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。

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。

傅里叶变换红外光谱仪中立方反射镜特性分析

在傅里叶变换红外光谱仪中,用立方反射镜作为动镜的光路系统比平面镜时的情形复杂。通过建立系统的数学模型分析光路,确定了干涉信号的数学表达式;从干涉图调制度的角度对系统在非理想状态下的运动误差容限以及安装误差容限进行了分析。结果表明,与动镜和定镜都采用角反射体的系统相比较,该系统动镜运动中其偏摆和顶点横移不会对干涉图产生影响;与动镜为平面镜的系统相比较,该系统不需要对动镜的动态校正就能满足调制度判据要求。

高光谱干涉图像动态追踪补偿方法研究

结合基于位置姿态测量系统的目标动态追踪补偿校正和非等间隔快速傅里叶变换谱提取,提出一种机载遥感的高准确度校正方法.该方法通过位置姿态组合系统在承载平台稳定性较差的成像条件下进行实时姿态测量、主动校正、反馈补偿获取干涉图,再对校正后的干涉图进行空间变换和非均匀性谱提取,获得融合图像和目标光谱曲线.机载飞行实验表明:多谱段伪彩色融合图像效果良好,光谱反演准确度与传统校正方法相比有大幅提升.基于该方法的位置组合测量系统具有良好的机载环境适应性,可应用于稳定性较差的平台以及非干涉型原理的光谱成像探测系统,为机载高光谱图像运动误差一体化处理平台的研究提供了一条新途径.

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。

基于光谱分类的端元提取算法研究

目前成熟的端元提取算法是基于单形体几何学的像元纯度指数(PPI)算法,N-FINDR,VCA等算法。这些算法从图像所有像元中提取纯光谱,具有提取速度慢、精度不高的缺点;部分算法需要进行光谱降维,不利于小目标信息的提取。该文提出先利用基于空间特征的光谱分类算法进行分类,将整个图像划分成空间相邻、光谱相似的若干类,每一类的均值光谱作为标准光谱,从所有类别的标准光谱中提取纯光谱,使得运算量明显减少,并且降低了噪声对算法的影响,极大的提高了端元提取的速度和精度。同时采用基于光谱冗余的端元提取算法进行端元提取,不需要预先设定端元数目,相对于PPI,N-FINDR等算法,该算法更具合理性。将该算法处理结果与ENVI中的SMACC算法处理结果进行比较,表明该算法具有端元提取准确,空间连续性好,抗噪能力强等特点。

基于光学定心加工的道威棱镜装配方法

本论文针对如何实现道威棱镜光轴与旋转轴平行,将道威棱镜转像理论与光学定心加工结合,提出了基于光学定心加工的道威棱镜组件装配方法。该方法根据道威棱镜旋转轴偏转时其出射光束发生变化的特性确定道威棱镜光轴,并通过车削的方式保证其镜筒外圆旋转轴与其光轴平行。本文具体提出两种道威棱镜组件定轴方案,分别为平行光管定轴方案以及激光定轴方案,此两种方案可有效保证道威棱镜反射面轴线(道威棱镜光轴)与旋转轴的平行度,定轴精度优于0.01mm。

高光谱图像运动误差实时校正处理平台设计与实现

高光谱图像数据由星上压缩打包至地面,再对其进行处理,这种处理方式对实时应用场合显得过于迟缓。同时,图像数据量大,处理步骤多,反演算法复杂,因此,迫切需要搭建精确快速的数据处理平台来进行实时处理,目前,用硬件进行实时复原和进行误差校正的平台比较少,能够成功应用的平台也由于处理速度不高,精度不够,灵活性差,不能升级和配置等缺点,也会直接影响到目标探测和识别的效果。本系统以空间调制型光谱仪下传数据作为研究目标,设计并实现了一种基于Xilinx Virtex-5FPGA的数据处理平台,通过可配置的、高精度、接口灵活的IP软核资源,实现了光谱数据处理的关键环节,并给出相关试验验证,为光谱仪图像反演及误差校正探索了一种新途径。

适用于楔形滤光片型光谱成像仪的快速无损数据压缩方法

楔形滤光片型光谱成像仪具有无运动部件、低光机复杂度等优点,是低成本微型化光谱成像仪的一个重要发展方向。不同于传统色散型光谱成像仪,楔形滤光片型光谱成像仪获取的数据是光谱-空间混合调制的图像。针对直接应用CCSDS123进行楔形滤光片型光谱成像仪数据压缩时压缩比较低的问题,结合楔形滤光片型光谱成像仪"谱像混合"、"推扫成谱"的特点,通过定义新的局部差向量,构建了一种低运算复杂度适合硬件实现的快速无损压缩方法 WCCSDS123。新的局部差向量中参与计算的像元集合代表的是同一被观测点的光谱信息。WCCSDS123方法首先利用局部和与改进的局部差向量对采样点的值进行预测,再利用预测值与真实值计算预测残差并对其进行整数映射,最后采用采样自适应熵编码对映射预测残差进行编码完成压缩。在6组楔形滤光片型光谱成像仪数据上分别采用WCCSDS123和CCSDS123进行了压缩实验。实验结果表明,与CCSDS123相比,WCCSDS123的压缩比提高了约21.62%,压缩耗时没有明显差异。因此,该方法在提高压缩比同时,继承了CCSDS123复杂度低,易于硬件实现的优点。该方法 WCCSDS123具有较低的计算复杂度,能够更加有效地利用空间光谱冗余信息,获得更好的压缩效果,是针对楔形滤光片型光谱成像仪的一种良好的快速无损数据压缩方法。

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。

基于空间特征的光谱分类算法研究

随着成像光谱仪器的广泛应用,利用数据立方体进行物质分类与识别成为一项重要的研究内容,分类算法对最终的目标识别准确度与精度具有很大的决定作用。目前常见的分类算法主要利用了光谱维信息,从光谱匹配的角度进行物质分类。由于仪器探测的物质反射光谱不仅反映了物质种类,还与物质表面的几何结构,表面粗糙度等有关,因此仅仅利用物质的反射光谱进行物质分类识别具有一定的误差。该文在利用可见光反射光谱进行分类的基础上,结合图像空间特征,对分类过程进行控制,达到提高分类准确度的目的。利用该分类算法进行真假叶片识别,结果表明其具有较好的空间连续性,很大程度上克服了"麻点"效应,验证了算法的有效性。

用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

面对空间遥感,尤其在目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点.在同轴三反射光学系统的基础上,采用视场离轴方式,设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统.次镜和光阑重合,无中间像,实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求.光学系统的基本参数为:焦距f′=1 600 mm,视场角为2w=18°×0.148°,相对孔径为1/10,3个反射面均为二次曲面.设计结果表明,成像质量接近衍射极限,用此方法设计的光学系统在航天遥感领域具有很好的应用前景.

星载干涉红外光谱仪能量分析与计算

星载干涉红外光谱仪的能量特性如系统信噪比、系统灵敏度等对仪器的性能起着决定性作用;在设备研制前对光谱仪系统的能量特性进行有效的分析与计算是非常必要的。从红外辐射基本定律及其应用要求着手,建立了星载干涉红外光谱仪能量辐射计算模型,推导出了有效的能量估算方法和公式,并结合所从事的实际项目给出了仿真结果与结论。光谱仪的信噪比和灵敏度受干涉仪效率、F数、工作帧频、探测器等各种参数的共同影响,仪器优化设计应综合考虑各参数的影响。

噪声对哈达码变换解码算法的影响

在哈达码变换成像光谱仪中,哈达码解码是非常重要的,其中噪声对解码又带来一定的影响.介绍了哈达码变换成像光谱仪的基本原理,在此基础上重点分析了用逆滤波法对哈达码解码的算法.在实际的成像过程中,由于会不可避免地引进噪声,通过分析,初步研究了高斯模糊噪声对哈达码解码算法的影响,并给出了计算机仿真结果,对于进一步研究哈达码解码算法具有重要意义.

全保偏双飞秒光纤光频梳系统的频率联动特性

采用跟踪反馈控制法,实现了双飞秒光频梳系统的频率联动,研究了主动光频梳自动扫频和手动扫频情况下,双光梳间的频率联动特性.结果显示,对主动光频梳进行自动扫频或手动扫频时,从动光频梳的频率跟随变化,且双光梳频率间的相关系数最大可达0.99,说明双光梳的频率间保持了较好的联动特性.最后,将频率联动的全保偏双光梳系统用于测距实验中,测量距离为1.332m,时间间隔为0.2s,连续进行16次测量,测得数据的标准差为0.35μm,测量精度可达亚微米量级.

深度神经网络在红外光谱定量分析VOCs中的应用

鉴于浅层人工神经网络(ANN)需要依靠先验知识进行人工提取特征,同时较浅的网络结构限制了神经网络学习复杂非线性关系的能力,将深度神经网络(DNN)应用于利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对多组分易挥发性有机物(VOCs)进行的浓度反演研究,并利用仿真实验验证了算法的有效性。从美国环境保护署(EPA)的数据库中选取了包括苯、甲苯、 1,3-丁二烯、乙苯、苯乙烯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯在内的八种VOCs气体在8~12μm波长范围内的吸光度谱,每种气体有四种不同浓度下的谱线,依据Beer-Lambert定律从每种VOCs气体中选择一种浓度下的吸光度谱进行混合,得到65 536种不同的VOCs混合气体吸光度谱样本。随机选择5 000组混合气体的吸光度谱,其中4 000组作为训练样本, 1 000组作为预测样本。通过积分提取和主成分提取对光谱矩阵进行降维预处理,将光谱维度从3 457维降到30维。将光谱矩阵经过预处理后得到的新矩阵作为网络输入,对应八种VOCs的浓度矩阵作为输出,建立了30-25-15-10-8的深度神经网络回归预测模型来实现多组分VOCs浓度反演,反演得到样本的均方根误差为0.002 7×10-6,相比于前人利用非线性偏最小二乘拟合、人工神经网络等方法拟合的精度有了明显的提高。每种VOCs气体的均方根误差均不超过0.005×10-6,每个样本的均方根误差均不超过0.006×10-6,证明了深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性。当训练样本不足(典型值:小于500)时,深度神经网络无法充分地学习,网络误差较大,精度低于单隐藏层的人工神经网络,但随着训练样本数量的增加,深度神经网络的精度不断提高,当训练样本数充足时,相比浅层的人工神经网络,深度神经网络具有更强的非线性关系学习能力,预测精度更高,模型更为稳定。同时,由于训练前对光谱矩阵进行了降维处理,大大降低了算法的复杂度,有效提高了反演效率。分析表明,深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性,无需人工提取特征就能够充分学习数据特征,同时对多组分VOCs进行浓度反演并达到较高精度。

基于LCTF与LCVR的偏振高光谱成像系统设计

提出一种基于液晶可调滤光片(LCTF)与两片液晶可调相位延迟器(LCVR)构成的偏振高光谱成像系统,相对于传统LCTF具有转动部件以及无法获取全部偏振态的特点,本系统能够静态凝视成像并且测量目标完整的Stokes参量。通过对两片LCVR取四组不同延迟组合,构造了一个4×4复原矩阵来获取目标的原始全偏振信息。使用干涉光强法,对两片LCVR分别进行了延迟-电压特性的精确测量;在633nm下验证了全偏振复原算法,通过对误差分析,得到了较好的反演Stokes参数和相应的DoLP与Orient计算值,验证了复原算法的可靠性,可以为全偏振态高光谱遥感成像提供有效的数据。

超结构夹芯板及其低宽频振动带隙机理

针对厚板类结构的低频减振问题,将超材料/结构概念引入夹芯板中,提出了一种夹芯型超板——超结构夹芯板,其结构主要由夹芯型周期基板和内嵌于其中的夹芯型周期振子组成,具有轻质、高刚度、厚尺度和低宽频振动带隙特性。对其减振机理进行理论研究发现:夹芯型周期基板的振动模式与夹芯振子的振动模式依据模态叠加原理分别主导系统响应,当二者的主模态相互耦合时,振子通过抑制夹芯型周期基板的主模态,使夹芯型超板中不产生波传播模式,形成振动带隙;夹芯振子的刚度模式是影响带隙特性的主要因素,当其为混合刚度模式时,可实现带隙位置和带隙宽度一起调节,形成低宽频振动带隙。仿真结果表明:所设计的夹芯振子具有串并联刚度特性,致使振子中出现了两种刚度模式,分别对带隙位置和带隙宽度同时进行调节,最终于低频处将完全带隙扩宽了7倍。实验结果表明,所提出的夹芯型超板集夹芯板与超材料/结构二者优点于一体,实现了力学承载和低频带隙减振的统一,具有较好的低宽频减振特性,为厚板类结构的低频减振提供了新思路与方法。

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。