1 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州，310024
2 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
视频光谱成像技术是目前遥感探测发展的一个重要方向，可以实现4维信息获取（两维空间+光谱+时间），对于动态目标探测等应用场景有十分重要的意义。目前的技术手段是以滤光片方式为主，不具备光栅作为分光元件时的高光谱分辨率优势。基于此，提出了非耦合狭缝阵列扫描光谱成像（uSASHI）和编码狭缝阵列扫描光谱成像（cSASHI）系统，通过增加狭缝数目的方式，实现同一时刻多个视场信息的获取，极大地提升信息获取效率。uSASHI的每个狭缝获取信息之间不会耦合，n条狭缝可以实现n倍的信息获取效率的提升，cSASHI的狭缝按照压缩感知理论排列，可以实现欠采样条件下（采样率α≤1）视频光谱成像，信息获取效率可以提升n/α倍。本文设计的系统最终实现了1024*496*30的光谱数据立方体10 Hz视频光谱成像方式，cSASH实现了更高帧频。所提系统为视频光谱成像技术提供了新的方向，为未来动态目标探测等应用打下了基础。
视频光谱成像 计算成像 压缩感知 遥感 video spectral imaging computational imaging compressed sensing remote sensing 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210866
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院，上海 200020
基于压缩感知的光谱成像系统需要合适的算法解码采样数据才能得到最终的光谱成像数据，传统单稀疏域变换算法会带来光谱细节损失等问题。针对该问题，本文提出了利用双稀疏域联合求解的方法（JDSD），将信号分解为低频部分和高频部分，并针对不同频率信号特点分别进行稀疏恢复，进而解码求解以实现高精度恢复信号。在数据验证中，首先利用OMP算法在频域内对光谱信息轮廓进行恢复，利用IRLS算法在空间域内对光谱细节进行补偿，分析了不同稀疏变换对于参数设置的影响，测试了不同算法组合的JDSD对于测试数据的恢复结果。对于500种光谱数据仿真测试表明，双稀疏域联合求解可将光谱恢复保真度大大提升，20%采样率情况下，SAM和GSAM指标由传统方法的0.625和0.515分别提升为0.817和0.659，80%采样率情况下，SAM和GSAM指标由传统方法的0.863和0.808分别提升为0.940和0.897。JDSD算法可以使得光谱吸收峰等细节特征得到高精度保持，对于基于光谱的特征分析、物质识别等应用具有十分重要的意义。
光谱成像 光谱特征恢复 计算成像 压缩感知 spectral imaging spectral feature recovery computational imaging compressed sensing
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
4 国科大杭州高等研究院, 杭州, 310024
为解决传统色散型高光谱成像仪扫描速度慢和编码孔径光谱成像系统存在部分信息失真或丢失、光谱重构复杂度高等问题, 设计了一种基于均匀分布狭缝阵列的光谱成像系统, 在编码孔径光谱成像系统的基础上, 采用微位移电机控制阵列编码狭缝对成像视场进行微扫描, 以实现光谱不混叠成像, 在满足一定成像帧频的条件下实现动态场景的无损探测。仿真结果表明: 在光谱图像重构质量与单狭缝系统结果一致的前提下, 该系统的采集效率提升了17倍; 空间结构相似度和光谱保真度分别是50%压缩采样率编码孔径光谱成像系统的1.8倍和1.17倍, 在完成仿真的基础上, 搭建实验装置进行了可行性验证。
光谱成像 编码孔径 计算光谱 压缩感知 快照 spectral imaging coded aperture computational spectrum compressive sensing snapshot
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
目前的光谱相似度评价方法主要基于光谱形状和幅值两种信息, 但这两种信息仅仅能体现出光谱的轮廓, 并不能很好的反应地物光谱的吸收峰等“指纹”特征, 为了更好的体现出光谱特征在评价中的作用, 提出了基于一阶梯度信息的光谱相似度评价方法。 首先对传统光谱角度匹配度评价方法SAM进行了改进, 提出MSAM评价方法, 进而提出了调整的梯度光谱角度匹配(MGSAM)法。 MGSAM比较了两条光谱曲线的梯度角匹配度, 光谱曲线的梯度信息可以突出光谱吸收峰等“指纹”特性的存在, 因此MGSAM可以充分体现出两条对比曲线的光谱特征相似度。 分析了偏置信息和光谱深度对于MSAM和MGSAM的影响, 指出MGSAM对于偏置信息具有更强的鲁棒性, 且可以客观地反映出光谱深度差异, 进而直观地反映出光电系统或相关算法的光谱特征保真能力。 将MGSAM作为评价方法应用到压缩感知光谱成像系统评价中, 仿真结果表明, 随着采样率的变化, MSAM的值在 0.998~1之间, 而MGSAM的值在0.72~1之间, 具有明显的变化并具有较大的差异性, 可以客观地反映出压缩感知系统对于光谱特征的保真能力, 并具有更强的差异化分辨力, 为该类系统提供了一个更客观的评价方法。 将MGSAM应用到了基于光谱相似度的地物分类中, 测试数据选择了Salinas, Pavia和Indian Pines三个公开数据, 结果显示基于MSAM的平均分类精度为0.86, 基于MGSAM的平均分类精度0.93, 由此说明MGSAM可以突出光谱特征在分类中的作用, 大大提高了分类精度。
光谱相似度 评价方法 压缩感知 地物分类 Hyperspectral image Compressed sensing Coded aperture LC optical shutter
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
编码孔径光谱成像系统利用空间光调制器对目标信息进行编码,将信号映射到二维探测器面阵上,形成空间和光谱混叠信息,通过重构算法恢复出光谱数据立方体。由于该系统的色散仅仅发生在水平方向上,为了提高编码的效率,提出只在一个方向上具有编码效果的多狭缝组合编码。与目前采用的二维随机编码比较,在取得相同重构结果的前提下,多狭缝组合编码形式简化了数学模型的建立和分析,降低了编码复杂度。在此基础上,利用液晶光阀的开关特性实现实际系统编码,结合PGP(棱镜-透射光栅-棱镜)分光组件搭建光谱成像系统,进行了不同采样率下的实验,得到了高精度的恢复结果,验证了系统编码的可行性,为编码光谱成像系统领域提供了新思路。
成像系统 计算成像 压缩感知 高光谱成像 编码孔径
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学, 上海 201210
由于热红外高光谱成像仪的狭缝宽度与成像波长在同一量级, 光在其内部传播时能量发生损失而不能全部被探测器像元接收, 因此基于几何光学的计算像元能量的方法已不再适用。为了探究能量损失情况, 采用时域有限差分方法计算了热红外高光谱成像仪中光聚焦入射狭缝前表面时狭缝后光强的分布, 并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论得到了远场光强分布, 从而分析了不同狭缝宽度、狭缝厚度时能量的损失情况, 并搭建了实验装置进行验证。结果表明, 随着狭缝宽度增加, 能量损失逐步减小, 且能量主要是由于狭缝后方光波衍射导致能量不能全部进入后级成像镜头而损失, 在狭缝内部损失的能量很少。当狭缝宽度为几十微米量级时, 狭缝厚度对能量损失影响不大。
热红外高光谱成像仪 时域有限差分法 狭缝 矢量衍射理论 thermal infrared hyperspectral imager finite difference time domain method slit vector diffraction theory
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 上海科技大学 信息学院, 上海 201210
3 中国科学院大学, 北京 100049
在双色散结构编码孔径光谱成像系统(DD-CASSI)的基础上, 提出了利用多帧采样图方法(Multi Frame-DD-CASSI), 以提高信息采样率, 并提出新的数学模型, 实现了对三维数据立方体的光谱维压缩编码, 充分利用了光谱维数据的相关性, 利用32帧采样图恢复数据, 达到了0.99的光谱曲线相似度和40 db的图像峰值信噪比.
光谱成像 压缩感知 编码孔径光谱成像(CASSI) 重构算法 spectral image compressed sensing coded aperture snapshot spectral imaging (CASSI) reconstruct algorithm
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置, 本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度; 然后, 用待定标相机中心视场对该小目标成像, 获得中心视场部分的辐射强度响应度; 最后, 通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像, 得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜, 能够出射工作波段的准直光束; 标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度; 运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像, 测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验, 并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%, 能够实现整机状态下的辐射定标。
空间相机 辐射定标 小目标成像 标准传递探测器 极紫外波段 space camera radiation calibration small target imaging standard transfer detector extreme ultraviolet band
