推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪（WIS）数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。     

推扫误差对计算光谱成像数据重构的影响分析

计算光谱成像技术利用计算方法改变传统成像方式,在光路中引入编码模板实现正变换,最后通过逆变换获得目标光谱数据立方体。介绍了一种推扫式编码孔径计算光谱成像仪的成像原理,在实际应用中,其推扫速度与帧频的匹配误差会影响光谱数据重构的准确性。在建立了推扫模型的基础上,得到了重构数据的误差项,分析了匹配误差对光谱数据重构的影响,并引入光谱二次导数误差和strehl比分别作为复原光谱和空间图像的评价参数,进行了数据仿真分析,结果表明,当一组完整数据的累积误差超过一个像元时,明暗变化剧烈的区域恢复结果比较差,而对比较均匀的区域影响不大;累计误差不超过0.5个像元时,各通道的strehl比均在0.9以上,并且光谱能量越低的通道strehl比越小,因此编码模板的行列数越多平台的稳定性要求越高。     

顾及光谱混叠的高光谱相机任意方向侧扫几何成像

以移动平台的线推扫式高光谱相机横向推扫成像不同于以卫星平台或飞机平台的竖直摄影成像方式,其属于水平方向推扫竖直方向成像,存在投影面选择、空间方位确定以及光顾混叠等问题。针对上述情况,详细推导了适合于线阵高光谱相机地面推扫的影像像素地理参考模型,可以进行任意方向的地面横向推扫成像;结合影像的地面采样间隔大小及推扫成像的区域范围,给出了地理参考后影像格网划分的一般过程;同时,考虑到在影像格网划分过程中存在的舍入误差,以及在影像校正过程中采用传统直接光谱采样可能造成的光谱掺杂问题,提出了基于地理参考后相邻像素重叠面积作为权重系数进行加权融合的改进光谱采样方法。最后进行了大量地面横向推扫成像实验,并依据上述算法进行了影像畸变校正,验证了线阵影像几何畸变校正算法的有效性及鲁棒性,同时,对校正好后的影像选用多个样本点进行了光谱数据验证,实验表明改进后的光谱采样方法明显优于直接光谱采样算法,为同类产品的地面应用提供参考。     

连续推扫计算光谱成像技术

计算光谱成像技术具有高通量、快照成像等优点,但快照成像采样数据量不足,导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究,提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术,利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径,通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。仿真和实际成像结果表明,连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响,理论上可完全重构图谱信息,重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术,连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置,也不需要凝视成像,系统中没有活动元件,稳定性高,适用于常规航空航天遥感推扫成像。     

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。     

基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究

将数字微镜器件(DMD)应用于压缩感知(CS)关联成像,在该成像方案中,只需用无空间分辨能力的桶探测器,并结合相应的算法就能得到物体的像;将此成像方案应用于多光谱成像,仅需用线列探测器就能得到物体多光谱像,简化了多光谱成像探测的光电记录过程.通过对关联成像和CS理论的介绍阐明了成像原理.在实验平台上搭建演示装置,分别用...     

基于摆扫反射镜的大视场成像像移模型

为实现大视场技术指标,建立了一种基于摆镜转动的摆扫成像模型。通过对摆扫成像与推扫成像模式的比较,分析得出当横滚角等于摆镜转角的2倍时,摆扫成像能够实现与推扫成像小姿态时相同的视场;经过实验验证,在横滚角为2°、4°、6°、8°、10°时,本文的方法与推扫成像模型像移相对误差在1%以内,偏流角大小相对误差在0.001%以内,两种方法保持了较好的一致性,保证了模型的合理性与正确性。此外,该模型还可以通过实时地控制摆镜的转动来实现穿航方向上的对地的扫描成像,进而实现大视场、宽幅盖对地成像,减小回访周期,提高空间相机对地成像的工作效率。     

高速多光谱 TDI CCD 成像电路系统

为实现多光谱TDI CCD的高速高信噪比成像,利用可空间应用的多光谱TDI CCD传感器研制出了高性能成像电路系统。该系统以现场可编程门阵列（ FPGA）为核心逻辑单元,带有RS422外围通信控制接口,并采用CAMERALINK接口输出图像数据。系统具有动态推扫成像的能力,可同时输出全色和彩色两种模式的图像数据。利用灰度条纹的靶标对传感器的3个多光谱（ R、G、B）感光区标定白平衡,利用彩色条纹的靶标对系统进行成像测试,在驱动频率为15 MHz的情况下,系统单片CCD输出的图像数据率达到1.2 Gbps。试验结果表明,获取全色图像的信噪比达到了53.56 dB,各多光谱图像的信噪比较高的也在40 dB以上,满足空间对地高分辨多光谱遥感成像的技术指标要求,对高速空间多光谱遥感相机的研制具有借鉴意义。     

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。     

基于稀疏阵赝热光系统的强度关联成像研究

强度关联成像在近几年取得很大的突破,其应用价值越来越明显。以随机涨落的热光作为光源是强度关联成像的前提。目前常使用激光穿过旋转的毛玻璃产生赝热光。鉴于使用毛玻璃产生赝热光的局限性,提出了使用稀疏阵独立子光源产生赝热光,并在这种光源结构下讨论了基于线性关联算法的强度关联成像和基于稀疏约束非线性算法的强度关联成像的异同。     

基于频域分解的融合鬼成像方法

针对传统鬼成像对比度差、信噪比低的问题,提出了一种基于频域分解的融合鬼成像方法.该方法将参考光路中获得的散斑图进行频域变换,选取合适的阈值将其分解为高频散斑和低频散斑,通过分别对高低频散斑与桶探测器得到的值进行关联运算得到高低频鬼像,最后利用逆非下采样剪切波变换重构出最终的鬼像.以对比度和峰值信噪比为评价指标,通过4组实验仿真验证了融合鬼成像方法的有效性.仿真实验结果表明,融合鬼成像的峰值信噪比/对比度较计算鬼成像、差分鬼成像方法分别平均提高了41%/173%、27%/135%.     

Robust Ghost Imaging Based on Degenerate Spontaneous Parametric Down-Conversion

In traditional ghost imaging, the entangled photon pairs produced from the spontaneous parametric down conversion(SPDC) process are used. There is an intrinsic disadvantage that the utilization efficiency of the photon pairs is very low. Inasmuch as all the correlated photon pairs produced by the degenerate SPDC process can be used to record the image of an object, the ghost imaging scheme we present here has a higher utilization efficiency of the photon pairs. We also investigate the robustness of our experimental scheme. The experimental results show that, no matter whether the photon-pair source is two light cones or two beam-like spots, the clear image of the object can be obtained. The slight rotation of the nonlinear crystal has no influence on the imaging quality.Our experimental results also demonstrate that when the part of the photon-pair source in the signal path or the idler path is blocked by unwanted things, the clear ghost image of the object can still be recorded.     

基于二值化计算鬼成像的盲水印方法

提出了一种基于二值化计算鬼成像的盲水印方法.首先将水印图像经计算关联成像加密系统加密,并将加密数据二值化,然后将其隐藏到宿主图像的离散余弦变换域,实现水印信息的嵌入.水印信息的提取和重建是隐藏和加密的逆过程,分别借助提取密钥和解密密钥获取水印信息.仿真实验证明,该方法具有很好的隐蔽性,在嵌入因子α=10时,嵌入水印仍具有较好的不可感知性,含水印图像的峰值信噪比在38 dB以上;另外,该方法也具有一定的容错能力,提取的加密数据错误率达20%时,重建的水印信息仍能分辨和识别;与传统的计算鬼成像相比,加密数据的二值化为水印嵌入提供了方便,但是并未对重建图像带来严重恶化,其相关系数相差不足0.1;水印信息的提取无需借助原始宿主图像,是一种盲提取方法.     

Ghost Imaging with High Visibility Using Classical Light Source

We experimentally demonstrate a novel ghost imaging experiment utilizing a classical light source,capable of resolving objects with a high visibility.The experimental results show that our scheme can indeed realize ghost imaging with high visibility for a relatively complicated object composed of three near-ellipse-shaped holes with different dimensions.In our experiment,the largest hole is ~36 times of the smallest one in area.Each of the three holes exhibits high-visibility in excess of 80%.The high visibility and high spatial-resolution advantages of this technique could have applications in remote sensing.     

X光超瑞利散斑场傅里叶变换关联成像模拟研究

X光傅里叶变换关联成像有望实现台式纳米显微系统,但在实际应用中受限于较低的光通量和成像信噪比,重构图像质量不佳.为解决这一问题,针对X光调制屏的二元特性,研究了基于X光超瑞利散斑场的傅里叶变换关联成像技术,并理论推导了二元调制屏调制散斑场,提出将散斑场对比度以及局部对比度之差作为目标函数,用带精英策略的非支配排序遗传算...     

基于二值化计算鬼成像的图像隐藏方法

图像隐藏技术在当今大数据时代扮演着重要角色,尤其在版权保护和保密通信等领域中有着巨大的应用价值。提出了一种基于计算鬼成像的图像隐藏方法,目标图像经过计算鬼成像系统加密,随机散斑作为系统密钥,将密文进行二值化后的结果采用最低有效位算法嵌入到宿主图像中,利用相应的水印提取规则和二阶相关算法恢复目标图像。仿真结果表明,该方法具有较好的隐蔽性,嵌入水印图像的峰值信噪比可以达到50 dB,授权用户可以用密钥获得目标图像,同时,所提方案有一定的容错能力,对椒盐噪声和图像裁剪具有一定的鲁棒性。     

一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术

为了改善光学成像中的成像质量和效率,提出一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术.通过物镜、编码板、色散元件、准直镜、聚焦镜、探测器等组成前端成像系统,然后,利用稀疏重构算法在后端处理器上重构光谱数据,从而将成像运算量从前端转移到后端.同时,引入块重构、错位预处理、多帧重构技术,提高重构的准确度,减小后端处理内存,降低计算复杂度.通过仿真实验对原始数据和重构数据的光谱曲线、信噪比、光谱误差、分类识别效果等指标进行对比分析,结果表明,利用本文压缩传感技术可以实现超分辨光学三维成像,且成像质量较高,数据应用效果较好,可用于大幅宽、高分辨率、低功耗、动态目标的成像观测.