光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力,利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息,实现目标表面光谱信息的真实记录,基于光场多光谱成像原理,采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割,设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm,焦距为240 mm,F数为4,全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明:设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。     

基于近红外高光谱成像技术的小麦不完善粒检测方法研究

小麦作为主要的粮食作物在我国农业生产、运输、食品加工等方面占有重要地位。不完善籽粒严重影响了小麦质量与粮食安全。不完善籽粒主要在生产、存储、包装等过程中产生，目前我国小麦质量检测多以人工分选为主，但存在人主观性较强，肉眼易疲劳，且费时费力等问题，因此，如何快速准确鉴别小麦不完善粒是现阶段提高生产率和保证粮食安全的重要问题。运用高光谱成像技术和特征波段选取方法提出一种快速有效的小麦不完善粒鉴别方法。利用近红外高光谱成像系统获得1 000粒小麦样本在862.9～1 704.2 nm共256个波段的高光谱反射图像，其中包括健康粒、生芽粒、霉变粒和赤霉粒各250粒，提取每个样本感兴趣区域的平均反射率光谱作为分类特征。本文首先对提取的全波段光谱信息进行窗口平滑、一阶导数差分、矢量归一化等数据预处理，将原始光谱数据的隐藏信号放大并消除随机误差；在预处理的基础上运用伪偏最小二乘(DPLS)和正交化线性判别分析(OLDA)对光谱进行特征提取，降低数据的冗余度；最后采用仿生模式识别(BPR)建立四类小麦的鉴别模型。实验结果表明，采用全波段光谱信息建立的小麦不完善粒鉴别模型的平均识别精度达到97.8%，分析结果可知，利用近红外高光谱成像技术的全波段光谱信息对小麦不完善粒鉴别是可行的。尽管全波段光谱信息取得了较好的鉴别效果，但高光谱成像设备较为昂贵，获取高光谱全波段光谱信息数据量较大，无法满足对现场设备运算速度的高要求，因此，采用连续投影算法(SPA)对全波段光谱数据进行特征波段的选择，使波段数量由256维降低到10维，从而提高系统的可行性和运算速度。采用选取的10个特征波段建立小麦不完善粒鉴别模型，实验结果表明10个特征波段的平均识别精度仅为83.2%，分析结果可知，尽管采用10个特征波段提高了系统实时性，但鉴别准确性较差。为达到与全波段特征基本相当的鉴别效果，利用光谱特征与图像特征结合的方法建立小麦不完善粒鉴别模型，将上述选取的10个特征波段的形态信息、纹理信息和光谱信息进行结合，实验结果表明，10个特征波段的光谱信息与图像信息结合使鉴别的平均识别精度达到94.2%，此识别效果与利用全波段光谱数据的识别效果基本相当。利用高光谱成像系统探索了小麦不完善粒鉴别的可行性，通过分析以上实验可知，基于近红外高光谱成像技术对小麦不完善粒检测具有良好的效果，在有效的提高运算速度的同时也保证了系统的鉴别精度，为后期小麦不完善粒快速检测设备的开发提供了有效的研究方向。     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

基于LCTF的多光谱成像系统辐射定标

基于LCTF的多光谱成像系统与传统机械滤光片式的成像光谱仪有所不同,它利用液晶电控双折射效应实现分光,从而得到二维图像信息和一维光谱信息。针对基于LCTF的多光谱成像系统自身的结构和性能特点,采用了基于积分球+光谱辐射计的定标方法,从暗电流、稳定性、响应均匀性和响应线性度等方面阐述了定标内容,通过两点校正的图像校正算法提高了图像质量,并对辐射定标的不确定度进行了分析,通过实验验证了定标精度。结果表明:采用的定标方法和数据处理算法获取的定标系数准确有效,定标后的系统精度较好。     

基于高光谱图像信息融合的红提糖度无损检测

红提糖度是重要的内部品质衡量指标,传统的检测方法均为破坏性生化检测,本文基于高光谱成像技术,提出了一种基于高光谱信息融合的红提糖度含量无损检测方法。采集并提取260个红提样本的光谱信息和图像信息,对光谱信息分别利用SNV、S-G等光谱预处理方法建立PLSR模型,确定最好的光谱预处理方法,分别采用一次降维(GA、CARS、IRIV)算法和组合降维算法(CARS-SPA、IRIV-SPA、GA-SPA)共六种降维方法对光谱信息进行特征变量提取;获取灰度共生矩阵的图像纹理信息,结合图像的颜色信息(R、G、B、H、S、V、L、a、b),组成19个图像特征参数,采用PCA算法对图像信息进行降维,分别建立基于降维处理后的光谱信息、图像信息以及两者融合的红提糖度线性预测模型PLSR、非线性预测模型LSSVM,并对比分析模型的优劣。结果表明,若只利用光谱信息建模,IRIV-SPA可有效地提取红提糖度光谱信息的特征波长,提高模型的预测性能;若只利用图像信息进行建模,模型的预测性能不好,PCA降维有效地提高了模型的预测性能,但提高的性能有限;将IRIV-SPA特征波段提取后的光谱和经PCA降维后的图像信息进行融合,分别建立PLSR和LSSVM模型,红提糖度的最优PLSR模型的校正集和预测集相关系数分别为0.943,0.941;红提糖度的最优LSSVM模型的校正集和预测集相关系数分别为0.954,0.952。LSSVM所建模型的效果好于PLSR所建模型,但模型的运算时间较长。两种模型的精度均比单方面基于光谱或图像信息的模型都有较大的提高,表明融合高光谱图像的光谱与图像信息不仅可以提高模型的运算速度、简化模型,同时有效地提高了红提糖度预测性能,为红提糖度的检测找到了一种新的方法。     

时空调制型干涉成像光谱仪的强光干扰效应仿真研究

干涉成像光谱技术是利用光的干涉原理获取目标光谱信息的一种成像技术。为研究其在强光下的干扰效果和机理,以大孔径静态成像光谱仪为典型对象,开展了相关仿真实验研究。以实际地物的图像和光谱信息为对象,仿真生成了原始干涉成像图案,并模拟830 nm单波长激光和超连续谱激光两种干扰源,分别研究不同辐照强度下的典型干扰效果,分析时假设光谱角大于30°时原始光谱信息丢失。基于本文的仿真模型,得到的相关结果表明,在830 nm的单波长激光干扰情况下,当干扰与目标成像峰值之比大于0.2∶1时原始光谱信息无法正确复原（光谱角大于30°）,但模拟加入830 nm滤光片后,干扰效果被有效滤除。在超连续谱激光干扰情况下,不考虑饱和阈值时光谱角数值最终稳定在21°;考虑探测器饱和阈值为目标成像强度峰值3倍时,干扰与目标成像峰值之比大于2.1∶1时,原始光谱信息便无法分辨。该研究可能为同类型光谱仪的激光辐照效应和损伤机理的后续研究,以及光谱成像系统的激光防护和性能优化提供参考。     

特征光谱图像中导弹尾焰的模糊识别

助推段导弹有高温、大面积的尾焰,根据尾焰光谱特征可准确识别导弹。将其应用到天基预警系统能够使导弹防御系统趋于完善,但光谱信息数据量庞大,从获取光谱信息到识别光谱信息需要耗费大量时间。为此,寻找能够代表导弹尾焰光谱的特征光谱,使用模糊算法对特征光谱进行数据处理,以达到准确、快速识别的目的。利用已有的红外图像和大气、云层、导弹及飞机尾焰光谱数据进行特征光谱图像拟合,经信噪比分析后可知,特征光谱图像比全波段红外光谱图像的信噪比高。分别使用模糊算法和光谱角测度对拟合图像进行处理,结果表明模糊算法的实时性和准确性优于光谱角测度。     

一种卫星平台振动光谱成像数据分块校正方法

卫星平台的振动会降低光谱成像数据的质量.以星载色散型成像光谱仪为例,介绍了其运动成像的退化机理.针对传统二维反卷积算法存在的问题以及推扫机理的特殊性,提出了一种光谱成像数据分块校正方法.该方法将分块处理、升维运算以及灰度渐变拼接相结合,将基于自然景物统计规律的图像去模糊算法运用于降质成像光谱数据的校正中.分别进行了不同目标的光谱成像退化校正仿真实验,实验结果表明,光谱成像数据质量在空间维和光谱维都有了明显提高,校正效果优于传统二维反卷积算法.     

基于多光谱成像技术的面部痤疮识别研究

痤疮是属于丙酸杆菌皮肤病脉的一种慢性炎症,它危害着人体健康。虽然市面上存在痤疮识别手段,但其仪器较大且费用昂贵,目前尚无民用级别的痤疮识别系统投入使用。本文提出一种基于多光谱成像技术的面部痤疮识别方案,即利用多光谱相机设备,分别对面部正常与不同严重程度痤疮皮肤进行多光谱图像信息采集,通过图像处理方法对采集的信息进行多光谱图像分析,并通过光谱反演算法获取光谱信息。然后将反演出的正常和不同严重程度痤疮皮肤的反射率谱线,与高精度光谱仪在同等实验条件下探测的谱线趋势进行对比。最后建立支持向量机(support vector machine, SVM)面部痤疮三度四级分类模型,准确率为90%,验证了基于多光谱成像技术对面部痤疮无创识别与分类的可行性。     

基于光谱精确采样的高光谱相机转扫成像几何校正

针对转扫式光谱成像系统在数据采集过程中,由于转台转速过快造成校正后的影像存在有数据漏洞,以及获取的原始影像数据存在有严重几何形变,影响影像上地物信息的分类与识别等问题,介绍了转扫式光谱成像系统的组成并给出数据采集一般过程,根据数据采集时单帧影像的覆盖范围和系统采集影像的速率等信息,在数据采集时对转台速度进行控制;结合影像获取时的起始与终止角度以及传感器距离前视点的距离等信息,详细推导了转扫式光谱成像空间定位模型,并对定位后影像进行格网划分和光谱重采样,给出了影像畸变校正的一般流程;鉴于影像空间定位后相邻帧间影像空间分辨率不一致,同时为保证获取最大的影像分辨率,采用最小空间采样间隔作为坐标定位后影像格网划分单元;考虑到新生成均匀格网与不均匀格网叠加进行光谱取值时,采用直接光谱采样可能造成的光谱混叠失真问题,提出了基于位置分布的光谱精确采样方法,以张家界老司城获取的高光谱影像数据为例进行畸变的校正,校正后影像上地物保持了原有的几何特征,验证了算法的正确性,同时抽取不同地物点的光谱数据进行相关系数计算,结果表明改进的光谱采样算法优于直接光谱采样,为同类产品的地面应用提供参考。     

无人机载多光谱侦察效能研究

光谱成像探测技术将成像技术和光谱技术结合在一起,能够提供丰富的目标场景信息。对多光谱成像探测技术进行了详细研究,针对迷彩伪装目标侦察设计了无人机载多光谱摄像机,重点分析了多光谱侦察探测、识别的计算方法。通过试验验证,多光谱侦察效能提高20%~50%。     

基于先验组分的多谱CT序列DCM融合算法研究

多谱CT成像是通过不同谱段的CT图像表征检测对象中的不同组分。为了便于在同一视图中显示所有组分的信息,需要研究多谱CT序列的融合方法;但是常用融合方法如加权平均法、小波变换融合法等都是针对图像细节信息的优化,不能表达组分的物理特性,从而导致融合图像的灰度不具有物理表征性,影响CT的定量检测。为此,结合具有物理表征特征的数据约束模型(DCM),开展了基于先验组分的多谱CT序列DCM融合算法研究。首先通过能谱滤波分离的成像方法获得多个能谱范围内的多能投影数据,采用TV-OSEM算法重建不同能谱段的CT序列;其次,利用传统DCM模型和改进DCM模型分别对多谱CT序列进行融合,传统DCM模型是严格单能的,由于滤波后能谱的非严格单能特性,其融合结果不能表征出对象序列中的全部组分。针对此问题提出了改进DCM模型。改进DCM模型选择了新的体元定义,并且在多谱CT序列融合中引入先验组分作为参照,通过先验物质对融合结果中其他物质进行校准,实现检测对象中各组分位置的准确分布。仿真实验表明,该方法可从物理表征正确性的角度,实现多谱CT序列融合,在满足CT序列中不同组分区分的同时,其融合图像的灰度具有物理可参照性,有利于后续的CT定量检测。     

多波段红外图像的海面舰船目标检测

现有的基于单个红外宽波段的海面舰船目标探测系统在面对复杂海天背景、岛岸背景、恶劣天气、亮带干扰或诱饵弹干扰等情况时,系统的探测率、虚警率、探测距离等性能指标均会受到严重的影响;为此,开展了基于多波段红外图像的海面舰船目标检测方法的研究。通过中波红外多波段数据采集系统实际采集107组五个中波红外波段的图像;波段1-5分别为3.7～4.8,3.7～4.1,4.4～4.8,3.7～3.9和4.65～4.75 μm;对多波段图像进行手动标注构建样本数据集,其中,正样本舰船目标298个,负样本非舰船目标353个。对于多波段红外图像,首先进行PCA降维并采用选择性搜索算法生成初始目标候选区域;针对候选区域中存在大量明显的非舰船目标区域的问题,利用积分图像计算候选区域的局部对比度,依据红外舰船目标的几何和灰度特征从初始目标候选区域中筛选出舰船目标可能性大的区域作为舰船目标候选区域。然后对舰船目标候选区域进行拓展以融入局部上下文信息,对于候选区域对应的5波段红外图像,分别提取每个波段图像的稠密SIFT特征,并将128维SIFT特征向量降为64维,融入SIFT特征的空间和波段位置分布信息得到新的特征向量,基于高斯混合模型对候选区域的特征向量集合进行编码融合得到舰船目标候选区域的费舍尔向量表示,最后利用线性SVM分类器识别出舰船目标。对多波段图像进行舰船目标候选区域生成实验,所提出的基于红外舰船目标的几何和灰度特征的约束方法可以有效地克服选择性搜索算法的不足,从初始目标候选区域中快速定位出舰船目标候选区域,对25组多波段图像进行实验,舰船目标候选区域生成的整体耗时为0.353 s,定位舰船目标区域耗时0.005 s。对100个正负样本进行目标识别测试,所提出的目标识别算法融合了目标的多波段图像特征信息,通过引入费舍尔向量挖掘了多波段图像梯度统计特征的深层次信息,算法的识别率达到了0.97,显著高于单波段红外图像的目标识别率。对25组多波段图像进行舰船目标检测实验,所提出的舰船目标检测方法能够在海天背景、岛岸背景以及亮带干扰等不同场景下完成海面舰船目标的检测工作,舰船目标定位准确,舰船目标召回率达到了0.95,每组多波段图像的平均检测耗时为1.33 s。研究结果表明,充分考虑海面舰船目标在红外图像中与局部海洋背景的辐射差异以及有效地融合舰船目标在多个红外波段图像中的辐射特征,可以增强舰船目标的可分性,提高舰船目标的识别率以及检测率,为基于多波段红外图像的海面舰船目标检测提供了新的技术支持。     

一种八谱段滤光片成像系统设计

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.     

基于能谱匹配先验的多谱CT成像方法

现有的X射线CT成像系统,受限于多谱硬化伪影和传统单能假设的CT成像方法,只适用于结构分析却无法实现材料组分的有效区分。对此论文提出了基于能谱匹配先验的多谱CT成像方法。首先依据材料组分先验,构建能谱滤波匹配模型,设置能谱范围参数,并通过滤波获取该能谱范围内的多能投影序列;其次,针对多能投影序列,以材料组分为先验选择不同参考能量,采用改进后的ART迭代重建算法,实现了多谱CT成像。仿真实验结果表明,对于衰减系数相近的多种材质,通过选取两段不同能谱范围,重建出相应参考能量下的结果,在一定程度上改善了图像质量,对比度提高明显,可实现组分有效区分与成像。     

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

扫描多光谱显微成像

文本描述了一种新的显微成像方法,它把光学扫描显微成像技术与成像多光谱技术巧妙地结合在一起,形成扫描多光谱显微成像技术.文中叙述了系统的结构及工作原理,介绍了所采用的图像处理系统,给出了实验结果,并进行了分析讨论.     

弱小目标空间坐标测量中的目标检测识别方法

针对弱小目标空间坐标测量系统中的目标检测与识别,提出了一系列提高系统捕获率的方法.该方法根据图像与目标特性,采用改善背景图像质量、判别目标成像特性和设置成像时间窗口来获得目标识别和交汇数据,最后对识别交汇结果进行反演来提高系统弱小目标检测识别能力从而最终获得较高捕获率.试验表明这些方法对于提高系统捕获率是有效的.     

Novel image fusion method based on discrete fractional random transform

We introduce a new spectrum transform into the image fusion field and propose a novel fusion method based on discrete fractional random transform （DFRNT）. In DFRNT domain, high amplitude spectrum （HAS） and low amplitude spectrum （LAS） components carry different information of original images. For different fusion goals, different fusion rules can be adopted in HAS and LAS components, respectively. The proposed method is applied to fuse real multi-spectral （MS） and panchromatic （Pan） images. The fused image is observed to preserve both spectral information of MS and spatial information of Pan. Spectrum distribution of DFRNT is random and uniform, which guarantees that good information is reserved.     

基于二维振镜的多光谱集成靶标设计及应用

为了提高基于二维振镜光轴平行性检测方法的检测精度,简化测量操作步骤,设计了一种基于二维振镜扫描系统的多光谱集成靶标。通过多光谱集成靶板与LED照明光源结合,解决一靶专用中需要频繁更换、反复调校靶板及光源的问题。利用二维振镜进行十字分划中心对准,提高CCD检测方法的测量精度;采用像差优化的卡塞格林准直系统,改善十字分划成像质量。通过光轴平行性检测实验,多光谱集成靶标校准精度达到了0.10 mard,该精度满足多光谱光电系统光轴平行性高精度和自动化检测的要求。