【摘要】：本文選題于國家重大科研儀器研制項目—— 中國物候觀測網(wǎng)‖自動監(jiān)測系統(tǒng)研制,立足解決目前中國物候觀測缺乏長期穩(wěn)定監(jiān)測的多光譜設(shè)備問題,提出基于植被的特征譜段位置統(tǒng)計不變性的快照式多光譜光場成像技術(shù)方案。論文就基于微透鏡陣列的多光譜光場成像理論模型、系統(tǒng)設(shè)計、模擬仿真和數(shù)據(jù)處理開展了研究工作。首先采用矩陣方式描述了光場基本理論,包括利用四維光場的雙平面矩陣表達方式、光場傳遞及光場采集記錄過程所涉及的矩陣運算。給出了雙平面間共軸空間平移、離軸空間平移、垂軸旋轉(zhuǎn)或沿軸旋轉(zhuǎn)以及透鏡作用下的光場矩陣變換方程,介紹了相機陣列式、針孔式及掩膜編碼式等幾種光場獲取方式的矩陣采樣模型。其次,系統(tǒng)研究了微透鏡陣列型光場成像模型,根據(jù)微透鏡陣列在光路中的位置及其所起作用的不同將基于微透鏡陣列的光場成像方式分為子視場式和子孔徑式兩種。分別針對這兩種不同形式,定義了光場傳遞中涉及的平面,全面考慮各種平移及旋轉(zhuǎn)誤差下推導(dǎo)了從三維場景中的點到探測器焦平面的光場傳遞模型,基于微透鏡陣列和探測器的離散性建立了光場采樣模型,基于光線輻射信息不變性和探測器響應(yīng)線性性建立了輻射傳遞模型。采用matlab計算機軟件對兩種形式模型進行數(shù)值仿真,得到了與理論一致的焦平面信號分布。通過比較,確立了微透鏡陣列子視場式多光譜光場成像方案并建立了測譜模型。再次,討論了多光譜光場相機中的主透鏡與微透鏡距離、微透鏡與探測器距離、主透鏡和微透鏡F數(shù)等重要關(guān)系�；谖锖虮O(jiān)測多光譜相機的需求和特征波段位置不變性的特點,設(shè)計了由像方遠心光路和微透鏡陣列耦合探測器一體化的焦平面組件構(gòu)成的九通道多光譜光場相機,從降低成本出發(fā),設(shè)計了可通過調(diào)焦實現(xiàn)場景成像和目標(biāo)測譜的九通道光場光譜儀,采用ASAP軟件進行了光線追跡仿真,用搭建的原理系統(tǒng)進行了驗證,均證明了原理的可行性。最后,研究了多光譜光場相機的數(shù)據(jù)處理方法,分別建立了光場重建、多光譜重建、圖像重聚焦、立體重建的處理模型及處理方法,研究了其中相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定及簡化處理方法。采用高光譜數(shù)據(jù)模擬產(chǎn)生了多光譜光場數(shù)據(jù),采用商業(yè)光場相機獲得原始光場數(shù)據(jù),采用相關(guān)的方法進行處理,得到了不同位置的清晰多光譜圖像和距離信息,驗證了方法的有效性。
【圖文】：

用于物候觀測的多光譜光場成像技術(shù)研究光，雖有部分相機增加了近紅外波段的探測，但又不能同時成像。在譜遙感圖像處理方面我國的科研人員也做了不少的工作[4, 7]，但高光譜本非常高，不利于形成大范圍的推廣。所以，我國對物候的觀測手段平還有差距，研發(fā)可長期、穩(wěn)定、連續(xù)、精確監(jiān)測并記錄我國物候變設(shè)備具有非常重要的意義[8]。 物候觀測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1國外發(fā)展現(xiàn)狀美國科學(xué)家設(shè)計研制了物候相機網(wǎng)絡(luò)[3, 4]，如圖 1-1，將高分辨率數(shù)碼攝像頭）安裝在北美和歐洲部分地區(qū)的 169 個試驗站點。設(shè)備覆蓋可紅外波段，使用太陽能供電，安裝在植被頂部 5-10m，為了減少光暈鏡頭朝南，可拍攝 20%的天空和 80%的植被，并可定時向網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)

可拍攝 20%的天空和 80%的植被，并可定時向網(wǎng)絡(luò)圖 1-1 美國物候觀測相機在其物候眼網(wǎng)絡(luò)（Phenological Eyes Network，，PEN）[6]項目 9 個站點，在歐洲、北美設(shè)置了 10 個站點，其設(shè)備配置包含高光譜輻射計、氣溶膠探測器、LAI 檢測儀等多種設(shè)備，頂層、中部和地面均有安置。可實現(xiàn)物候、植被反射率、光數(shù)、碳、水循環(huán)模型和云覆蓋等大氣參數(shù)的長期監(jiān)測。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q142.2;TP391.41

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本文編號：2672105