基于多角度多光谱相机的相对辐射校正方法分析

多角度多光谱相机(Directional Multi-Spectral Camera,DMC)由5台相机组成,每台相机单独成像,这种成像方式导致其立体成像过程中多相机间辐射响应很难保持一致性。为实现各个视角相机及每片CCD的辐射响应一致,文章提出了多相机全局色差标定法,并与直方图在轨统计法和偏航定标法对DMC影像的辐射校正效果进行了对比。其中几种方法的相机间影像的辐射校正效果比较显示,多相机全局色差标定法校正的5个相机的影像颜色更接近,且均匀地物的相对辐射校正精度更高;CCD片间影像的校正效果比较显示,直方图统计法和多相机全局色差标定法校正的CCD片间影像都呈现颜色均衡,基本无色差,且相对辐射校正精度在3%以内。综上,说明多相机全局色差标定法更适用于校正DMC的辐射一致性问题。

高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300nm)的粒子探测,完善大气遥感,设计了一种高分辨率成像光谱仪,并开展了原理样机的研制。根据国外已有载荷进行分析,选用了以离轴抛物镜为望远系统、Czerny-Turner结构为成像光谱系统的光学方案;针对真空紫外波段辐射弱的特点选取了带有MCP的二维光子计数型探测器。为了实现该光学系统的宽波段成像功能,在像差理论的基础上引入了几何与一阶微分的数学方法,解决了传统结构像差校正不均匀、空间分辨率低的缺点;最终设计得到了改进型的成像光谱仪。对设计结果进行模拟和光谱分辨率计算分析可知这种成像光谱仪全视场全波段调制传递函数值在0.6以上,光谱分辨率达到1.23nm,具有良好的性能。这种方案工程实现性好,性能优越,设计方法和设计结果合理可行。

改进的宽谱段车尔尼-特纳光谱成像系统设计

针对传统的车尔尼-特纳光谱仪像散较大的缺点,基于像差理论,提出了一种改进的车尔尼-特纳光谱成像系统。将平面光栅置于发散光中,利用平面光栅产生的像散来补偿物镜产生的像散。推导出了宽谱段像散同时校正条件,实现了宽谱段像散的同时校正。具体分析了像差校正的原理和方法,编制了初始结构快速计算程序。作为实例,设计了一个谱段为540～780nm的宽谱段像散同时校正车尔尼-特纳光谱成像系统,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析。结果表明,全视场调制传递函数在整个工作波段均达到0.52以上,实现了宽谱段像散的同时校正,并获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求,结果也证实了所提出的改进方法是可行的。

基于红外图谱识别坦克漆特征

为识别坦克漆特征,用红外光谱仪采集坦克漆的高光谱图像,提取光谱反射率数据;用平均平滑法预处理矫正光谱数据,去除高频噪声;用主成分分析法提取校正后光谱特征,结合人工神经网络完成坦克漆特征识别。结果表明:所提方法的主成分明度、纯度具有较高累计可信度,对不同坦克漆样本均具有良好的聚类性,将坦克漆敏感特征波段作为人工神经网络输入,输出特征识别结果,识别准确率达95%以上,即使存在外部干扰也可保持较高识别准确性。

具有相同分子基团的多组分气体现场在线光谱分析

针对目前傅里叶变换红外光谱分析还不能独立应用于气体成分多、部分成分具有同种分子基团、气体浓度变化范围大的复杂多组分混合气体的在线分析问题,文章以甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和正丁烷五种轻烷烃气体的混合气体的光谱分析为例,提出采用充分考虑气体温度、压力及干扰气的影响,采用特征提取、光谱畸变识别与修正、神经网络的鲁棒建模与分层建模的方法来实现具有相同分子基团的混合气体光谱分析。最后给出了五种轻烷烃气体的光谱与气相色谱的在线分析结果。分析结果对比曲线表明,两种仪器分析结果曲线几乎完全重合,这说明该文提出的光谱分析方法可以独立应用于具有相同分子基团的多组分气体混合气体现场在线分析,解决了科学研究和工程应用中气体组分复杂、气体浓度变化范围大的复杂多组分混合气现场分析难题。

基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像

光谱成像系统受色差影响会导致图谱混叠,本文将单像素成像以及计算关联成像分别与光谱成像系统相结合,并在系统中引入900~1700 nm适用的消色差透镜来校正色差。首先计算出不同胶合消色差透镜的色差大小并以此选取透镜,所选消色差透镜相较其它透镜对色差校正可以提高一个量级。其次分析了色差对光谱成像系统的影响以及单像素成像和计算关联成像的差异。最后仿真和试验分析单像素光谱成像和计算关联光谱成像特点。试验结果表明对于900~1700 nm的近红外光谱成像,基于消色差透镜的单像素光谱成像系统取得了更好的图像重构结果,其峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)提高了3.93 dB,结构相似度(Structural Similarity,SSIM)提高了0.96%。消色差透镜的单像素光谱成像系统在近红外光谱成像中重构图像效果优于无消色差透镜的计算关联光谱成像。

非共面Offner结构高分辨率成像光谱仪设计

Offner成像光谱仪在大色散需求下成像质量不足并且易发生光线遮挡，为此设计了一种基于罗兰圆条件的非共面Offner结构光谱仪。分析并推导出了一种非共面Offner结构成像光谱仪的消除像散及彗差同时解决光线遮挡的设计方法。使用该方法设计出光谱范围为350-1000nm，色散宽度为12．6mm的成像光谱仪。在奈奎斯特频率（30lp／mm）下其调制传递函数在全视场、全光谱范围优于0．78，点列图均方根半径优于4μm，同时，系统的谱线弯曲及谱带弯曲均小于1％像元尺寸。最后，将非共面Offrier结构成像光谱仪与传统Offner结构进行对比，结果表明，在高光谱分辨率需求下，当人射狭缝较小时，非共面Offner结构光谱仪具有更好的成像质量，并且在谱线弯曲及谱带弯曲的控制上具有优势，可用于小体积高光谱分辨率成像光谱仪器设计。