基于模拟退火的傅里叶变换成像光谱仪干涉图相位修正

相位修正是傅里叶变换成像光谱仪光谱复原的关键技术之一,针对现有算法对带有噪声的干涉图相位修正不足的问题,文章提出了一种基于模拟退火算法求解相位误差的修正方法。该方法通过控制相位下降函数,利用相位区间内产生的随机相位值修正干涉图数据得到目标函数值,依据Metropolis准则判断目标函数增量以确定相位最优解。该算法仿真结果表明,优化出的相位误差小于0.5%,光谱复原的相对光谱误差精度和稳定性均小于1%,较现有算法有显著提高。

基于波数均匀展宽模型的全反射傅里叶变换成像光谱仪高精度光谱定标处理方法

全反射傅里叶变换成像光谱仪ARFTIS(all-reflection Fourier transform imaging spectrometer)是基于FT成像光谱理论的一种新型仪器,它不但具有高光谱分辨率特点,而且还具有宽波段、无色差的特点,特别适合应用在宽波段成像的遥感领域。目前常用的光谱定标方法有单色法、平均法和加权平均法,但是它们各存在一定局限性,不能同时满足简便和高精度的要求。文章研究了全反射型FTIS的光谱定标理论和三种定标方法的局限性,提出了一种新的光谱定标处理实用模型。其特点是需要定标特征波长数量少、单次定标精度高、多波段平均误差小于5%、稳定性较高,可以在保证较高精度的前提下,简化定标工作,特别适用于缺少大量定标设备,或不便进行多光源定标的外场环境仪器标定工作。

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理（英文）

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作。复原光谱分辨率为194cm^(-1),优于设计指标(250cm^(-1))。

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。

静止型傅里叶变换成像光谱仪技术的发展

在对经典的傅里叶交换成像光谱仪进行分析、讨论、对比的基础上,综述了静止型傅里叶变换成像光谱仪的原理、结构特点、国内外发展现状及关键技术。对两种不同干涉机制的干涉仪作了对比。静态的、高通量、高分辨率的傅里叶成像光谱技术将最终成为成像光谱技术的发展趋势。

基于FPGA的傅里叶变换成像光谱仪实时数据采集与显示系统设计

利用可见光相机模拟干涉仪,基于FPGA设计了傅里叶变换成像光谱仪实时数据采集与显示系统,为后续的实时光谱复原奠定了良好的技术基础。该系统主要由采集、存储、数据变换及显示4个部分组成,主要涉及SAA7113、ILI9325等芯片的配置、SDRAM控制器的设计、像素的提取、色彩空间的变换等。经71 ms初始化完成后,各部分协调运行,能够实时输出目标的图像信息,具有运算速度快,便于升级维护,可进行二次开发等优点。

面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪

针对油品现场检测中实时性和准确度的需要,研制了一种面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪。该光谱仪采用相干长度扩增方法,可快速定位有效信号;通过驱动采集控制系统对傅里叶近红外检测光路进行100 nm等间隔的干涉调制,最终由傅里叶逆变换解析出的吸收光谱分辨力可达3.25 cm^(-1)。用该光谱仪对汽油样品进行质量检测的结果表明:该光谱仪可在短时间内对汽油中5种物质含量进行快速计量,其最大体积误差不超过0.7%,可以满足油品参数现场计量的需求,对市场中成品油质量的监管具有重要意义。

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。

代数迭代法用于傅里叶变换计算层析成像光谱仪数据重建

主要介绍代数迭代法在傅里叶变换计算层析成像光谱仪数据处理中的应用。根据4种不同投影数进行了光谱切片重建,并对光谱相似性进行了比较。针对ART算法可应用少数投影重建的特点,专门在45个投影数时,采用不同迭代系数进行了重建,并进行了比较。最后,对实际场景进行了光谱切片重建。

宽波段傅里叶变换太阳光谱仪等光程差采样系统设计

太阳成像光谱探测是诊断太阳大气磁场和热力学参数的主要手段.傅里叶变换太阳光谱仪(Fourier Transform Solar Spectrometer, FTSS)具有宽波段的优势,是当前中红外高分辨率太阳光谱探测的最佳选择.FTSS通过采集目标辐射等光程差干涉图,反演获得光谱图,等光程差采样的间隔决定了反演光谱波长范围.因此从FTSS宽波段光谱观测对不同等光程差采样间隔需求出发,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术,采用全数字分频、倍频方案,设计了一套宽波段FTSS等光程差采样系统.采用分布式余数补偿方法,有效解决了在参考激光干涉信号倍频过程中,输出采样信号在输出信号周期间误差累积问题,并降低了输出采样信号的误差及非均匀性;经功能仿真及实验测试,系统在200 Hz–50 kHz频率范围内,频率误差δ <0.04%,可有效满足FTSS的300 nm–25μm宽波段的光谱观测数据采集需求,为后续可见和红外波段FTSS的研制奠定了技术基础.

基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪(FY-4/GIIRS)运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空(TVAC)定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。

傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原FPGA芯片系统研究

针对傅里叶变换红外成像光谱仪实时数据处理技术的要求,研究了一种基于FPGA的集干涉图非均匀性校正、光谱复原、光谱辐射定标于一体的傅里叶变换红外成像光谱仪实时光谱复原芯片系统。该系统对输入信号做了标准化设计,以流水线方式输出目标的复原光谱信息,可嵌入到各种类型的红外/可见光傅里叶变换成像光谱仪的实时数据处理系统中,具有体积小、运算速度快、稳定可靠及易于升级等优点,为基于光谱特征的目标实时识别奠定了良好的技术基础。

微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析

为了实时探测运动场景、迅变目标的图像与光谱,提出了一种微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪,利用多级微反射镜对微透镜阵列形成的多重像场进行分布式相位调制,实现了干涉图谱信息的实时获取。根据微透镜阵列与多级微反射镜对光场的相位调制特性,建立了多重干涉成像的理论模型,计算表明,不同视场的干涉像点位于探测平面的不同区域,但大视场情况下相邻通道之间的干涉图像单元会发生串扰,并导致复原光谱失真。分析表明,为了抑制相邻干涉成像通道间发生串扰,视场角应控制在微透镜阵列和多级微反射镜的衍射与离焦效应所限定的极限视场角之内。同时,视场角还会引入相位误差,并导致归一化光谱误差随视场角的增大而单调递增。根据归一化光谱误差关系曲面可以对系统的视场角进行合理的设计,从而实现对目标场景中特定区域的有效探测。

傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性在线定标与校正研究

由于傅里叶变换红外成像光谱仪结构的特殊性,其非均匀性在线定标与校正在工程上一直没有得到有效解决。首先对IRFPA非均匀性校正的原理与算法进行了简要阐述,在此基础上,通过对时间调制型、空间调制型及时间空间联合调制型傅里叶变换红外成像光谱仪原理结构的深入分析,针对这三种制式的光谱仪,分别研究出了相应的非均匀性在线定标与校正的方法,为星载傅里叶变换红外成像光谱仪非均匀性的在轨定标奠定了良好的技术基础。

中波红外傅里叶变换成像光谱仪后置成像系统分析与设计

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件，因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明：在-20℃～60℃的温度范围内，系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17lp／mm处大于0．6。系统的均方根（RMS）最大光斑直径小于12μm，系统单个像元能量集中度大于80％，冷光阑匹配效率接近100％。以RMS光斑直径变化为标准，计算了系统的公差灵敏度矩阵，计算结果表明，后置成像系统0视场光斑尺寸小于16μm的可能性为97．7％。

傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统被动遥测火焰红外图像

介绍了一种傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统,并用该系统测量了放在平台上的3盏普通实验用酒精灯的火焰红外发射谱,选择位于大气窗口内的波数为900～1 000 cm-1波段,利用普朗克定律,反演出了每条光谱对应的相对温度。实验中每一个光谱对应一个扫描位置即像素点,把这些温度数据通过Mat-lab软件绘制出了扫描范围内的红外图像。将红外图像叠加在视频图像之上,两者吻合得非常好,清楚地显示了3个火焰的位置。

快照傅里叶变换成像光谱仪阵列非均匀特性的Monte Carlo分析

快照傅里叶变换成像光谱仪通过微透镜阵列的多重成像与微反射镜阵列的分布式相位调制实现图谱信息的实时获取。由于阵列器件制作精度的限制,微透镜阵列与微反射镜阵列各单元之间的结构参数会存在不同程度的偏差,从而影响系统的性能。微透镜阵列各透镜单元之间结构参数的偏差可以等效为焦距的非均匀性,微反射镜阵列各阶梯单元之间的差别主要体现在阶梯步长的非均匀性上。本文根据微透镜阵列与微反射镜阵列对光场的相位调制特性,建立了非均匀误差的光场传输模型。采用Monte Carlo方法分别对微透镜阵列的焦距非均匀性和微反射镜阵列的步长非均匀性进行误差合成,统计分析表明相对光谱误差量随着焦距标准差及步长标准差的增加而单调递增。针对步长非均匀误差提出了一种离散光谱相位补偿的光谱校正方法,该方法有效降低了微反射镜阵列的制作精度要求,提高了复原光谱的质量。

全景环形成像傅里叶变换光谱仪光学系统设计

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构,该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器,利用Schwarzchild物镜进行准直,结合弹光调制干涉仪,成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性,讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法,并给出了设计结果及优化方案。最后,采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化,结果表明,成像光谱仪工作在8μm^12μm波段,有效焦距为-0.67mm,侧向视场为40°~80°,F~#0.9,像点弥散斑RMS半径为20.116μm,在一个像元直径内,MTF在16lp/mm处均高于0.5,且各视场一致性较好,OPD像差在±0.4λ范围内,成像质量良好。

傅里叶变换成像光谱数据压缩

通过对傅里叶变换成像光谱仪数据的高低频反演光谱与光程差间的关系进行分析,提出一种光谱插值预测与量化编码压缩方法.仿真结果表明,在相对光谱二次误差<1%的情况下,压缩比优于5∶1.

基于MATLAB的傅里叶变换光谱仪光谱复原研究

本文充分利用MATLAB在科学计算和数据处理方面的强大计算功能,对一款傅里叶变换光谱仪的干涉图数据进行光谱复原算法的研究,实现了光程差与离散干涉信息序列的匹配,通过去直流、相位校正等数据处理方法,利用快速傅里叶变换得到了对应干涉信息的光谱图,为后续制造完成的光谱仪样机的配套软件提供数据参考。