基于多核CPU的干涉成像光谱仪快速数据重建方法

成像光谱仪作为一种航空航天遥感器工作,可以同时得到地物的二维空间图像信息和一维光谱的丰富信息,在颜色和光谱测量、真彩色图像合成、军事侦察等领域有着很高的实用价值。为了达到对干涉成像光谱仪数据快速处理的要求,使用 OpenMP 并行计算技术设计了基于多核 CPU 的成像光谱仪快速数据重建优化算法,并将其应用到我国“环境一号”卫星的高光谱数据处理任务中。实验结果表明,基于多核的并行计算技术能有效调动多核CPU的硬件资源,大幅度提高光谱重建处理任务的计算效率。如果将该技术应用到更多核的并行计算工作站上,单台计算机完成干涉成像光谱仪数据的实时处理任务将成为可能。     

高光谱摆扫型压缩成像及数据重建

高分辨率的应用需求使得传统的高光谱遥感成像系统面临高速率采样、海量数据存储等难以突破的瓶颈问题,压缩感知理论为传统高光谱遥感所面临的瓶颈问题提供了解决可能.针对高光谱压缩感知成像,提出了一种摆扫型高光谱压缩成像系统,该系统采用光栅、柱面透镜、二维编码孔径和线性传感阵列等光电器件,一次曝光中可获取空间像素点的光谱维向量对应的多个压缩采样值.在压缩感知数据重建过程中,为了充分利用高光谱图像的空间相关先验信息,提出了一种空间预测迭代重建算法.实验结果表明,与标准压缩感知重建算法对比,该算法在压缩感知采样率超过0.2时重建图像信噪比可提高10 dB以上.所设计的系统简单易实现,可应用于星载、机载等遥感平台的高光谱压缩成像.     

新型光谱测量技术发展综述

光谱测量技术在无损检测、地质勘探、农业普查等诸多方面均有广泛应用,且随着技术的发展,相关工艺器件近几年得到了长足的进步。在结合实际应用需求的前提下,比较全面地介绍了光谱测量技术的发展历史,以及近年来相关技术的研究现状和发展动态。并且从传统型、计算型、多路复用型三个角度较详细地总结了目前光谱测量的主要形式。着重介绍了包括计算层析、压缩感知、傅里叶变换、哈达码变换等多种光谱测量技术的原理及实现方法,并分别总结了优缺点。对目前光谱测量技术中亟待解决的问题进行了分析总结,对未来光谱测量手段的发展进行了展望。     

基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时数据处理系统研究

根据干涉式光谱仪系统数据处理技术,研究了一种基于大容量高速现场可编程门阵列(FPGA:Field Programmable Gate Array)器件的干涉式成像光谱仪实时数据处理片上系统,它将干涉图采集和光谱复原集成在一个FPGA芯片内,可实时完成干涉图采集和光谱复原处理,具有体积小、运算速度快以及稳定可靠等优点,为成像光谱仪对目标的实时探测和识别等应用奠定了良好的技术基础.     

航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片（AOTF）光谱仪、液晶可调谐滤光片（LCTF）光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。     

基于ADV212的光谱数据压缩系统研究

为了解决现有的存储介质和传输带宽与成像光谱仪(imaging spectrometer)异常庞大的光谱数据量之间的矛盾,本论文选用FPGA搭载JPEG2000压缩专用图像压缩芯片ADV212的方式;利用Xilinx的嵌入式开发套件所提供的可编程嵌入式开发平台和Xilinx MicroBlaze软核处理器设计了硬件系统来实现光谱数据压缩。系统设计使用专用图像压缩芯片,所以不必花费大量时间对JPEG2000算法进行优化,处理数据的速度较高,还原图像的质量较好而且实现起来简单,技术成熟可靠稳定。并在基于DMD的哈达玛成像光谱仪上对所设计系统进行了验证。结果表明该系统达到实时压缩光谱数据的要求。     

基于压缩感知理论的雷达成像技术与应用研究进展

压缩感知理论基于信号稀疏性,将对信号采样转换为对信息自由度的采样,可大大降低采样率。而将压缩感知理论应用于雷达成像时有望在以下几个方面得到改善：增强成像性能,简化雷达硬件设计,缩短数据获取时间,减少数据量和传输量等。该文从压缩感知的稀疏性,压缩采样,无模糊重建3个关键步骤与成像雷达有机结合的角度,对近年来基于压缩感知理论的雷达成像技术研究现状进行系统综述,重点论述场景稀疏性与成像关系, 压缩采样方法(包括硬件)设计,场景图像快速高精度重建以及成像系统体制应用等方面,最后探讨了压缩感知理论应用尚需解决的问题和进一步发展方向。     

无成像镜全反射傅里叶变换成像结构光谱检测的机理研究

全反射傅里叶变换成像光谱仪在航空航天遥感等领域具有重要的应用。专门设置的柱面镜和准直系统，使得光路结构复杂，不仅增加了成像光谱议光学设计和安装调试、维护的难度，同时也增加了成像光谱议的重量和光能的损耗。提出了一种无成像镜实现成像光谱检测的结构，对其检测机理进行了研究。对波长632.8nm、940nm和3000nm进行光谱检测的仿真实验表明，其光谱测量误差小于1%。     

基于光谱成像技术的地理遥感信息三维显示研究

考虑地理遥感图像尺度空间极点这样一种二维观测数据,通过光谱成像技术实现地理遥感信息的三维显示,对于提高地理遥感图像重建质量具有重要应用价值。以光谱成像原理为基础,通过高斯差分函数利用卷积创建光谱成像技术获取的地理遥感图像尺度空间,利用高斯金字塔采用降采样计算获得尺度空间各层金字塔,通过对金字塔内的每张图片实行差分运算,获得地理遥感图像尺度空间极值点;将该极值点作为二维观测数据中的一种,依据二维观测数据基于压缩感知理论以及采用编码孔径快照光谱成像系统完成地理遥感图像信息的光谱压缩采样后,采用两步迭代收缩阈值重建法重建三维光谱图像。实验验证该方法重建的地理遥感图像信噪比高、重建效率和精度高。     

高光谱关联成像标定系统中干涉截止滤光片的研制北大核心CSCD

基于压缩感知理论的关联成像是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基,对信号作投影测量再利用测量矩阵和探测数据通过计算成像的方式重构高光谱图像,因此使用压缩感知成像系统进行光谱成像时必须通过标定获取其测量矩阵。本文搭建了一套高光谱关联成像标定系统,通过干涉截止滤光片完成了高光谱关联成像标定系统中薄膜器件的设计。选择K9玻璃作为基片材料,五氧化二钽(Ta_(2)O_5)和二氧化硅(SiO_(2))为高、低折射率材料。根据光学薄膜基础理论,结合Essential Macleod膜系设计软件实现了膜层的设计,在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成了薄膜的制备,采用Lamda1050分光光度计测试在350~380 nm范围的反射率为99.61%,400~740 nm范围的反射率为0.98%,该研究具有重要的实际意义和工程价值。     

成像光谱仪的发展与应用（特邀）

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。     

基于CMOS传感芯片的荧光检测系统研究进展

回顾了荧光检测系统的发展历史,详细阐述了与半导体CMOS技术结合后荧光检测系统微型化的发展过程,包括基于CMOS荧光传感芯片的直接式和间接式荧光检测系统。最后,提出了一种新型的微型化单片集成CMOS荧光传感芯片,为荧光检测系统的设计和应用提供了新思路。     

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。     

相位调制阵列结构微型光谱仪的设计与仿真实验研究

介绍了一种相位调制阵列结构微型光谱仪。光谱仪的核心部件为构建在CCD或CMOS上的微型干涉仪二维阵列,阵列中的各个微型干涉仪由不同高度的PMMA台阶组成。待测光入射后,会在各个微型干涉仪下方形成不同的干涉光强分布。通过CCD或CMOS的像素元测量每个微型干涉仪下方的干涉光功率,所得数据可组成一个线性方程组,由Tikhonov正则化方法解此方程组可复原光谱。仿真实验结果显示,光谱仪的光谱测量波长范围至少覆盖从300nm到1 100nm的波段,光谱测量的波长分辨率达到皮米量级。与传统光谱仪相比,该光谱仪具有体积小、成本低、分辨率高、光谱测量范围宽、测量时振动因素影响较小和可实时测量等优点。可以预计它将在航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测和生物细胞检测等领域有着广阔的应用前景。     

多传感器光谱视频成像系统中的图像对齐研究

多光谱视频成像能够同时采集场景的空间、时间和光谱信息,可广泛应用于遥感、农业监测和材质分析等多个领域。然而传统光谱仪往往包含光学色散分光结构,系统复杂、标定困难,难以普遍推广。因此,文中搭建了一种多传感器小型化光谱视频成像系统,提出了一种基于相机姿态的多视点图像或视频快速对齐方法,实现了嵌入式平台上的多光谱视频的实时采集和对齐。通过复杂场景的实验验证,文中提出的对齐方法在PSNR、SSIM客观指数以及主观视觉评价中均取得了良好的效果。     

基于压缩传感的红外或毫米波无源高分辨率成像

设计了一种基于压缩传感理论的红外或毫米波无源成像系统。 压缩传感是一种利用稀疏或可压缩的先验信息进行信号获取和重建的技术,它能以远低于奈奎斯特采样率的速率对信号 进行采样,并可实现高精度的重建。针对传统系统的固有缺点设计的上述毫米波无源成像系统,能在压缩传感理论的指导下进行成像。仿真结果表 明,该系统具有良好的成像性能,提高了峰值信噪比,改善了分辨率,并大大压缩了数据存储量。     

空间高光谱成像通道可编程技术

随着光学、信号处理和焦平面探测器等基础技术的不断发展,当今在空间运行的高光谱成像仪已可以达到几十至几百个波段,并且具有相当高的信噪比和动态范围,但一般仪器由于数据量偏大,导致遥感作业效率偏低,这在一定程度上限制了它的应用范围,而且高光谱通道数的提高与空间平台的数据传输资源之间的矛盾日益突出.为此,介绍了空间高光谱成像系统中的通道可编程技术,可以较为有效地克服数据传输问题.     

光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式，使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集，导致现有成像系统复杂，数据量大、效率低。针对现有技术的不足，提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制，单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号；应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像；利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像，对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像，最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统，降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道，也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。     

基于压缩感知的偏振光成像技术研究

偏振成像技术是一种基于目标自身辐射或反射信号中所包含的偏振信息获取物体图像的方法,尤其在人工目标的探测和表面识别方面,相对光强度探测方式具有独特的优势。针对传统的偏振成像技术在复杂的成像环境中成像距离短和成像质量差的缺点,提出了一种基于压缩感知的新型偏振光成像技术。阐述了压缩感知理论的基本原理,构造了合适的采样矩阵和重构算法,设计了具体的成像系统,并通过压缩感知偏振成像实验证明了该成像技术的可行性。空气中实验结果表明,该成像系统能够重构出预先放置目标靶的偏振图像。此外在现有的实验条件基础上讨论并提出了几种改进系统成像质量的措施。     

基于TOF计算成像的三维信息获取与误差分析

TOF三维成像技术具有帧内并行主动探测、获取景物信息的实时性好、环境光影响小、测量精度高、抗运动干扰性强、平均功耗低等优势,在三维智能感知、工业检测、SLAM等领域有着广泛的应用前景,特别是在自主导航,驾驶控制与智能系统中作为获取实时三维成像信息的传感器得到了迅速发展。研究了两类TOF成像的原理及特点,论述了其系统组成,并将TOF成像原理与其他主流三维成像技术进行了对比,对其主要误差来源和类型进行了归类和分析,研究了测量误差模型。TOF成像作为新一代三维成像技术仍处于发展阶段,可以有效提升智能系统的成像感知能力和测量水平,推动了相关领域的技术进步。