基于超表面的多光谱成像系统设计

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面,重量轻,易集成,可实现多种功能,被广泛应用于诸多领域。传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦,无法满足系统集成化需求。不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差,超表面依靠界面相位变化来进行相位调控,可实现十分轻薄的光学系统。研究传输相位型超表面,使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。将超表面引入光谱成像系统中,通过优化亚波长结构尺寸,进行结构排布,开展超表面光谱成像系统研究,实现多波长色散与聚焦独立调控。利用该方法,扫描不同单元结构参数对相位的影响,依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布,仿真实现了一个波段范围为510~720 nm,焦距为2 mm,谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布,并分析了系统的成像性能。相比于传统光栅或棱镜分光结构,超表面光谱成像系统可有效减小系统体积,其超轻、超薄、便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性,为小型化、轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正

高光谱遥感能够提供丰富的地球表面信息,因而受国内外学者的广泛关注。受到技术与工艺水平影响,目前单个高光谱相机无法同时满足成像大视场和高分辨率的应用需求。拼接式高光谱相机技术将多个高光谱相机组合成一个成像系统,有效地扩大了高光谱相机的视场,在精准农业、对地观测、环境监测等方面有着广泛的运用。由于探测器像元响应,光学系统,电子学系统等因素的影响,高光谱相机的焦平面阵列在同一均匀辐射源下,探测器单个像元输出会出现不一致的现象,该现象即为高光谱相机的非均匀性。拼接式高光谱相机的非均匀性会严重影响相机成像质量与图像判读。目前,非均匀性校正主要分为基于定标的校正方法和基于场景的校正方法两大类。通过对中国科学院空天信息创新研究院研制的拼接式高光谱相机非均匀性的分析,建立了单台相机和多台相机间的非均匀性模型,并根据非均匀性模型提出了一种基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法。该方法综合运用了实验室定标数据与实时飞行数据,利用实验室辐射定标校正单台相机非均匀性,利用相机间重叠视场并引入小波滤波计算非均匀性系数校正多相机间的非均匀性。由于该方法在实验室仅需要对单台相机进行辐射定标,因此也摆脱了需要大口径积分球光源的限制。开展了一系列对不同方法处理后图像质量进行评价的实验。选取了存在非均匀性两个不同的波段图像作为原始图像,并用该方法与对比方法对原始图像进行处理。为了能够定量地对不同方法的校正效果进行对比,引入了图像质量的提高系数(IF),非均匀性(NU)与光谱角(SA)三个评价指标。结果证明,本文提出的基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法具有最好的非均匀性校正效果,同时最大程度保留了光谱特性。

阿达玛变换光谱成像仪光谱混叠分析及修正

叙述了阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,对阿达玛编码模板引起的光谱混叠现象进行了分析研究.从理论上导出了光谱混叠公式,并提出了光谱修正方法,仿真实验结果表明该方法简单有效.修正后光谱图像的分辨率取决于偏离光轴最远处的码元对应的空间分量.

高分辨阿达玛变换显微荧光图像分析(Ⅱ)单细胞DNA荧光图像生成、处理及自动定量分析研究

本研究把荧光显微镜、阿达玛变换多通道成像技术和计算机图像处理技术结合起来 ,建立了一种单细胞 DNA荧光图像自动定量分析系统。对系统的成像原理、信号编码和解码方法及单细胞定量分析方法进行了讨论。分析结果表明

空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像仪

简要叙述了色散型阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,指出其存在空间信息与光谱信息的错位和光谱分辨率受阿达玛编码模板码元宽度制约的缺陷。提出空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像技术原理及仪器,利用横向剪切干涉仪获得所有阿达玛编码光信息在不同光程差处的干涉信号,对干涉谱进行傅里叶变换和阿达玛变换得到目标的光谱。理论分析表明,干涉图的调制度不受阿达玛模板形状、大小等因素的影响,光谱分辨率与阿达玛模板的尺寸无关,不但避免了色散型阿达玛变换光谱成像仪中空间信息和光谱信息的错位,而且高能量通过率、高空间分辨率和高光谱分辨率成像容易同时实现。

反射转镜式干涉光谱仪光程差的一般表达式

对反射转镜式干涉光谱仪的原理进行了介绍,从马吕斯定律和角反射体的反射特性入手,选择转镜反射面的旋转中心作为入射光束和出射光束等波面的参考点,对反射转镜式干涉光谱仪的光程差进行了分析计算,给出反射转镜式干涉光谱仪任意时刻光程差及最大光程差的一般表达式,分析影响最大光程差和光程差变化周期的因素,为反射转镜式干涉光谱仪的设计与研制提供理论指导。

空间调制干涉超光谱成像仪仿真技术初步研究

在对空间调制干涉超光谱成像仪的原理进行分析的基础上,以能量传输为路径,研究空间调制干涉超光谱成像仪各数据获取环节的仿真算法,初步建立了干涉超光谱成像仪辐射能量传输仿真模型。对仿真模型进行了计算机仿真,仿真干涉图与实际干涉图较吻合,仿真模型构建较正确.

阿达玛变换光谱和成像技术的应用和研究进展

阿达玛变换(HT)作为一种多通道光谱调制技术,具有多通道同时检测能力、多通道成像能力以及适用于数据处理等优点。综述了近十年来HT光谱和成像技术在分析科学中的应用和研究进展。主要从HT模板编码技术和HT激发序列应用技术等方面讨论了其最新发展和存在的问题,并展望了其发展前景。

辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正算法研究

针对红外成像系统工程应用的实际要求,对辐射源定标红外焦平面阵列非均匀性校正的数学方法进行了研究,揭示了该实际工程问题属于函数插值或函数拟合的数学原理,并据此导出了三次样条插值、B样条最小二乘拟合及多项式最小二乘拟合等非均匀性校正算法.实验表明,该算法能有效适应红外焦平面阵列响应特性的大动态范围和非线性,校正准确度高,计算速度快.

基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时数据处理系统研究

根据干涉式光谱仪系统数据处理技术,研究了一种基于大容量高速现场可编程门阵列(FPGA:Field Program-mable Gate Array)器件的干涉式成像光谱仪实时数据处理片上系统,它将干涉图采集和光谱复原集成在一个FPGA芯片内,可实时完成干涉图采集和光谱复原处理,具有体积小、运算速度快以及稳定可靠等优点,为成像光谱仪对目标的实时探测和识别等应用奠定了良好的技术基础.

干涉光谱数据处理技术研究进展

干涉光谱成像技术是一类同时具有成像、光谱测量功能的新型信息获取技术,由于干涉光谱成像仪获取的数据是目标的干涉数据,是一种中间数据,不能为用户直接所用,必须通过数据处理技术进行处理才能得到高质量的光谱数据,最终为用户所用。文章将干涉光谱数据处理技术分为通用型和专用型两大类,首先介绍了通用型干涉光谱数据处理技术的发展历程,然后针对干涉光谱成像技术的分类,介绍了不同类型干涉光谱数据的提取方式,对近些年来国内外专用型干涉光谱数据处理技术的发展进行了分析介绍。最后,对干涉光谱数据处理技术的发展趋势进行了展望。

高光谱图像中纯光谱提取方法

利用线性解混合方法处理高光谱图像数据,需要获取存在于光谱图像中的纯光谱.目前的纯光谱提取方法都需要复杂的运算,并且都没有被证明具有普遍适用的特点.在特征空间对光谱图像中信息存在形式进行有效分析的基础上,提出基于特征空间分析和光谱相关制图法相结合的纯光谱提取方法(FSASCM),具有复杂度低、对大多数高光谱图像数据普遍适用的特点.

图像融合效果评价方法研究

以IKONOS影像为数据源,对IHS、PC,Gram-Schmidt和基于亮度调节的平滑滤波(SFIM)四种融合算法进行融合处理,对其结果进行了评价.结果表明,定性比较主观性较强,定量比较方法虽多,但大都有一定的局限性,不同谱段的计算结果总有些差异.因此,定量评价时应该多选一些波段与评价方法才能获得比较客观的评价结果.光谱曲线的比较不失为一种比较好的方法,在对光谱曲线进行比较时本文引入了光谱角度和几何距离两种方法进行定量的比较.

反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较

介绍了反射转镜式干涉光谱仪的原理。转镜的转动会导致光程差存在非线性问题,是转镜式干涉光谱仪普遍存在的问题。由于光程差的非线性会导致反演光谱的严重失真,因此需要对其进行修正处理。对非线性修正问题,目前常用的有光程差替换法、干涉图二次采样法和NUFFT法。实验结果证明,NUFFT法和光程差替换法运算精度较高,相对偏差优于0.13%,NUFFT法精度又略高于光程差替换法;在运行效率上,NUFFT法运行速度最快,其次为光程差替换法。由于干涉图本身是一个剧变信号(特别是在零光程差附近),不适合进行多项式拟合,所以干涉图二次采样法运算精度最低,另外,由于干涉图二次采样法需要做分段拟合运算,所以运行效率也最低,从而可以认为NUFFT方法是目前最适用于反射转镜式干涉光谱仪非线性采样误差修正的方法。

计算层析成像光谱技术研究进展

从技术特点和研究热点的角度,综述了近些年来计算层析成像光谱技术的国内外进展,主要包括计算层析成像光谱仪的系统结构改进及与其他技术联用的新集成设计,新器件新设备的研发和应用,仪器定标技术和目标重建算法的优化与改进等;并按照应用范围的特点进行了分类,对在探测波段扩展和应用领域拓展等方面的应用现状进行了总结。介绍了光栅型和旋转棱镜型计算层析成像光谱技术的原理,并展望了计算层析成像光谱技术的发展趋势。

空间调制型干涉光谱成像仪数据处理方法

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。干涉成像光谱仪获得的是间接数据干涉图,不能被用户直接使用,需要进行干涉数据反演处理,包括数据预处理(干涉图修正)、切趾、相位修正、傅里叶变换、光谱辐射定标等一系列复杂的处理,目前国内外尚未有文献对干涉数据处理技术进行全面的分析,文章基于作者单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪的数据处理方法,结合环境与灾害卫星超光谱成像仪的数据,提出了一套有效的数据反演方法和流程,获得了很好的数据反演结果。

成像光谱偏振仪研究进展

成像光谱偏振仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器。介绍了成像光谱偏振仪的原理,对近些年来国内外成像光谱偏振仪的研究进展进行了总结,对基于声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝色散型、空间调制傅里叶变换型和层析型成像光谱仪的光路中添加偏振器件构成的成像光谱偏振仪的原理进行了阐述,并对成像光谱偏振仪的发展趋势进行了展望。

基于OP/FTIR和反射转镜式干涉光谱仪的大气CO2浓度测量

对地球大气温室气体进行高精度的探测,是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。利用OP/FTIR测量法,将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪,首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。该反射转镜式干涉光谱仪的工作谱段为2 100~3 150cm-1,光谱分辨率为2cm-1。设计了大气成分探测方法,建立了大气浓度参数反演数理依据和定量分析算法。采用基于比尔定律的直接法和基于HITRAN数据库及仪器函数的仿真拟合法,建立了反演模型,并对CO2分子的浓度进行了反演。根据观测和模型分析,CO2的浓度反演结果在300~370ppm,呈现出随自然环境变化先缓慢降低再快速升高的趋势,并在下午至傍晚之间达到低值;同时,随时间的变化,用直接法计算的CO2浓度和用拟合法的仿真值表现出了良好的一致性,所有测量数据之间的相关性高达99.79%,相对误差不超过2.00%,达到了较高的反演精度。结果表明,在遥感测量大气成分方面,基于红外反射转镜式干涉光谱仪的OP/FTIR法是可行且有效的技术手段,直接法或拟合法皆可实现高精度的浓度反演。

使用一维机械模板的高分辨阿达玛变换显微图像探测技术研究

A novel Hadamard transform(HT) microscopic image detection system which can generate 511× 512 pixel format images of fluorescence or absorptive light for small samples has been developed, when spatial multiplexing is performed with a 511 slit one dimensional Hadamard mask and a highly sensitive linear CCD. The weak native fluorescence imaging for Zephyranthes candida (Lindl.) Herb. Pollen cells can be realized within 1 min. The spatial resolution of 0 6 μm per pixel has been achieved with a 40× objective. The imaging speed, sensitivity and spatial resolution are satisfactory, hence the system has a good application prospect in cell biology and medicine. Some factors that influence imaging speed and quality have been discussed preliminarily.

空间调制干涉光谱成像仪数据误差修正方法

针对空间调制干涉光谱成像仪获取数据的特殊性,提出一种数据误差修正方法,修正了干涉数据的探测器误差和光学系统误差.对于光学系统导致的光场分布不均匀误差,采用多项式拟合的方法从干涉数据中直接获取误差修正数据.利用实际仪器获取的数据对上述方法进行了计算机仿真,得到了较好的误差修正结果.