超光谱成像探测系统的图谱标定和评估

超光谱成像是一种场景图谱合一的技术,在战场侦察中得到了迅速应用。超光谱成像系统的标定是确定其输出准确数值的过程。分析了一种基于背照减薄CCD和凹面光栅成像光谱部件的UV/Vis/NIR超光谱军用探测系统,其光谱分辨力为3.3 nm;探讨了0.25～1.1μm工作波段内超光谱成像系统的标定和评估方法,详细介绍了以带有测试靶均匀辐射源为对象的空间成像质量评估、以激光和Hg灯为基础的光谱质量评估以及利用高精度标准辐射源的辐射性能标定。在经过多步辐射校正和光谱真实性检测验证后,最终获得的景物反射率光谱曲线真实反映了光谱特性,满足了0.2mrad的空间分辨力和±0.5％色散线性率的精度要求并在军用探测系统中进行了反伪装的成功应用。     

干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

提出了一种干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)原理及实现方法。CTII把空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理巧妙结合,因此整个系统在原理上具有高灵敏度、高光谱分辨率,以及高空间分辨率。分析和讨论了CTII的工作原理,给出了一种实用CTII的光路结构;对典型目标的投影图像进行实验,实验结果验证了本方法的可行性。     

Demonstration of a high-speed nonscanning imaging spectrometer

We report results from a field demonstration of a nonscanning high-speed imaging spectrometer [computed-tomography imaging spectrometer (CTIS)] capable of simultaneously recording spatial and spectral information about a rapidly changing scene. High-speed spectral imaging was demonstrated by collection of spectral and spatial snapshots of a missile in flight. This instrument is based on computed-tomography concepts and operates in the visible spectrum (430-710nm). Raw image data were recorded at video frame rate (30frames / s) and an integration time of 2ms. An iterative reconstruction of the spatial and spectral scene information from each raw image took 10s. We present representative missile spectral signatures from the missile firing. The accuracy of the high-speed spectrometer is demonstrated by comparison of extended-source static-scene spectra acquired by a nonimaging reference spectrometer with spectra acquired by use of CTIS imaging of the same static scenes.     

星载超光谱成像技术发展与展望

超光谱成像技术由于能够同时获取目标的空间信息和光谱信息,显著提高了空间遥感技术对地物的探测和识别能力,在对地观测和深空探测领域具有广阔的应用前景。总结了星载超光谱成像技术近三十年来的国内外研究现状,对国内外典型超光谱成像仪的技术指标、技术特点和应用领域进行了论述。分析结果表明：高空间分辨率、高光谱分辨率是超光谱成像技术未来的发展趋势,offner光栅色散型超光谱成像仪是一个重要的发展方向。     

Modeling and compensating non-uniformity in push-broom NIR hyperspectral imaging system

In this paper, a novel pixel-based model for the response of push-broom near infrared (NIR) hyperspectral cameras based on focal-plane array (FPA) photo-detectors is proposed. The model focuses on practical issues affecting the system response, such as the spatial and spectral non-uniformity (NU) observed in NIR hyperspectral imaging systems, and its novelty relies on considering the operating temperature of the FPA as a signal perturbing the response of the entire system. These effects have been estimated by experimental procedures. The applicability and accuracy of the proposed model has been assessed by mitigating for the spatial and spectral non-uniform responses of a real NIR hyperspectral imaging sequence.     

高光谱成像技术无损检测赣南脐橙表面农药残留研究

高光谱成像技术具备图像和光谱的双重优势,作为一种快速无损检测分析技术,检测过程无损、无污染和无接触。高光谱成像数据包括样本的图像信息和光谱信息,采集样本高光谱成像数据时,样本的每个像素点都有一条光谱与之对应,样本的每个波长都有一幅灰度图像与之对应。研究采用高光谱成像技术无损检测不同稀释浓度的农药在赣南脐橙样品表面残留随时间变化的关系。用蒸馏水把农药分别配置成1∶20, 1∶100和1∶1 000倍的溶液。然后把不同浓度的溶液滴到30个洗净的脐橙表面, 将涂有农药的脐橙分别放置0,4和20 d,然后采集在900～1 700 nm波长范围的高光谱成像原始数据。通过主成分分析获取930,980,1 100,1 210,1 300,1 400,1 620和1 680 nm共8个特征波长,基于这些特征波长做第二次主成分分析,应用PC-2图像并经过适当的图像处理方法对不同浓度及放置不同天数的农药残留进行无损检测。采用高光谱成像技术检测三个时间段较高稀释浓度的果面农药残留都比较明显。高光谱成像技术作为一种检测方法,可用于评价各个时间段较高浓度的农药残留。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

农产品外部品质无损检测中高光谱成像技术的应用研究进展

高光谱成像技术是一种传统图像及光谱的融合技术,可以同时获取研究对象的空间及光谱信息.由于图像数据能反映农产品的外部特征、表面缺陷及污斑情况,而光谱数据又可以对物体内部物理结构及化学成分进行分析.因此,近几年在农产品品质无损检测中引起越来越多的关注,成为一个研究热点.为了跟踪国内外的最新研究成果,对高光谱反射及荧光成像技术应用于农产品(水果、蔬菜、肉类、谷物等)的外部品质检测进行了分类综述,以期为高光谱技术在农业方面更广阔的应用提供参考.     

图-谱结合的压缩感知高光谱视频图像复原

针对液晶可调滤波片高光谱成像系统记录动态场景的成像特点,提出一种图-谱结合的压缩感知高光谱视频图像复原方法。首先,通过前景目标检测获得运动前景目标的高光谱图像,实现运动前景目标与背景区域分离,并根据前景目标检测结果将背景区域划分为运动区域(被前景目标遮挡区域)与静止区域(未被前景目标遮挡区域)。然后,基于高光谱图像空间维、光谱维相关性,对静止区域进行字典学习获得稀疏先验信息,结合压缩感知理论用于运动区域恢复,得到完整的背景区域高光谱图像。最后,将运动前景目标高光谱图像与背景区域高光谱图像相结合,得到高光谱视频图像。实验结果表明:本文提出的高光谱视频图像复原方法在峰值信噪比和视觉效果上都要优于现有算法,峰值信噪比平均提高5 d B以上。     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

基于邻域分割的空谱联合稀疏表示高光谱图像分类技术研究

传统的高光谱遥感影像分类算法侧重于光谱信息的应用。随着高光谱遥感影像的空间分辨率的增加,高光谱影像中相同类别的地物在空间分布上呈现聚类特性,将空间特性有效地应用于高光谱遥感影像分类算法对分类精度的提升非常关键。但是,高光谱影像的高分辨率提供空间聚类特性的同时,在不同地物边缘处表现出的差异性更加明显,若不对空间邻域像素进行甄选,直接将邻域光谱信息引入,设计空谱联合稀疏表示进行图像分割,则分类误差较大,收敛速度大大降低。将光谱角引入空谱联合稀疏表示图像分类理论中,提出了一种基于邻域分割的空谱联合稀疏表示分类算法。该算法利用光谱角计算相邻像素的空间相似度,剥离相似度较低的邻域像素,将相似度高的邻域像素定义为同类地物,引入空谱联合稀疏表示模型中,采用子联合空间追踪算子和联合正交匹配追踪算子对其优化求解,以最小重构误差为准则进行分类。选取AVIRIS及ROSIS典型光谱影像数据进行实验仿真,从中可以看出,随着光谱角分割阈值的提高,复杂的高光谱影像分类精度和平滑区域的高光谱影像分类精度均逐步提高,表明邻域分割在空谱联合稀疏表示分类中的必要性。     

基于空-谱约束的中餐馆过程混合模型高光谱图像聚类方法

高光谱图像分类是高光谱研究的重要内容,也是许多其他应用的前提。针对传统高光谱图像分类仅考虑光谱信息而忽略空间信息的问题,对距离依赖的中餐馆模型(distance dependent Chinese restaurant process, ddCRP)进行改进,提出一种基于空-谱约束的中餐馆过程混合模型(spatial-spectral Chinese restaurnt process, ssCRP)用于高光谱图像聚类。该模型充分考虑像素邻域的空间和光谱信息,并将其统一纳入模型的建模及求解过程中,得到一般基于像素的聚类方法无法实现的效果,可在一定程度上满足高光谱图像聚类分析的需求。首先,为利用高光谱图像的空间和光谱信息,定义基于像素空间距离和光谱角的指数衰变函数作为像素间相似性的度量。然后,在考虑像素相似性的基础上利用基于餐桌的构造形式为每个像素确定所在的餐桌。最后,对每张餐桌分配一道菜作为聚类类别,从而达到聚类的目的。利用航空可见-近红外成像光谱仪AVIRIS高光谱影像评估该模型性能,实验结果表明：ssCRP模型可较好地实现高光谱图像的自动聚类,与传统的K-means和ISODATA方法相比,该模型结果斑块规整,“椒盐效应”得到抑制,具有较高的空间一致性,分类精度高,其总体精度达到63.57%,Kappa系数为0.632 3,能很好反映真实地物分布。同时,分类结果的地物间边界清晰,能很好保持图像边缘。     

卫星振动频率和振幅对高光谱成像质量影响的仿真分析和实验研究

在星载推扫式高光谱成像仪成像过程中,卫星平台以振动为典型形式的姿态运动会导致探测器上不同的地物信息相互混叠,引起高光谱图像质量的退化。为了更有效地抑制、校正与补偿卫星振动引入的成像误差,针对典型色散型推扫成像光谱仪受平台振动而产生的空间维、光谱维质量退化的机理进行仿真分析和实验研究。通过分析其曝光时间内的光谱混合过程,得到了地物光谱和卫星姿态之间的关系,建立了推扫光谱成像退化模型。该模型综合考虑了不同姿态振动模式的影响,只要给出每个时刻的卫星平台姿态参数,即可通过普适的系数矩阵计算得出每个混合像元的平均混合比,进而获得仿真的退化高光谱数据立方体。详细推导了平均混合比的一般表达形式,对振幅、频率等振动参数对光谱混合的影响分别进行了定量分析。以实际运动状态下拍摄获得的高光谱数据立方体为例,进行了退化仿真和地面模拟运动退化实验,并对退化前后的高光谱数据进行了评价。结果表明,退化仿真和实际退化效果吻合,平均混合比能够直接反映高光谱图像退化的程度;卫星振动造成高光谱图像空间维质量恶化,使不同地物目标的光谱发生了混叠;高光谱数据的退化程度主要由振幅决定,振动频率对退化的影响较小。     

Advances in multispectral and hyperspectral imaging for archaeology and art conservation

Multispectral imaging has been applied to the field of art conservation and art history since the early 1990s. It is attractive as a non-invasive imaging technique because it is fast and hence capable of imaging large areas of an object giving both spatial and spectral information. This paper gives an overview of the different instrumental designs, image processing techniques and various applications of multispectral and hyperspectral imaging to art conservation, art history and archaeology. Recent advances in the development of remote and versatile multispectral and hyperspectral imaging as well as techniques in pigment identification will be presented. Future prospects including combination of spectral imaging with other non-invasive imaging and analytical techniques will be discussed.     

Hyperspectral image fusion based on sparse constraint NMF

The spatial resolution of hyperspectral image is often low due to the limitation of the imaging spectrometer. Fusing the original hyperspectral image with high-spatial-resolution panchromatic image is an effective approach to enhance the resolution of hyperspectral image. However, it is hard to preserve the spectral information at the same time of enhancing the resolution by the traditional fusion methods. In this paper, we proposed a fusion method based on the spectral unmixing model called sparse constraint nonnegative matrix factorization (SCNMF). This method has a superior balance of the spectral preservation and the spatial enhancement over some traditional fusion methods. In addition, the added sparse prior and NMF based unmixing model make the fusion more stable and physically reasonable. This method first decomposes the hyperspectral image into an endmember-matrix and an abundance-matrix, then sharpens the abundance-matrix with the panchromatic image, finally obtains the fused image by solving the spectral constraint optimization problem. The experiments on both synthetic and real data show the effectiveness of the proposed method.     

基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。     

Toward a UV-visible-near-infrared hyperspectral imaging platform for fast multiplex reflection spectroscopy

A reflection hyperspectral imaging system covering a 350-1000nm spectral range is realized by a UV-visible-near-IR Fourier transform imaging spectrometer. The system has a simple design and good spectral and spatial resolving performance. Accurate and fast microspectroscopic measurement results on novel colloidal crystal beads demonstrate the system has practical potential for high-throughput molecular multiplex assays.     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000 nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5 μm,光谱分辨率可达2 nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5 s·B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11 μs·B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。