中国科学院空天信息创新研究院, 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程, 为了获取光谱辐亮度, 通常需要对光谱仪器进行辐射定标, 将光谱仪器输出的数值, 映射为物理量——辐亮度。 不同的光谱仪器的光谱响应不同, 因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。 光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的, 需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。 自第一台成像光谱仪诞生以来, 其定标方法逐渐固定, 通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标, 其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽, 可以将准单色光抽象为脉冲函数。 根据脉冲函数的特性, 改变准单色光的波长, 扫描光谱成像仪的响应波长范围, 是对光谱响应函数进行间隔采样的过程, 通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。 随着技术的发展, 探测器的灵敏度越来越高, 光谱成像仪的分辨率也越来越高, 为了完成光谱定标, 对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。 然而准单色光的带宽越窄, 其能量越低, 获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间, 使定标的效率降低。 从光谱定标的目的出发, 结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点, 通过理论分析, 提出一种利用宽带定标光进行光谱定标的方法, 可以有效减少光谱定标的步骤, 提高定标的效率, 适用于光谱成像仪的快速定标。 该方法用于某星载高光谱成像仪的光谱定标, 待标定光谱成像仪采用棱镜分光, 具有色散非线性的特点, 光谱分辨率在2~18 nm之间变化, 同时存在较大的谱线弯曲, 导致每个像元的中心波长都不同, 需要对每个像元进行光谱定标。 为了避免分视场定标导致的相邻视场中心波长不连续现象, 将单色仪发出的准单色光的光斑照亮整个狭缝, 狭缝和单色仪之间放置柱透镜和毛玻璃, 其中柱透镜用于汇聚垂直于狭缝方向的光线, 提高能量利用率; 毛玻璃用于匀化光照, 毛玻璃的存在极大地减弱了进入光谱成像仪的能量, 结合提出的方法, 增加定标光的带宽, 提高能量, 最终完成了该光谱成像仪的快速定标, 利用汞灯的特征光谱验证该成像光谱仪的光谱定标精度为0.23 nm。
高光谱成像 谱线弯曲 光谱定标 Hyperspectral imaging Spectral line bending Spectral calibration 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2013
1 中国科学院光电研究院 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对现有偏振算法依赖于“天空区域”估计大气参数, 从而受白色目标或高亮区域干扰的不足之处, 提出了一种图像普适性多尺度偏振去雾方法.研究偏振差分图像四叉树空间索引和图像暗通道先验方法, 突破估计模型参数利用天空的局限性, 重建场景深度, 结合大气散射模型复原低频无雾图像; 同时针对目标复原过程中噪声遗留问题, 研究软阈值去噪算法, 结合低频信息重构的透射率, 以梯度增强方式丰富纹理细节, 最后小波重构出清晰图像.实验结果表明, 该算法有效消除了估计大气参数受制于天空区域的局限性, 抑制噪声的影响, 复原的目标更加清晰, 细节方面更为丰富, 算法运行效率方面有较大提高.
偏振 去雾 小波变换 四叉树 暗通道 软阈值 透射率 Polarization Defogging Wavelet transform Quadtree Dark channel Soft threshold Transmission
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 中国科学院光电研究院中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
光谱是一种可以表征物质特性的光学信息, 利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像, 成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体, 相应系统的时间分辨率比较低, 不适用于动态目标的光谱获取。 快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势, 其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术, 在采样过程中完成数据压缩, 具有高通量优势, 可以利用单次曝光的混叠数据, 重构出目标光谱数据立方体, 实现快照式成像, 使得对动态的目标进行监测成为可能。 实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设, 实际目标很难满足这样的条件, 重构误差比较大, 不利于对动态的小目标进行监测和识别。 针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取, 提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法, 系统由两个通道组成, 每个通道均包含一个光谱仪, 其色散方向互相垂直, 并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。 该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。 由于两个通道的色散方向互相垂直, 可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。 假设目标出现在视场中前后, 背景的辐射特性变化很小, 利用目标出现前的数据计算出背景光谱; 目标出现后, 通过帧间差分运算, 消除背景辐射的影响, 提取出目标位置对应色散区域中数据, 利用约束最小二乘算法, 重构运动小目标的光谱数据立方体。 进行光谱数据重构, 进行背景光谱补偿后, 获得完整的动态小目标光谱数据。 文章对成像过程建立了数学模型, 并对重构方法进行了仿真验证, 结合编码孔径的统计特征, 使目标随机出现在不同的位置, 统计重构光谱的峰值信噪比概率分布, 并调整目标尺寸, 分析目标尺寸对重构精度的影响, 最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。 结果表明, 这种方法在均匀背景中, 采用随机编码矩阵进行编码, 目标尺寸小于5×5个像元时, 相对于编码孔径成像系统, 提高了目标的信息重构精度和概率, 并且极大的减小了运算量, 可以实现对运动目标的实时监测。
光谱成像 编码孔径 运动目标 Spectral imaging Code aperture Motional object 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2013
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 国防科工局重大专项工程中心, 北京 100101
计算光谱成像技术具有高通量、 快照成像等优点, 但快照成像采样数据量不足, 导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。 通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究, 提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术, 利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径, 通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。 仿真和实际成像结果表明, 连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响, 理论上可完全重构图谱信息, 重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。 相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术, 连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置, 也不需要凝视成像, 系统中没有活动元件, 稳定性高, 适用于常规航空航天遥感推扫成像。
计算成像 光谱成像 信息重构 Computational imaging Imaging spectroscopy Information reconstruction 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1256
1 中国科学院光电研究院 计算光学成像技术重点实验室, 北京, 100094
2 中国科学院大学, 北京, 100049
为了复原雾天退化图像, 提出了一种自适应暗原色的单幅图像去雾算法.针对暗原色先验理论在估计图像透射率时不够准确、容易引起Halo效应的问题, 采用自适应暗原色概念, 即在暗原色的获取过程中引入自适应阈值, 减小景深变化对暗原色获取的影响, 进而正确求取透射率.此过程不需导向滤波的细化, 也就避免了导向滤波引起的效率低和去雾不彻底的问题.主观及客观两方面将本文去雾算法与现有算法进行对比, 结果表明, 本文算法能够有效消除Halo效应, 获得高对比度、高色彩饱和度以及丰富细节信息的去雾结果, 同时也提高了图像去雾效率.
图像去雾 大气散射模型 暗原色 自适应暗原色 Image dehazing Atmospheric scattering model Dark channel prior Adaptive dark channel prior
1 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法, 解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。 从工作距的角度, 比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。 在大工作距要求下, 采取第一种思路, 即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上, 引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。 建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型, 给出了改进型Dyson光谱成像系统。 设计结果表明: 改进型Dyson光谱成像系统具有12 mm工作距, F/1.8相对孔径, 在0.38～0.9 μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45 nm, 以及接近衍射极限的优良成像性质, MTF在全波段全视场100 lp·mm-1线处大于0.7, 最大像面均方根值半径小于1.2 μm。 同时, 系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制, 保证了获取光谱数据的一致性。 改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点, 而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适, 易于装配。 解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题, 可为大气遥感、 农林调查、 海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统, 对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。
Dyson成像光谱仪 工作距 高分辨率 大相对孔径 Dyson imaging spectrometer Large focal plane relief High resolution Large relative aperture 光谱学与光谱分析
2017, 37(12): 3908
中国科学院光电研究院, 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器, 并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象, 但由于机械快门开合时间的不稳定性, 使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀, 而且还会造成彩色图像偏色条带。 故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法, 利用图像重叠部分的辐射特性, 计算光谱图像的辐射矫正因子, 对拼接图像的非均匀性进行矫正。 并利用差分评价矫正效果。 最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正, 结果表明, 该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性, 并可以消除彩色合成图像中的偏色条带； 适用于有重叠部分的图像拼接, 并且对于拼接误差不敏感。
多光谱成像 相对辐射定标 机械快门 拼接 Multi-spectral imaging system Relative radiance calibration Mechanical shutter Mosaic 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2615
1 中国科学院光电研究院计算光学成像技术重点实验室， 北京 100094
2 中国科学院大学， 北京 100049
针对探测器奈奎斯特频率不足和光学系统点扩展效应造成的成像系统像质下降问题，在频域框架下提出一种改进的多帧图像超分辨率增强方法。在图像序列配准方面，考虑了频谱混叠和插值变换等因素对图像频谱相位差的影响，建立了更准确的亚像元位移提取模型；在图像复原方面，基于同步纹理自回归先验，建立了图像的联合高斯分布模型，并结合贝叶斯方法对插值重建结果进行复原。实验表明，该方法较为全面地考虑了像质下降因素，具有较好的超分辨率增强效果，且计算复杂度较低。
图像处理 像质下降 超分辨率增强 频域框架 图像配准 图像复原
1 西安电子科技大学, 陕西 西安 710071
2 中国科学院光电研究院, 北京 100094
设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统, 主要包括前置望远物镜、 准直镜、 Wollaston棱镜组、 成像镜和补偿滤光片。 此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。 光束经过Wollaston棱镜组分光, 为了使不同波长对应景物不至于重叠, 要求分束角度比较大, 这样进入成像镜的光线入射角度相对较大, 无疑增加了成像镜的设计难度。 分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点, 设计了一套完整的成像光谱系统。 全系统结构复杂, 光学系统的光阑必须匹配好。 为了使得不仅单个镜头成像质量良好, 而且镜组之间能够良好的衔接, 将前置望远物镜设计为像方远心结构, 准直镜设计为物方远心结构。 全系统采用多重结构, 使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限, 点列图中RMS值基本都在艾里斑以内, 系统成像质量良好。
成像光谱仪 光学设计 Wollaston棱镜 Imaging spectrometer Optical system design Wollaston prism 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 4105
