光学 精密工程
2023, 31(21): 3096
1 中国科学院大学, 北京 100101
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求, 为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。 不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式, 该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点, 可以进行像元级的增益优化。 这种方式可以兼顾水体、 植被、 云层等多要素的成像需求, 极大地提高了载荷的研制效益。 其基本原理为探测器先进行全局曝光, 然后根据多级积分电容的饱和判断, 选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。 地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。 由于谱段多且为分段响应, 为保证系统的定量化应用, 建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。 通过对噪声类型的分析, 建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。 基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。 结果表明, 虽然噪声会影响读出增益的变化, 但影响区间极小, 入瞳辐亮度在5 mW·cm-2·μm-1·sr-1以内, 信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6%。 随着信号增强, 光子噪声增大, 增益减小, 影响区间扩大。 根据多挡增益信噪比模型, 分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。 最后, 利用宽波段成像光谱仪(WIS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟, 分析了多挡增益光谱图像的固有特点。 根据噪声模型对中心波长为0.443 μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声, 分析了噪声对地物目标所处增益的影响。 结果显示, 在满足信噪比指标的前提下, 该系统的单挡动态范围为74 dB, 总动态范围可达114 dB。 该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比, 而且可以保证建筑、 云层等亮目标不饱和。 成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制, 也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。
遥感 推扫式光谱成像 逐像元 多挡增益 系统仿真 Remote sensing Pushbroom spectral imaging Pixel by pixel Multi-gain System simulation 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1922
1 国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
光子计数激光雷达数据中噪声点云过多的问题严重制约了光子雷达的实际应用，为了解决该问题，针对推扫式光子雷达探测体制和光子点云数据分布的特点，提出一种去噪方法。首先根据点云数据集的空间分布设定密度阈值进行粗去噪；然后计算探测激光束的斜率，将剩余数据划分成不同区间，再结合最大密度点设定距离阈值，对各区间进行进一步去噪；最后针对部分区间使用统计滤波进行最终去噪。实验结果显示，所提方法对试验区目标点云的识别率达98.2%，去噪率达93.8%，可以有效地去除光子数据中的噪声点云，较为完整地保留信号点云。
图像处理 激光技术 光子雷达 去噪 统计滤波 推扫式 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1210007
1 中国科学院空天信息创新研究院定量遥感信息技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 季华实验室, 广东 佛山 528000
4 内蒙古北方重工业集团有限公司, 内蒙古 包头 014033
将多个阵列推扫式相机以阵列方向视场拼接的方式进行组合,可以克服相机的探测器规模限制,在保证空间分辨率的同时有效增加视场角。现有视场拼接方法多建立在各子视场严格几何定标的基础上,需要高精度地面定标场数据或检校航带支持。本文提出了一种基于同名特征的子视场相对定向方法,从窄重叠区同名像点出发,在数字高程模型的辅助下建立子视场相对定向模型,同时辅以视场外侧稀少控制点的绝对约束,准确恢复相邻相机之间的安装关系。利用仿真数据对该方法进行的验证实验表明,本文方法解算得到的相对定向参数可支持子视场影像的无缝拼接,影像拼接精度优于2 pixel,几何定位精度平面中误差优于3 pixel。
成像系统 外拼接成像系统 相对定向 航空推扫式 图像拼接 光学学报
2021, 41(18): 1811001
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
为了提高推扫式航天遥感相机的动态范围, 对TDI-CCD(Time Delay Integration-Charge Coupled Device)的全色谱段和多光谱谱段积分级数的特殊设置方法、相应图像的插值与融合方法进行研究。首先, 介绍了常见的TDI-CCD的像元尺寸和谱段构成等参数, 以及现有高分辨率多谱段融合图像的获取方法, 分析了常规的积分级数设置规律。接着, 提出在提高全色谱段的积分级数, 降低多光谱谱段积分级数的情形下, 分别获取各个谱段的灰度数据, 为提高相机的动态范围提供原始数据。最后, 针对性地提出了图像的融合、插值算法, 可以得到高动态范围、高分辨率的全色图像。实验和计算结果表明: 该方法能够有效提高相机的动态范围, 当P谱段积分级数提高2倍, 全色谱段降低为原来的1/4时, 最终获取的融合图像动态范围可以提高1806 dB。基本满足应用单排TDI CCD提高推扫式航天遥感相机动态范围的要求。
积分级数 推扫式遥感相机 动态范围 TDI CCD TDI-CCD TDI stage push-broom remote sensing cameras dynamic range
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电重点实验室，上海200083
2 中国科学院大学，北京100049
3 上海科技大学，上海200120
由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素，推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀，条带噪声严重，影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因，以相邻地物的相关性为理论基础，提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是，首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正，得到标准矩匹配校正图像；然后，以标准矩匹配校正图像为基础，选择相邻两列像元中相同的地物像元；最后，用两列中相同的地物像元，通过线性回归得到后一列的校正系数，并对其进行校正，顺次遍历一个波段的所有列，完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程，遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段，完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明，相比矩匹配方法，在保证非均匀性校正效果的情况下，本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。
推扫式 热红外高光谱遥感图像 非均匀性 列相关 push-sweep thermal infrared hyperspectral remote sensing imag non-uniformity column correlation
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 吉林大学 中日联谊医院,吉林 长春 130033
为了提高推扫式遥感相机的动态范围, 对应用DTDI(Digital domain Time Delay Integration)技术并采用固定积分级数的成像方法以及高动态范围图像的显示方法等进行研究。首先介绍了DTDI技术基本原理, 然后利用该技术突破传统模拟域TDI的满阱电荷限制, 获得更高深度、更大动态范围的灰度图像数据, 进而拓展了推扫式遥感相机的动态范围。最后结合图像熵和图像灰度分布方差构造评价函数, 并将其作为判据选择被关注目标高动态范围图像的最优显示窗口, 将信息量最大、层次最为丰富的区间自动显示出来。计算和实验结果表明, 当固定积分级数为64的时候, 推扫式遥感相机的动态范围可以有效地提高36.124 dB; 基于评价函数的显示窗口自动选取方法较人工选择能够更加快速、准确地显示最优结果。本文提出的方法能够基本满足推扫式遥感相机领域大动态范围成像及选择显示的需求。
超满阱 推扫式遥感相机 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) Digital domain Time Delay Integration(DTDI) DTDI overcome the limit of full well push-broom remote sensing cameras
针对空空导弹激光引信易受云烟雾、地海杂波干扰的问题, 提出了一种适用于空空导弹的激光灰度成像引信技术。采用推扫式线阵成像探测方式, 即随着弹目交会运动并根据激光回波幅度对目标逐行扫描灰度成像。通过渐进式目标识别算法处理逐行累积而成的灰度轮廓像可实现激光引信精细化探测, 从而提高其抗干扰的能力。原理样机试验验证数据表明, 激光灰度成像技术可较好地运用到激光引信中, 验证试验获取的图像、数据, 为激光引信抗干扰研究提供了技术储备。
激光灰度成像引信 推扫式线阵成像 抗干扰 laser gray imaging fuze push broom linear array imaging anti-interference 红外与激光工程
2018, 47(3): 0303002
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国科学院高能物理研究所，北京 100076
点扩散函数 (PSF)能够完整表征物空间一点发出的光经过相机系统在像空间的分布特性，是反映相机性能的关键参数，也是进行图像复原的重要依据。针对星载 TDI CCD静态 PSF单一刃边法测量时初始相位无法确定、采样点少的问题，提出一套多相位刃边靶标设计及数据处理方法。对多相位刃边法和矩形靶标刃边法静态 PSF测量进行蒙特卡洛仿真，结果表明本文提出的方法测量相对误差小于 2%，且结果稳定，而矩形靶标单一刃边法测量相对误差约 10%。将该方法用于高分二号全色相机的静态 PSF测试，利用双星点靶标对结果进行验证，证明了该方法在星载 TDI CCD静态 PSF测试工程应用中的可行性。
推扫式相机 点扩散函数 多相位刃边法 TDI CCD point spread function multi-phase-knife method
1 伊犁师范学院电子与信息工程学院，新疆维吾尔自治区伊宁 835000
2 南京大学电子科学与工程学院,江苏，南京 210046
针对传统光束整形的窄带激光束能量主要集中在光束的中间部分，这种能量分布近似于高斯分布，无法满足大视场线阵推扫激光 3D成像雷达的技术要求。本文提出一种新型的光束整形技术来解决推扫式激光雷达需要窄带状激光束的问题。该方法根据锥镜的光学特性，采用双轴锥改变激光束的空间能量分布，再经过柱面镜后激光束整形为“ U”型窄带状激光束。实验结果表明，整形后的“ U”型窄带状激光束能够满足大视场线阵推扫激光三维成像雷达技术要求。
推扫式激光雷达 光束整形 3D成像 窄带激光束 push-room laser radar beam shaping 3D imaging narrow shaped laser beam
