1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
4 航天系统部 装备部 装备项目管理中心，北京 100094
5 长光禹辰信息技术与装备（青岛）有限公司，山东 青岛 266000
为了满足高精度偏振探测要求，通道型偏振光谱仪在设计时需要考虑望远镜组偏振效应的影响，并对其进行相应的分析和优化。首先，分析望远镜组偏振效应的影响因素，采用坐标变换和穆勒矩阵连乘法建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模型，并带入通道型偏振光谱仪偏振解调模型。接着，通过同时控制S光和P光的透过率和相位延迟，设计相应的低偏振效应膜系。最后，运用偏振光线追迹的方法对镀有不同膜系的望远镜组进行偏振效应仿真。仿真结果表明，在580 nm和750 nm波长处，低偏振效应膜系与高偏振效应膜系的偏振探测精度变化不明显。而在420 nm波长处，低偏振效应膜系相较于常用膜系的边缘视场偏振探测精度提高了3.22%。低偏振效应膜系可以有效降低通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应，提高仪器的偏振探测精度。
偏振光谱相机 偏振效应 斯托克斯矢量 穆勒矩阵 polarization spectrum camera polarization effect stokes vector muller matrix
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对卫星上相机对高信噪比、抗辐照等特殊要求，提出一种基于长光辰芯公司的科学级CMOS探测器HR400的多光谱相机成像电子学系统设计，采用FPGA加SRAM缓存的系统架构，重点讨论了CMOS探测器的驱动设计和图像采集技术。首先，针对滤光片轮式多光谱相机曝光时间变化会导致成像偏振方位角差异的问题，提出一种能够根据曝光时间动态调整的延时成像方法，将通道通光中心作为成像的采集中心，保证不同曝光时间下采集的图像中心位置一致且处于最佳采样位置；然后，针对该延时成像方法的成像中心位置误差进行分析；最后，对相机成像性能和不同曝光时间的偏振方位角进行测试验证。测试结果表明：成像系统的时域暗噪声为71.6（等效电子数），当系统光强为饱和光强的80%时，信噪比为588.1，满足载荷成像要求；延时成像方法对由曝光时间导致的偏振方位角差异有明显改善。
成像系统 多光谱相机 CMOS 卫星成像 信噪比 光学学报
2023, 43(24): 2411001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林 长春 130033
宽谱段高光谱相机能够更为全面地记录目标的光谱信息，是目前高光谱相机所追求的主要方向之一。然而，宽谱段势必会带来系统的色差和二级光谱过大的问题，从而对成像质量造成影响。因此，基于Buchdahl矢量色散分析方法，提出了一种基于线性渐变滤光片的宽谱段高光谱相机光学系统。该系统为一款焦距为100 mm、F数为5、视场角为14.2°且光谱范围在400~1000 nm内的像方远心透射式光学系统。基于该系统的高光谱相机可在500 km轨道处获得空间分辨率为21.5 m、光谱分辨率为10 nm、幅宽为125 km的图像。像质评价及公差分析结果表明，系统具有良好的成像质量并能够满足加工和装调的要求。传递函数测试结果表明，系统符合实际应用需求。
光学系统设计 高光谱相机 复消色差 宽谱段 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0922002
1 武汉大学遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079
2 中国地质大学 (武汉) 地球物理与空间信息学院, 湖北 武汉 430074
3 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094
4 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079
5 武汉大学电子信息学院, 湖北 武汉 430079
煤矿开采是最重要的甲烷排放源, 然而其排放清单的准确性很低, 一个关键的原因在于缺乏精准识别和定位该类排放源的能力。近年来, 前沿研究表明可以利用卫星高光谱数据反演高分辨率的甲烷异常, 从而帮助识别排放源。但是, 在地表类型复杂地区该算法会完全失效。针对这一问题, 率先提出一种基于 L1 重加权和迭代收缩阈值算法 (ISTA) 匹配滤波器的算法。利用高分五号 (GF-5) 数据在山西地区的实验表明, 该方法性能显著优于现有的其他方法。实验中, 本方法识别出 23 个甲烷强点源, 这些点源全部位于 TROPOMI 的甲烷高值区内, 且高分辨遥感影像显示这些点源处存在典型的煤矿开采设施。该方法的提出为利用 GF-5 卫星数据在世界范围实现甲烷点源排查奠定了技术基础。
甲烷柱浓度异常探测 基于 L1 重加权和迭代收缩阈值算法的匹配滤波器算法 高分五号可见光短波红外高光谱相机数据 XCH 4 anomaly detection L1 reweighted iterative shrinkage thresholding alg GF-5 visible-shortwave infrared advanced hyperspec 大气与环境光学学报
2022, 17(6): 670
1 杭州电子科技大学 电子信息学院， 浙江 杭州 310018
2 天津可宏振星科技有限公司， 天津 300192
离轴三反光学系统由于具有工作波段宽，像质优良且杂散光易于控制等优势，因而被广泛用作光谱成像系统的设计方案。文中采用Code V软件，对光学系统进行了设计，基于光的偏振理论，推导出薄膜样品和系统的偏振保真度与相位差之间的换算关系，选择铝材料作为基底材料，银(Ag)、三氧化二铝(Al2O3)和二氧化钛(TiO2)为镀膜材料。根据光学薄膜基础理论，设计出光线38.5°入射，在1 545~1 555 nm处RS>99.96%，RP>99.8%，P光和S光相位延迟小于1°的反射膜。结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析，在德国莱宝光学公司设计生产的高性能光学镀膜机上完成了离轴三反光学系统中铝合金表面反射膜的制备。采用Lamda1050光谱仪对镀膜样品的S光、P光反射光谱和相位进行测试，测试结果满足设计要求。该研究具有重要的实际意义和工程价值。
光谱相机 离轴三反 光学设计 反射膜 spectral camera off-axis three-mirror optical design reflective coating 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210900
1 临沂大学资源环境学院(山东省水土保持与环境保育研究所), 山东 临沂 276000
2 华东师范大学地理科学学院, 崇明生态研究院, 地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200241
目前, 无人机获取的多光谱遥感数据已被广泛应用于农业、 林业、 环境等领域的定量监测中。 然而, 现有的将多光谱遥感数据转换为地表反射率的方法, 仍然存在一定的缺陷, 如需要依赖地面参考板、 无法适应光照条件变化、 得到的结果不准确等, 从而影响了多光谱遥感数据定量化应用的效果。 为了解决该问题, 提出了一种可以利用无人机搭载的多光谱相机, 直接对地表反射率进行测量的新方法。 该方法具有非常强的适应能力, 即使在环境光照强度变化的条件下, 仍然能够得到准确的地表反射率。 其中, 如何利用倾斜状态下的光强传感器获取准确的太阳辐照度, 是需要解决的关键问题。 对此, 提出了一种利用两个或者更多朝向不同方向的光强传感器, 实现太阳直射和散射辐照度测量的新方法。 利用此方法即可将相机记录的数字量化(DN)值直接转换为地表反射率。 为了验证本方法的实际效果, 设计了具体的实验验证方案, 对不同日期不同光照条件下获取的无人机遥感数据进行验证。 实际测试结果表明: 利用该方法, 得到黑、 灰、 白三张参考板的反射率在5个多光谱(蓝、 绿、 红、 红边和近红外)波段中最大的平均绝对误差为3.34%, 其对应的标准差为2.11%; 三张参考板在所有波段中最大的平均绝对误差为2.94%, 其对应的标准差为1.84%。 由此可见, 在光照强度变化的条件下, 利用该方法实现地表反射率的准确测量是可行性的。 该方法极大地简化了无人机遥感数据转换为地表反射率的过程。 对多光谱无人机的设计, 以及无人机遥感数据的定量化应用, 都具有重要的参考价值。
无人机遥感 多光谱相机 地表反射率 辐射校正 太阳辐照度 UAV-based remote sensing Multispectral camera Land surface reflectance Radiometric calibration Solar irradiance 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1581
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学 大珩学院，北京 100049
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。
遥感 遥感载荷 高光谱相机 滤光片分光 高分辨率 remote sensing remote sensing payload hyperspectral camera filter splitting high resolution 红外与激光工程
2022, 51(1): 20210981
1 河南农业大学信息与管理科学学院, 河南 郑州 450046
2 南京林业大学林学院, 江苏 南京 210042
3 中科星图股份有限公司, 北京 101399
4 山东科技大学测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590
高分五号(GF-5)卫星上荷载的可见短波红外高光谱相机(AHSI)能够同时获取330个谱段的光谱信息,对大气和陆地进行综合高光谱观测,能有效获取地物的精确信息。云的存在会对遥感影像造成污染,为了提高GF-5数据的利用率,本文结合AHSI的地物高光谱特性,研究多种下垫面背景下的云检测方法。对得到的1级产品,利用产品配套的定标系数以及光谱响应函数文件,得到各波段的大气顶层表观反射率数据。使用多种典型地物与云像元进行表观反射率的对比后发现,厚云与其他类型的像元在可见光波段具有显著差异。高光谱数据由于波段宽度窄,易受到噪声的影响,因此在进行厚云像元判定时,使用多个窄波段数据进行等效计算,得到对应的宽波段表观反射率,在此基础上使用简单的检测阈值可以将厚云筛选出来。之后使用卷云波段,筛选出潜在的薄云像元。高亮地表作为薄云检测的重点研究对象,检测时极易与薄云造成混淆,为了将薄云区域与高亮地表进行有效区分,统计不同波段之间表观反射率比值的变化,将薄云与易造成误判的高亮区域进行对比,确定最优判定波段与阈值。为了验证算法的精度,对多景AHSI影像进行目视解译,勾选出云像元区域作为基准数据。实验结果表明,本文所提方法的云检测总体精度可达91%以上,可以准确区分云与晴空区域,实现高精度的高光谱遥感影像云检测。
遥感 云检测 高光谱 表观反射率 高分五号 可见短波红外高光谱相机
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对海面溢油厚度的探测需求,通过模拟海面环境,采用快照式高光谱相机对不同厚度油膜的反射光谱进行探测;首先根据快照式高光谱相机获得的高光谱图像,计算得到了不同厚度油膜的反射光谱;然后采用小波变换对反射光谱进行分析,再利用Coif5小波基进行离散小波变换得到第9层重构信号的细节系数,用其反映油膜厚度的差异。油膜厚度和细节系数具有良好的线性关系,据此可准确识别大范围溢油事故中不同位置油膜的厚度。快照式高光谱探测方式极大地提高了溢油分析的效率,对溢油灾害的快速发现和实时监测具有参考价值。
光谱学 快照式高光谱相机 溢油探测 小波分析 细节系数 光学学报
2020, 40(17): 1730001
1 中国科学院空天信息创新研究院， 北京 100094
2 中国科学院大学， 北京 100049
针对传统畸变校正方法无法完成镀膜双镜头多光谱相机影像畸变校正的问题，提出了一种基于数字畸变模型采样的单波段影像畸变校正方法。采用多片后方交会完成相机检校得到各类参数，建立起原始影像的数字畸变模型; 对原始数字畸变模型采样得到各波段数字畸变模型; 利用各波段数字畸变模型完成对应波段影像畸变的校正。实验结果表明，数字畸变模型采样法能够有效解决镀膜双镜头多光谱相机单波段影像畸变的校正问题，校正精度较高; 通过进一步实验证明，经畸变校正后的单波段影像配准误差达到亚像素级，数据可用性高。
镀膜多光谱相机 相机检校 畸变校正 数字畸变模型 coated multispectral camera camera calibration distortion correction digital distortion model
