干涉型成像光谱仪在轨辐射定标技术应用

为提高干涉型成像光谱仪空间目标测量精度,降低传感器中各个探测元响应度差异,提升成像光谱仪在轨辐亮度测量准确性。提出了一种基于定标场反射率测量参数结合计算程序仿真与成像仪在轨测量数据比对的空间定标方法。首先在介绍高光谱定标概念的基础上,提出了不同光谱响应函数、不同场地条件下的高精度入瞳亮度计算方法;其次对干涉型成像光谱仪进行在轨相对辐射修正,校正传感器中各探测元相应度差异,利用反射率基法开展了在轨绝对辐射定标试验,针对可见光、近红外波段建立在轨辐射定标计算模型。解决了包括多种反射率场地、高精度测试区域指示的试验方案优化设计问题,实现了星载高分辨率干涉型成像光谱仪的在轨高精度定标。研究结果表明,采用该定标技术使成像光谱仪的在轨测量精度达到5%。此外,定标场地环境条件对模型计算精度有一定影响,大面积均匀场适合采用反射率基法,小面积均匀场则引入邻近像元效应进行计算,通过布设人工指示目标,可提高反射率测量数据的准确性。所采用的定标技术已获得工程应用。     

空间目标的激光主动成像系统性能分析

针对空间目标探测,介绍了激光主动成像系统的组成,详细分析了空间目标及背景的辐射特性;根据成像分辨率、调制对比度、最小可探测功率、系统信噪比等参数,分别给出作用距离模型,并对激光主动成像系统性能进行分析和仿真计算;仿真结果表明：利用激光主动成像探测系统可对一定距离的空间目标进行成像探测。     

一种高光谱成像光谱仪光谱定标方法

介绍了一种高光谱成像光谱仪的光谱定标方法,高光谱成像光谱仪是一种结合光谱探测和成像特点的仪器,在CCD靶面上形成光谱和空间成像的二维图像,因此,其光谱定标方法较传统光谱定标方法有较大的不同。针对高光谱成像光谱仪的特点设计了一套光谱定标光路,采用高斯曲线拟合的方法确定中心波长的位置,提取光谱维方向的半高宽作为光谱带宽,采用最小二乘法进行全波段光谱定标,经过拟合计算得到该光谱定标方法的标准差为0.23nm,满足使用要求。同时为该种光谱定标方法应用于多种类型的高光谱成像光谱仪定标过程中提供了宝贵的经验。     

目标对复杂背景辐射的光散射

利用电磁辐射和散射理论，讨论了目标表面双向反射分布函数，利用Lowtran7大气传输模型计算大气背景辐射，通过双向反射分布函数将背景入射光照度和目标散射亮度结合起来，推导了粗糙面对复杂背景辐射光散射强度空间分布表达式，讨论了散射的相干和非相干分量，完成了目标对阳光、大气背景辐射的光散射的光谱分布和空间强度分布的计算，对于粗糙朗伯面将公式进行了简化。     

快照成像光谱仪快速光谱重构算法

为实现对光谱数据的快速实时处理,针对快照式傅里叶成像光谱仪,提出一种基于GPU的并行化光谱重构算法.通过分析快照式成像光谱仪的工作原理和数据特性,结合CUDA并行计算架构,对光谱重构算法可并行部分最大程度并行化,并针对并行计算中的内存分配等方面进行优化处理,实现并行化的光谱重构算法.实验结果表明:基于GPU的并行化光谱重构算法,相对CPU串行化算法,精度相同的情况下,计算效率提升了约25倍.利用GPU加速程序的并行部分,可以极大地提高光谱重构的效率,使得快照式成像光谱仪更加适用于实时测量当中.     

卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统的SNR模型建立

为使采用数字域时间延时积分(TDI)技术的空间高分辨率成像系统的信噪比(SNR)指标能够在前期论证过程中被准确的评估出来,提出了基于该技术的信噪比评估模型。首先分析了卷帘数字域时间延时积分(TDI)技术的工作机理,然后对基于CMOS图像传感器的成像系统的主要噪声进行了详细分析,提出了基于卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统的SNR模型,最后利用设计的基于国产CMOS图像传感器的空间光学相机的辐射定标实验结果验证SNR模型的正确性。实验数据表明采用提出的SNR模型算出的信噪比与图像中计算得到的信噪比在入瞳辐亮度在27.1044-5.5117,SNR范围内理论值和实验值之间的差值在2.1d B以内。而对于只有在白天进行成像的光学系统来说,其入瞳辐亮度不会超出这个范围。     

自适应噪声谱估计抵消技术及其应用

为扩大虚拟暗室EMI(electromagnetic interference,电磁干扰)测试系统的应用范围,提高系统测量精度,改善其在复杂环境下的测试效果,借助自适应滤波及维纳滤波理论对基于传统自适应噪声抵消模型建立的测试系统进行分析,传统测试系统的参考通道存在的设备辐射分量制约了系统应用范围,从而不能实现任意信噪比环境下的高精度测量.同时,提出基于谱估计的自适应噪声抵消模型,该模型建立的虚拟暗室系统通过对测试系统主通道信号进行谱估计,得到设备辐射信号及噪声信号的功率谱密度,并根据该功率谱密度对参考通道信号进行针对性抑制,以滤除参考通道辐射信号分量,从而提高测试系统的适用性及精度.仿真实验表明:该方法在高、低信噪比环境下均能准确地提取设备辐射信号并准确复现受试设备的辐射信号,提高了虚拟暗室系统对环境噪声的抑制能力,增强了虚拟暗室系统的环境适应性.     

基于改进的Kolmogorov谱湍流模型的图像退化研究

大气湍流干扰空中目标的成像探测,使得观测到的目标图像是严重抖动和模糊的。文章研究了这些抖动和模糊效应,总结了湍流流场的统计特性和光在大气中的传输特性,具体分析了湍流效应退化图像的特征。采用包含了湍流内外尺度影响的波结构函数、折射率谱以及成像系统退化函数的新退化模型,相比Kolmogorov谱模型,该模型引入了更完整的先验约束条件,更接近大气湍流的物理特性。通过对计算结果进行分析,验证了退化模型的合理性,并对图像退化给出了定量的描述。对进一步进行湍流效应退化图像校正算法研究具有重要意义。结果表明采用了改进的Kolmogorov谱模型的图像的退化效果更加接近真实的退化情况。     

大气湍流参数对图像退化效果影响的研究

对远处目标进行观测时,大气湍流是影响成像质量的主要因素,使得观测到的目标图像是严重抖动和模糊的。研究几种大气相关参数对图像退化的影响,总结了影响图像退化的主要的大气湍流相关参数,对退化图像的特征进行了分析。采用包含湍流内外尺度影响的波结构函数、折射率谱以及成像系统退化函数的改进的Kolmogorov谱湍流退化模型,该模型引入更完整的先验约束条件,更接近于大气湍流的物理特性。通过该退化模型对大气湍流相关参数进行仿真研究,对图像退化进行理论描述,总结了对图像退化影响的主要的大气相关参数。对进行湍流相关参数的测量和湍流退化图像校正的复原算法的研究具有重要意义。实验结果表明大气相干长度和格林伍德频率是影响图像退化主要的大气湍流相关参数。     

强光源影响下的单幅图像去雾

针对强光源影响所造成的非均匀大气情况,通过分析强光源对均匀大气雾天图像退化模型的影响,将大气光分量分为全局大气光常值分量和强光源影响分量,从而提出了一种针对强光源影响下的雾天图像去雾新方法。该方法首先自动获得图像中强光源的中心位置及拟合区间,然后利用最小二乘法计算强光源影响分量的二维高斯拟合,在输入雾图中去除强光源影响分量后得到大气光常值分量的估计值,进而根据暗通道先验知识估算大气透射率,最后利用所得参量对雾天图像进行去雾。实验结果表明,该去雾方法对户外强光源影响下的自然雾天图像复原效果较好。     

航天遥感器的辐射灵敏度模型

辐射灵敏度表明遥感器对输入信号的响应能力,辐射灵敏度的分析包括辐射灵敏度的计算以及辐射灵敏度的不确定性分析。本文提出航天遥感器辐射灵敏度的分析模型,在模型中给出辐射灵敏度的计算方法,同时,所有相关参数的不确定性均已包含于辐射度灵敏度模型中,允许对其进行误差分析。最后,对一种中分辩率成像光谱仪的辐射灵敏度性能进行了分析和计算。     

基于远红外相机的被动式光场成像

光场成像是一种在可见光波段得以广泛应用的计算成像方式,是一种对常规成像方式的增强与拓展。为了解决远红外相机存在的信噪比低下问题,本文通过引入光场成像的手段,设计了一种基于远红外相机的相机扫描构型光场成像系统,在4D全光函数理论与双平面光场参数化模型的基础上,通过采集关于样品对环境红外背景辐射反射的4D光场信息,并利用4D光场重构算法,实现对光场2D切片的预处理与4D光场的2D重构,以此实现了较之单纯光场成像手段更加显著的固定模式噪声抑制与信噪比提升效果。     

干涉成像(傅立叶变换)光谱仪发展概述

干涉成像（ 傅叶变换） 光谱仪是八十年代末发展起来的一种较先进的遥感器, 较之色散型成像光谱仪, 它具有光通量大等优点, 适于对可见和红外弱辐射的探测。本文简要回顾了空间遥感技术中的干涉成像光谱仪的发展背景, 并对其主要形式、原理、特点以及目前在国内外的发展、应用状况进行了概要的介绍     

基于极光光谱图像的氧辐射特征仿真推演

极光分光光谱仪成像所得重要辐射特征包括氧原子所激发的557.7、630.0、636.4 nm谱线,这些谱线和入射电离层的高能电子能通量、中高层大气粒子成分密度等都有着紧密联系.本文结合引发极光的电子碰撞反应物理机制构建氧辐射特征仿真模型,利用极光光谱图像557.7、630.0 nm谱线估计最接近真实成像情况下的入射电子能通量,实验结果表明仿真中基于假设光强比推演得到的氧辐射谱线像素预测值较真实值高估了1~1.29倍.     

超光谱成像技术

美国轨道成像公司利用极具军用价值的超光谱成像技术，首次向商界提供分辨率为２０米的超光谱图像。超光谱成像技术是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术。主要设备由超光谱成像光谱仪、移动式地面站组成，根据光谱分辨率（光学遥感器的性能指标之一，是指遥感器在接收目标辐射的光谱时，能分辨的最小波长间隔。这种间隔越窄，光谱分辨率越高）的不同，可分为多光谱型、超光谱型和超高光谱型三种，其光谱分辨率分别为几十个、数百个和上千个谱段。超光谱成像仪能够在连续光谱段上对同一目标同时成像，…     

电离层时空变化效应对星载及月基SAR成像影响:现状与展望

合成孔径雷达(SAR)作为一种主动传感器,具备全天时、全天候的观测能力,已广泛应用于对地观测中.然而,无线电信号在空间传播过程中会不可避免地受到电离层效应的影响,导致信号的相位、幅度发生变化,使得工作在电离层之上的SAR系统的成像性能受到干扰.本文分别从法拉第旋转、背景电离层和电离层不规则体三个方面介绍了电离层效应对不同轨道SAR系统成像性能的影响,并总结了电离层效应的补偿修正方案.最后,给出了电离层效应对星载和月基SAR成像影响的一些亟待解决的问题,以促进星载和月基SAR成像的发展及应用.     

采用加权L1范数稀疏模型构造DOA估计的方法

在以GPS辐射源发出信号作为探测信号的无源雷达系统中,针对回波通道内强干扰低信噪比情况下的多目标波达方向(DOA)估计问题,根据GPS辐射信号以及无源雷达系统特点,提出一种采用改进加权L1范数的约束模型构造DOA估计的方法。先采用批处理抵消算法(extensive cancellation algorithm,ECA)估计目标信号的时延和多普勒频移等参数,消除直达波和多径干扰,然后利用改进权值的L1范数作为约束条件,建立稀疏模型进行DOA估计,在低信噪比环境中无需估计干扰参数,以较低的计算复杂度进行准确DOA估计。仿真结果表明:该方法减少了计算复杂度,在相同配置下运行时间比MUSIC-like方法降低了1.18 s;同时也提高了准确性,其均方误差较MUSIC-like方法和Candes方法降低了0.5°~3.7°,低信噪比环境下分辨概率较MUSIC-like方法和Candes方法提高了0.4~0.6。     

采用改进的退化模型恢复湍流降质图像

采用考虑湍流内外尺度影响的退化模型来恢复大气湍流降质图像,运用包含了湍流内外尺度影响的波结构函数、折射率谱以及薄透镜成像的退化函数导出了新的退化模型。相对由Kolmogorov谱推导出的模型,该模型引入了更完整的先验约束条件,更接近大气湍流的物理特性。针对飞机目标湍流退化图像,利用约束最小二乘滤波的方法对该退化模型进行了复原验证,模拟结果表明了该模型比较理想,恢复效果较好。     

陆地高光谱遥感数据的大气校正算法分析

针对大气散射、气溶胶散射和太阳反射等因素影响,使传感器接收到的数据与地表反射的数据不一致,造成遥感图像失真的问题,本文为了将高光谱成像数据用于陆地表面的定量遥感,必须消除大气影响,对所获得的信息进行大气校正。通过运用辐射传输模型法对遥感数据进行大气校正,并采用经验法与辐射传输模型法相结合的混合方法进行大气校正。研究结果表明,将ATREM和现场光谱测量相结合,可以在与校准点不同的海拔上改善大气校正,地面校准消除了与传感器伪影和辐射传输模型相关的残留误差。该研究可以使遥感图像准确地获得地表信息。     

细胞内分子检测及成像技术研究

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术.