高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋生物检测方面的应用

海洋是涵盖超过70%地球表面的连续海水,发展先进的海洋生物光学监测手段对海洋生态系统的保护至关重要。文中综述了笔者团队在小型高光谱图谱仪与激光雷达系统搭建及其在海洋生物检测等应用上的部分近期工作。图谱仪方面介绍了不同空间扫描方式的高光谱图谱仪在透射、反射及荧光等不同工作模式下,对数种藻类、斑马鱼等海洋生物进行了图谱检测,并且基于图谱数据结合机器学习算法实现了微藻种类的精准分类和藻类生长周期的准确预测;在激光雷达方面详述了使用非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在实验室和近岸实地环境进行了多次水生生物的测量实验,成功获取其荧光高光谱,证明了非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物监测应用中的巨大潜力。此外,笔者团队还搭建了一套四维凝视成像探测系统能实现高光谱分辨率（3 nm）、高空间分辨率、高深度精度（27.5 μm）的精准探测。     

基于沙氏成像原理的激光雷达技术研究进展（特邀）

当成像系统的物面与光学透镜所在平面不平行时,如果像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线—即满足沙氏成像原理（也称沙姆定律）,则成像系统依然可对物面清晰成像,从而实现理论上的无穷远景深。基于沙氏成像原理而发展起来的沙氏激光雷达可采用连续波二极管激光器作为光源以及图像传感器作为探测器,因而具备近距离探测盲区小、结构紧凑、低维护、高性价比等特色和优势。近年来,沙氏激光雷达技术逐渐应用于大气环境监测、三维目标成像、荧光（高光谱）激光雷达探测、生态学研究、燃烧诊断、水体光学测量等领域。文中将系统性地阐述沙氏激光雷达技术的基本原理,详细探讨其在相关领域取得的最新研究进展,并对未来研究工作进行展望。     

基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮探测方法研究

对基于蓝绿激光的海水光学传输信道特性进行了分析,提出了利用蓝绿激光雷达探测海洋赤潮的新方法。利用蓝绿激光具有较强的海水透过性,可以获取较深海域的赤潮信息。通过检测海水中蓝绿激光的后向散射信号,可以实现对海洋赤潮密度信息的获取。在分析海洋赤潮粒子吸收和散射特性的基础上,建立了基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮密度探测模型。通过仿真计算,证明该模型可以有效探测出海洋赤潮密度的大小,进而可以实现对海洋赤潮消长过程的监测和预报。     

激光雷达监测海面溢油遥感理论

超连续谱激光在保持激光原有的高能量密度和良好的方向性的基础上,还具有较宽测量谱段的特点,因此与传统的被动式遥感方式相比,超连续谱激光雷达具有很多独特的优势。在海面溢油探测领域,对溢油事故的发生进行及时而准确的监测是十分重要的,当前采用的遥感探测技术均存在各种缺陷,而超连续谱激光雷达能够在夜晚和白天持续工作,且由于探测信号为回波信号,因此能够实现较大的探测距离和较高的遥感精度。本文主要从海面溢油监测现状、大气对激光传输的影响以及海面溢油高光谱遥感原理入手,对激光雷达海面溢油遥感理论进行了介绍。     

月球表面原位光谱探测技术研究与应用（特约）

探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键，而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位（In-Situ）光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测，是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查，需要开展月球表面原位光谱探测技术研究，突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术，研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器，在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪，介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术，包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用；最后，也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。     

1.064μm激光在海水中传输特性的研究

为了实现激光雷达监测海洋赤潮的目的,采用红外激光能较好地反映藻类悬浮粒子密度等信息.分别就海水中水分子、浮游植物、黄色物质、悬浮颗粒与1.064μm激光的吸收和散射特性展开研究,最终构建了1.064μm激光在海水中的探测模型.通过对模型的仿真计算可知,红外激光雷达能有效地探测水下0.8m内的海水水域.结果表明,1.064μm激光水下探测深度可满足监测海洋表层藻类粒子密度的要求.     

激光雷达与高光谱遥感对地立体探测研究

将激光雷达对大气,水体的透视及对地精确测距定位的立体成像探测能力和高光谱技术相结合,发展先进的空、天基对地立体成像综合定量探测系统,是国家对大气、陆地和海洋精确立体综合定量探测的迫切需要,也是遥感技术自身发展进步的要求,激光与地面、水体和大气的相互作用及其在高光谱的遥感响应是空,天基激光雷达和高光谱对地立体成像综合定量探测的核心理论基础和关键科学问题.综述了激光雷达对地探测系统的研究现状和发展趋势.提出了新的基于激光雷达与高光谱遥感的对地立体探测系统.将激光雷达对大气、水体的透视以及对地的精确测距定位与高光谱技术相结合,介绍了该系统的原理方法和特点.从激光雷达和高光谱数字影像的广义大气修正和地形辐射改正,大气光学厚度与程辐射图像的生成,激光雷达的非均匀水体修正和水底地形改正,激光雷达和高光谱与介质以及目标的相互作用,多源数据融合等五个方面阐述了该体系的关键技术及其研究思路.     

多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

主要介绍了可用于海上溢油监测的多通道海洋荧光激光雷达系统及实验研究.该激光雷达系统采用Nd:YAG激光器三倍频激光(355 nm)作为探测光源,使用口径为20 cm的卡塞格林望远镜接收海面返回的荧光信号,经光栅光谱仪分光后对380 - 690 nm范围内的荧光信号进行采集.通过实验室激光诱发油样本的荧光数据分析,研究了...     

海洋激光遥感技术研究进展(特邀)

国内正处于实施21世纪海洋丝绸之路战略部署的关键时期,发展海洋光学技术是支撑国家中长期发展战略的重要方向。海洋激光遥感技术是海洋光学的重要研究领域之一。激光雷达作为近年来快速发展的新型主动遥感技术,由于其具有高精度及高时空分辨率的优点,已在海洋激光遥感领域得到广泛的应用。文中基于布里渊散射激光雷达和海洋成像激光雷达介绍了海洋激光遥感技术的研究进展,以及我国在水体参数测量、水下目标探测和海洋地形地貌的激光遥感中的应用。     

星载高光谱成像仪的发展及军事应用

随着航天技术的发展,星载高光谱成像技术日趋成熟并得到广泛应用。首先对高光谱成像的基础概念及特点进行了阐述,然后从国内、国外两个角度系统介绍了近二十年星载高光谱成像仪的发展状况,并分析了其主要性能指标和相关遥感应用,最后对星载高光谱技术在战场环境侦察、海洋军事行动监测、战场气象环境评估、导弹预警探测等方面的军事应用进行了分析概括,并通过举例进行了简要说明。     

面向海上溢油的SPR原理折射率检测实验系统

为有效地预防、控制海上溢油事件对经济和海洋生态环境造成的严重影响,针对不易被早期发现的小面积溢油,结合表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）传感技术的实时性、灵敏度高、样品消耗少等特点,提出了一种新颖的小型海上溢油监测系统。具体而言,根据所采用的非扫描角度调制模式下的四层Kretschmann型棱镜耦合传感结构和原油样品折射率变化范围,通过MATLAB仿真确定传感装置中各元件最优参数和相对固定位置,得到理论检测灵敏度为6.09410-5 RIU。依仿真结果搭建实验装置,对蔗糖溶液和原油样品进行了实验分析。实验表明:蔗糖溶液检测灵敏度与理论仿真灵敏度同数量级,达到9.01710-5 RIU,证实实验装置有效,原油检测结果符合SPR响应趋势,验证了该系统方案的可行性。     

基于最大熵阈值分割的SAR图像溢油检测

近年来,海上溢油事故频发,使用(合成孔径雷达)SAR遥感图像进行溢油检测有着十分重要的意义。本文提出了一种基于最大熵阈值分割的SAR图像溢油检测算法,算法运算简单,适用于星载平台,可实现高效准确的检测。由于SAR成像存在固有的相干斑噪声,首先需要进行滤波对噪声进行抑制。图像中存在的陆地区域会对溢油检测产生影响,通过先验知识利用经纬度信息对其进行掩模处理,之后采用滑动窗口的方法,在窗口内部基于最大熵选取最佳的分割阈值,最后对分割产生的小块区域进行滤除,并依据距离信息合并相邻的区域。算法使用GF-3卫星图像进行验证测试,并与其他算法对比表明,本算法可满足遥感图像检测实时性、准确性的要求。      

Automated Hyperspectral Cueing for Civilian Search and Rescue

Hyperspectral remote sensing provides information related to surface material characteristics that can be exploited to perform automated detection of targets of interest and has been applied to a variety of remote sensing applications. This paper explores the application to civilian search and rescue, using the Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance (ARCHER) system developed for the Civil Air Patrol as a key example of how evolving hyperspectral technology can be employed to support these operations. ARCHER combines a visible/near-infrared hyperspectral imaging system, a high-resolution visible panchromatic imaging sensor, and an integrated geopositioning and inertial navigation unit with onboard real-time processing for data acquisition and correction, precision image georegistration, and target detection and cueing. Processing for detecting downed aircraft wreckage and other related objects employs real-time adaptive anomaly detection and matched filtering algorithms, and a non-real-time change detection mode to provide further false alarm reduction in some instances. This paper describes the system technology, with an emphasis on the current and evolving automated target detection methods, and summarizes the operational experience in the airborne employment against civilian search and rescue missions.      

基于灰度共生矩阵的海洋溢油识别算法研究

如何通过图像处理和计算机视觉的方法,在可见光范围内,通过提取图像特征以达到分类识别海洋溢油的目的是溢油识别的一种新的尝试和思路。通过提取和优化视频图像的灰度共生矩阵参数特征,结合支持向量机(SVM)模式分类技术,实验并成功开发出具有实用价值的稳定的海洋溢油自动识别系统,验证了在可见光条件下通过视频图像处理技术可以较好地识别海洋溢油的思路。     

滤光片分光型高光谱相机发展现状及趋势（特邀）

高光谱相机可将成像技术与光谱探测技术相结合,在对目标空间特征成像的同时,可以对每个空间像元形成多个窄波段实现连续的光谱覆盖,不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。与传统的空间二维成像相比,高光谱相机可以同时获取目标的空间和光谱信息,在一定的空间分辨率下,能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱,对地物的精准识别和探测具有显著优势,目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段,在农、林、水、土、矿等资源调查与环境监测等领域具有重要的应用价值。随着滤光片镀膜技术的飞速发展,极大地促进了滤光片分光型高光谱相机的研制,目前基于滤光片分光原理的高光谱相机以大幅宽、高空间分辨率、高光谱分辨率和轻小型的优势成为高光谱遥感载荷的重要组成部分,在微纳卫星高光谱星座组网中获得广泛应用。主要对滤光片分光型的高光谱相机进行了综述,介绍了国内外典型滤光片分光型星载高光谱成像载荷,以及地面在研的滤光片分光型高光谱成像系统,并分析了这些系统的技术方案、性能指标及应用前景,阐述了基于滤光片分光原理的高光谱相机的技术特点和优缺点,最后展望了滤光片分光型高光谱相机的发展趋势。     

面向高光谱探测的伪装效果评价方法

20世纪80年代发展起来的高光谱成像技术能充分探测并利用地物的光谱信息,有着较强的伪装识别能力,而传统的伪装评价方法主要基于伪装和背景的空间特征,不适用于基于光谱特征的高光谱伪装探测技术。提出了一种面向高光谱探测的伪装效果评价方法。该方法以伪装目标和背景的光谱特征及光谱导数特征的综合相似度为评价指标,综合相似度值越大则说明伪装效果越好。同时通过实验评价了三种伪装材料的伪装效果,其中绿色棉质布料与背景综合相似度为0.976 6,伪装效果最佳。最后在高光谱图像分类技术基础上提出了错分率的概念,验证了评价方法的客观性。所提出的伪装评价方法对于面向高光谱探测的新型伪装材料的设计有一定的指导意义。     

利用最小冗余最大相关和SVM的SAR图像海上溢油识别

近年溢油事故频发,海洋污染日益严重。利用合成孔径雷达（SAR）卫星可以有效跟踪由海上溢油事故导致的油膜扩展情况。利用最大冗余最小相关-支持向量机（mRMR_SVM）算法进行SAR图像溢油识别,为溢油事故决策支持提供重要前提。首先采用mRMR提取最优特征向量集,对输入值进行降维; 然后采用SVM算法解决油膜图像分类问题,同时选择径向基函数（RBF）为核函数;使用训练集训练该模型,调整模型参数;以测试集特征向量作为输入,利用训练好的模型进行溢油识别。实验结果表明,mRMR_SVM模型对SAR图像的油膜和类油膜识别有效,准确率为96.875%.