构得到基于小波变换方法的图像稀疏度, 但过程复杂, 而且结果的准确性依赖于小波基和变换尺度的选择. 本文通过压缩感知理论对主成分变换进行阐述, 在基于主成分变换系数近似为正态函数的假设下, 建立了图像稀疏度与系数函数方差间的线性关系, 并通过多组图像数据进行仿真验证, 结果表明线性关系的正确性. 通过分析和仿真可以看出, 基于主成分变换的稀疏度估计方法比小波变换简单、快速、客观, 对压缩感知理论研究有重要的应用价值. 关键词： 压缩感知 稀疏度 小波变换 主成分变换     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论，定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪，基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪，推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式，并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合，成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数