基于BiGRU-CNN的宽带电磁图像条带噪声去除方法研究

电磁探测成像系统能够对电磁干扰源进行大范围、宽频带且快速的定位,系统主要由抛物反射面和多通道超宽频带信号采集系统组成。由于各个通道器件参数受限于制造工艺的影响不可能完全一致,探测不同频率干扰源的响应特性也不相同,导致获得的电磁图像中存在的条带噪声随干扰源的频率变化而呈现出不同的特征,严重地影响定位的精度。构建了双向门控循环单元（BiGRU）-卷积神经网络（CNN）模型,根据实测数据构建数据集作为模型的输入,BiGRU和CNN利用图像相邻行间的强相关性,从过去和未来的输入中广泛收集冗余信息,对条带噪声进行提取并对空间信息进行整合处理,利用数据之间的差值对这个过程进行循环迭代。通过大量的实验对模型进行验证,BiGRU-CNN方法与测试的经典方法相比更优,在垂直梯度能量方面降低了15.2%,在残差非均匀性方面降低了21.9%。     

改进的插值法用于IIM影像条带噪声去除

摘 要：针对嫦娥一号(CE-1)干涉成像光谱仪(IIM)影像中的条带噪声,应用常用的频域滤波方法和线性插值法进行了IIM条带去除试验,并提出结合了三阶插值的改进线性插值方法。对噪声点定位后,根据图像中噪声点上下行相应点的数值差别是否超过预设阈值,确定是采用线性插值还是三阶插值算法,修正噪声点像素值。实验结果的均值和标准偏差以及图像质量因子(IQ因子)的比较表明：改进的方法IQ值达到13.9081,而线性插值算法为9.8428,改进的线性插值方法在去除IIM影像条带噪声方面明显优于线性插值方法。     

基于全变分的航空图像条带噪声消除方法

条带噪声会影响推扫式航空相机成像质量,去除条带噪声是提高后续数据分析精度的关键环节。分析了航空图像条带噪声的主要来源和模型,提出了一种基于全变分的抑制条带噪声方法。根据相对平坦区域估计每个像元的增益和偏置值,利用全变分模型,采用梯度下降法迭代求解进行图像重构。实验结果表明,仿真图像峰值信噪比从31dB提高到40dB,实际航拍图像辐射质量提升因子提高到9dB。与传统方法相比,该方法处理的图像变异逆系数和辐射质量提升因子有所提高,有效去除图像中的条带噪声,保留原图像的细节信息。     

利用多项式拟合方法去除Hyperion数据条带噪声

Hyperion是目前唯一在轨的集高空间分辨力与高光谱分辨力于一体的成像光谱仪,Hyperion数据含有丰富实用的光谱信息。由于各传感器光谱响应值不一致,造成许多谱段含有大量条带噪声,严重影响Hyperion数据的解译和信息提取。介绍了常用于Hyperion数据的去除条带噪声方法,提出了采用多项式拟合的算法,并对各方法去条带效果进行比较。实验结果证明,多项式拟合算法优于其他方法,去条带效果明显,且能很好地保持原始图像特性。     

基于噪声方差来计算变分图像反卷积的规整化参数

采用定点迭代进行变分图像恢复并在这个计算框架下提出利用噪声方差选择规整化参数的方法.假定已知观测图像中初始噪声统计特性.为了在反卷积过程中正确地估计噪声的方差,构造一幅纯噪声图像跟实际的观测图像同步进行反卷积计算,并把纯噪声图像的方差作为观测图像中噪声方差的估计值来辅助计算规整化参数.针对规整化的各项异性,提出了能够保持两种噪声同步变化的特殊的规整化项.在能够准确知道迭代过程中图像包含噪声的方差的时候,建立了规整化参数λ与图像噪声方差之间的关系式.实验证明新的算法不但更好地抑制了噪声而且避免了过平滑,明显提高了基于定点迭代法计算变分图像恢复的适应性.     

基于激光雷达探测的三维风场变分反演算法

基于单部雷达的三维风场精细反演是航空气象学、精准风力资源评估等领域的重要研究问题.为高效、准确地获得小尺度风场的精细三维结构,提出一种基于单部激光雷达探测的三维风场局地/全局变分反演算法.本算法首先在小范围内构建局地变分法用于反演三维风场初值,然后在激光雷达扫描区域内基于全局变分法对初值进行调整.在仿真中对比了本文方法迭代10次和两步变分法收敛后的结果,发现本文方法性能优于两步变分法,在较均匀风场情况下本文算法反演三维风速的均方根误差平均降低1.49 m/s,在不均匀风场情况下平均降低1.19 m/s.仿真结果和外场实验数据分析表明,在激光雷达扫描区域覆盖较大仰角范围的情况下,本文算法可较为快速准确地获得三维风场反演结果,在航空安全、风资源评估等领域具有较好的应用潜力.     

烟气中SO2紫外光谱的加性噪声去除及评价方法

用紫外差分吸收光谱法对烟气中主要污染物SO2测量中的噪声去除及信噪比评价的问题进行了研究.在获取被测气体吸收特征时,采用基于多分辨率的原始光谱预处理方法,在不同尺度下判断信号的能最幅度滤除加性噪声,并根据烟气光谱信号在时间序列上不会出现突变的特性,在含有吸收特征的尺度上提高有用信号强度.再使用吸收截面构造理想吸收信号改善光谱的信噪比评价.新的去噪方法分别在实验室和现场进行了验证.在实验室中,使用上述方法对SO2气体进行多次测量,平均偏差均小于1.5%,重复性不超过1%.在现场测量中,以一个气体浓度变化范围较大的山东电厂为例,在18组比对数据中,最大偏差为2.31%.实验结果说明,该方法可有效地提高加性噪声污染严重的光谱的信噪比.     

非局部变分修复法去除高密度椒盐噪声

分析了中值滤波及其改进型算法在处理高密度椒盐噪声时效果不理想的原因,采用变分修复方法来去除高密度椒盐噪声,基于现有的全变差修复模型提出了非局部全变差修复模型。该模型利用椒盐噪声特点(均匀分布、灰度值为0或255),将噪声点看成是图像中遗失或是破损的点,首先在图像中寻找与噪声点邻域相似的区域,将相似区域的中心像素作为噪声点新的邻域然后对其插值,把图像降噪问题转化为图像修复问题,从而达到去除高密度噪声的目的。实验结果表明:该模型对噪声密度为90%的彩色和灰度图像去噪后,其峰值信噪比为22.85和28.77,在客观评价标准方面优于中值滤波及其改进型算法。该模型能有效去除高密度下的椒盐噪声并较好地恢复图像细节,为图像去除高密度噪声提供了一种新的途径。     

SO2气体排放的紫外成像遥感监测

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶,产生酸雨,严重危害大气生态环境平衡及人类健康。现有的SO2光学遥感测量技术,如拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外差分吸收光谱(DOAS)、高分辨光谱成像等,难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、高空间分辨率以及便携机动等应用需求。近年来,紫外SO2相机成像探测因探测精度高、实用性强得到迅速发展,该技术时间分辨率高、空间分辨力强,能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率,对于监测环境污染有重要作用。基于紫外SO2相机成像探测技术,围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、仪器设计及实验方法、反演算法及结果比对等方面开展研究。取得的成果主要有:(1)利用窄带滤光片的窄波窗口,用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收,建立了紫外成像遥感监测理论模型,介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理;(2)将滤光片放置镜头前后,讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响,发现滤光片放置镜头后,相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小,对SO2浓度图像的反演误差更小;(3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响,阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性;(4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置,开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究,通过2-IM法拟合出了人工天空背景,获得了SO2光学厚度图像,利用标准泡进行校准,反演出了SO2浓度图像;(5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测,与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明,两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致,从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性,同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。     

非线性回归法确定差分吸收光谱缓变结构提高NO_2浓度反演精度

分析了差分吸收光谱法反演大气二氧化氮(NO2)浓度过程中任意选择缓变吸收结构表达式对反演结果的影响。传统的二氧化氮浓度反演中直接用比值光谱的低阶拟合曲线代替缓变吸收信息,阶次选择任意,数值模拟发现这种方法会给反演结果带来很大的误差(最大在40%以上)。本文提出以二氧化氮吸收截面为参考,通过对比值光谱的非线性回归,确定缓变吸收信息的表达式。此方法避免了拟合多项式选择的任意性,提高了二氧化氮浓度反演的准确性,数值模拟结果误差不超过1%,并以此获得了合理的二氧化氮浓度实测值。     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率.以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(M AX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低.另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建.过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的...     

太阳光谱法差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量新疆二氧化氮柱体密度(英文)

用太阳光谱法测量得到了中国新疆(38.4°-48.7°N,75.0°-89.5°E)地区以及其它一些大城市如北京(39.99°N,116.30°E)、成都(30.63°N,104.09°E)、厦门(24.44°N,118.10°E)和香港(22.34°N,114.17°E)的NO2柱体密度。新疆NO2的垂直柱体密度介于7.5×1015(卡拉库勒湖,38.44°N,75.05°E)和1.41×1017molecules/cm2(乌鲁木齐,43.81°E,87.60°E)之间。北京、成都、香港和厦门的NO2垂直柱体密度分别为8.50×1016、7.42×1016、5.62×1016和4.92×1016molecules/cm2。将新疆NO2污染程度与中国其它几个主要城市进行对比,可为反映中国西部地区工业快速发展提供参照。     

大气光学遥感监测技术现状与发展趋势

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求,综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理,详细介绍了几种主流的大气监测技术,包括傅里叶变换红外光谱技术,差分吸收光谱技术,激光长程吸收技术,可调谐激光二极管吸收光谱技术,差分吸收激光雷达技术,指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。     

MAX-DOAS仪器观测O4吸收对气溶胶参量的敏感性研究

研究了基于地基差分吸收光谱技术观测的O4吸收反演气溶胶光学参量的敏感性.利用大气辐射传输模型McArtim分析了不同波长、不同气溶胶光学参量(光学厚度、边界层高度、单次散射反照率、非对称因子)对O4吸收(大气质量因子)的影响.结果表明,大气质量因子对中心波长变化不敏感,气溶胶光学厚度和边界层高度对O4吸收具有重要影响,气溶胶光学厚度从0.1增加到1时,3°仰角测量的大气质量因子减少了28%,边界层高度从0.1 km增加到1 km,3°仰角测量的大气质量因子增加了9.2%.平纬圈观测模式下O4吸收对单次散射反照率和非对称因子具有较好的灵敏度,提供了一种基于地基MAX-DOAS观测O4吸收反演气溶胶光学参量的新方法.     

被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究

研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO₂等大气污染气体排放通量的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量。文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO₂和NO₂排放进行外场测量,测得了该区域内SO₂和NO₂净排放通量分别为1.13×104和9.3×103 kg·h-1。实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量。