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计算层析成象光谱技术的研究

刘良云  
【摘要】: 本论文对层析成象光谱技术进行了系统深入的研究,在国内首先研制了两 台层析成象光谱装置,并通过层析的方法获得了实验目标的光谱图象。论文研 究获得的成果(层析算法、实验装置和实验结果)达到或超过了目前国际上的先 进水平。论文的主要内容为以下四个方面: 1.成象光谱技术和CT技术的分析和总结 论述了成象光谱技术的发展进程、基本原理、遥感应用和仪器类型。作者 首次通过对数据立方体的描述和扩展,介绍了各种成象光谱仪的获取数据立方 体的方式。其中色散型成象光谱仪和干涉型成象光谱仪的面阵探测器一次曝光 只能获得数据立方体的一个切面,通过推扫视场或光程差的方法获得整个数据 立方体;而层析成象光谱仪的焦平面探测器一次曝光获得的是数据立方体的一 个或多个方向的透射投影数据,对多个不同投影方向的投影数据进行融合处 理,便可重构整个数据立方体。 分析了CT技术的理论基础、中心切片定理和各种层析算法。通过计算机 仿真实验,验证了有限投影角的数据融合(特别是投影角度范围受限问题)所带 来的不完全重构问题。通过把CT技术和成象光谱相结合,实现了一种新的成 象光谱原理,即层析成象光谱仪。 2.画幅式层析成象光谱技术研究 画幅式层析成象光谱仪利用光栅衍射,实现了数据立方体在不同投影方向 的投影交换,采用面阵探测器,一次曝光便能获取数据立方体的多个投影角度 的投影数据。对投影数据进行融合处理,可以重构景物的数据立方体。 论文首次采用谱条件数的判断法则,通过大量的计算机仿真实验,指导和 优化设计了二维正交位相光栅各级衍射的相对衍射效率。并且,通过对中心切 片定理、谱条件数法则、光栅制做难度和费用、计算效率、空间和光谱分辨率 等因素的组合比较,选择了光栅0级、1级衍射的方案。基于这种创新方案, 我们设计的画幅式层析成象光谱仪具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高通量、 高稳定度的优点。 摘 要 论文介绍和总结了各种相关的层析算法,如代数重构算法、共轭梯度算法 和基于最大嫡的期望最大算法,并进行了成功的改进。建立了相机模型,编制 了仿真程序,并通过计算机仿真实验,对这些算法进行比较,优化和选择了基 于最大嫡理论的期望最大算法。 我们设计了定标方案,对研制的画幅式层析成象光谱仪进行了定标实验, 获得了 590n-m波长单色光的复原光谱,光谱位置精确,半高宽为 10urn士右。。 在原理头验中,我们重构的数据立方体的空问分辨率为95X95个像素,共32 个波段,复原的复色图象和景物颜色非常接近。该结果达到并超过了国际上目 前的先进水平。 3.高姐量层析成象光谱技术 高通量层析成象光谱仪通过绕光轴旋转直视棱镜,其面阵探测器获取数据 立方体不同投影角度的投影图象,对多个角度的投影图象进行融合处理,可以 重构景物的数据立方体。 论文总结了目前的频域内算法,并对凸集投影迭代算法进行了改进。论文 深入分析了有限投影角所带来的信息丢失锥体问题,并为了更好地克服有限投 影角问题,提出了空域内的序列子集期望最大算法,并通过大量的计算机仿真 实验,验证了序列于集期望最大算法具有鲁棒、快速收敛的特点,并能够很好 地克服有限投影角存在的病态问题。 论文提出了四种直视棱镜方案,设计了二片式直视棱镜,并分析和计算了 其非线性色散和视场畸变。研制了一台高通量层析成象光谱实验装置,包括高 通量层析成象光谱仪及电控箱。我们对研制的高通量层析成象光谱装置进行了 定标实验和原理实验,得到了较好的实验结果,验证了高通量层析成象光谱技 术的基本原理和算法。 4.线阵棚型层析成象光谱技术 论文首次提出线阵推扫型层析成象光谱仪的概念,并深人分析了其基本原 理。论文提出了正则化处理的奇异值分解算法和多分辨率的小波重构算法。论 文设计了一种原理方案,编制了仿真程序,对这两种算法进行了计算机仿真实 验,验证了线阵推扫型层析成象光谱仪的原理和算法。


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