实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一, 其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中, 根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角, 通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明, 系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行, 具有速度快、体积小、便于升级等优点, 为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。

对目标的实时探测与识别是当前干涉式红外成像光谱仪领域研究的热点问题, 而光谱仪实时光谱复原是有效解决该问题的前提。利用可见光相机模拟干涉仪而得到干涉图信号, 利用高速大容量FPGA芯片设计了一种干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原系统。系统主要由干涉图数据预处理、实时光谱复原以及光谱显示等模块组成, 以流水线方式运行, 能够实时输出目标的光谱信息, 具有运算速度快、体积小、便于算法升级等优点, 为光谱仪对目标的实时探测与识别研究奠定了良好的技术基础。

针对基于梯度变换的图像增强算法抗噪声干扰能力差的问题, 引入曲率滤波理论, 提出了基于高斯曲率滤波和梯度变换的图像增强算法.该算法通过对图像梯度场进行非线性变换来增强图像对比度, 通过构造能量泛函, 采用梯度下降法从变换后的梯度场重构出增强后的图像, 并利用高斯曲率滤波对梯度下降法迭代过程中的重构图像及其各阶偏微分进行平滑, 有效解决了图像重构过程中的噪声非线性放大和扩散问题, 同时保留了丰富的细节信息.采用多组边缘模糊图像进行仿真实验, 实验结果表明该算法在增强图像边缘对比度的同时, 能够有效抑制噪声.

鉴于光寻址电位传感器(LAPS)的响应信号较弱，传统的抽取频域基波分量的方法易受信号漂移和随机噪声的影响，提出了一种基于频域分量均方根和卡尔曼滤波的两步信号处理方法。基于光寻址电位传感器件的理论模型构建了其等效电路模型，推导得到输出信号的表达式，分析了漂移与噪声产生的原因及其抑制方法。通过实验检测了不同pH值的溶液，并采集了系统输出的光电流信号。求取信号傅里叶变换后频域中的基波分量、二次谐波分量、三次谐波分量的谱线幅值的均方根，然后对归一化电流-偏压(I-V)特性曲线进行卡尔曼滤波。实验结果表明，相对于单纯抽取基波分量的方法，基于频域分量均方根和卡尔曼滤波的两步信号处理方法使检测结果的均方差(MSE)降低了97%，显著减少了信号漂移和随机噪声对检测结果的影响。

由于红外干涉成像光谱仪结构的特殊性, 其非均匀性在线定标与校正是工程上一直没有得到有效解决的技术难题。通过对光谱仪结构的深入分析, 对空间调制红外干涉光谱仪研究出了一种有效的非均匀性在线定标与校正方法, 并建立了相应的仿真模型, 实验结果表明算法是正确的和有效的。研究成果为星载空间调制红外干涉成像光谱仪非均匀性的在轨定标与校正奠定了良好的技术基础。

针对傅里叶变换红外成像光谱仪实时数据处理技术的要求，研究了一种基于FPGA的集干涉图非均匀性校正、光谱复原、光谱辐射定标于一体的傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原芯片系统。该系统对输入信号做了标准化设计，以流水线方式输出目标的复原光谱信息，可嵌入到各种类型的红外/可见光傅里叶变换成像光谱仪的实时数据处理系统中，具有体积小、运算速度快、稳定可靠及易于升级等优点，为基于光谱特征的目标实时识别奠定了良好的技术基础。

由于传统的跟踪算法没有充分利用目标与其局部背景的时空相关性, 使其不能有效地区分背景边缘和红外弱小目标, 从而在跟踪过程中产生偏移现象.针对这一问题, 本文在时空上下文学习跟踪的原理基础上, 分析了跟踪偏移的原因, 并引入图像引导滤波方法, 提出了一种引导滤波结合时空上下文的红外弱小目标跟踪算法.该算法首先采用引导滤波对上下文区域进行处理, 在保留上下文区域云层边缘的同时剔除目标及噪声, 再将其与滤波结果作差.最后利用小目标的“置信图”检测出目标.为了验证该方法的有效性, 采用五组红外小目标序列图像进行实验, 并与经典时空滤波、改进的模板匹配和移动管道滤波等方法作比较.实验结果表明本文提出的方法在主观视觉和客观评价指标方面均优于其它三种经典方法, 且具有更高的目标跟踪精度与较好的实时性.

针对复杂背景下红外弱小目标检测效果不佳的问题, 结合多尺度分析法和各向异性扩散方程, 利用图像尺度和方向信息, 提出一种新的红外弱小目标检测算法.首先, 采用Surfacelet变换对图像进行多尺度、多方向分解, 得到不同尺度下高频子带系数和低频子带系数；其次根据不同频带的特点, 分别采用改进的各向异性扩散方程差分滤波和局部去均值滤波对高频子带系数和低频子带系数进行处理；最后, 采用逆Surfacelet变换重构处理后的子带系数, 并采用自适应阈值分割对重构的图像进行分割, 以实现目标检测.采用多组红外图像进行试验, 并与小波滤波以及各向异性扩散滤波进行比较, 实验结果显示, 该算法能有效抑制背景及其边缘, 可以获得比另外两种算法更好的红外弱小目标检测效果.

针对星载红外成像系统在轨定标等特殊环境条件的应用要求，研制了 一种基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA) 非均匀性在线定标与实时校正芯片系统。由于对输入信号进行了标准化设计，该系统可用于各类红 外成像系统的IRFPA非均匀性在线定标与实时校正处理。这种系统在时钟信号的驱动下以流水线方式运行， 在对非均匀红外图像进行实时校正的同时，能够在线获取定标图像并能对存储器中的校正系数进行 在线更新。该系统具有体积小、运算速度快、稳定可靠以及易于升级等优点，为星载红外成像系统IRFPA非 均匀性的在轨定标开辟了一条有效的技术途径。

由于傅里叶变换红外成像光谱仪结构的特殊性, 其非均匀性在线定标与校正在工程上一直没有得到有效解决。首先对 IRFPA非均匀性校正的原理与算法进行了简要阐述, 在此基础上, 通过对时间调制型、空间调制型及时间空间联合调制型傅里叶变换红外成像光谱仪原理结构的深入分析, 针对这三种制式的光谱仪, 分别研究出了相应的非均匀性在线定标与校正的方法, 为星载傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性的在轨定标奠定了良好的技术基础。