基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭偏技术

提出了一种基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭仪方案,与现有时间调制型与时频混合调制型广义光谱椭偏技术相比,其不含运动部件与电控元件,可实现被测样品全部16个Mueller矩阵元素光谱的实时测量。与现有频率调制型广义光谱椭偏技术相比,其测量结果的光谱分辨率更高且降低了通道串扰产生的概率。

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IPLS-XGBoost算法的可见-近红外光谱鸡蛋新鲜度高效准确检测技术研究

针对传统光谱法检测鸡蛋新鲜度存在的效率低、准确率不够高等问题,提出采用可见-近红外光谱结合极度提升树(XGBoost)等算法对鸡蛋新鲜度分类进行研究,以期在保证足够高准确度的同时大幅提高检测效率。将不同储存条件下的鸡蛋作为样本,并分别划分为训练集和测试集,采用训练集的综合评价指标(F-measure)和准确率(Accuracy)评估分类模型的性能。具体地,首先利用可见-近红外光谱系统采集鸡蛋的反射光谱,将所得的光谱数据经过不同预处理后再结合随机森林(random forest,RF)、偏最小二乘(partial least squares,PLS)、支持向量机(support vector machine,SVM)、多层感知机(muhi-layer perception,MLP)以及XGBoost等分类算法构建鸡蛋新鲜度分类评估模型,并对比各模型性能指标。分析结果发现,经Savitzky-Golay一阶导(Savitzky Golay first-order derivative,SG-1^(st)-Der)预处理后的RF、SVM、XGBoost模型和经标准正态变量(standardized normal variate,SNV)预处理后的PLS、MLP模型具有较好的训练结果。为进一步提高模型精度和运算效率,提出利用区间偏最小二乘法(interval partial least squares,IPLS)对SG-1^(st)-Der和SNV预处理后的光谱数据首先进行降维,然后再分别建立基于RF、SVM、XGBoost、PLS及MLP等算法的预估模型,最后通过测试集对模型进行验证。结果发现原始光谱数据经SG-1^(st)-Der预处理后所建立的IPLS-XGBoost分类模型性能最优,在不同储藏条件下测试集的F-measure分别为92.33%和90%,Accuracy分别达到94.44%和91.67%,而程序运行时间均不超过0.6 s。表明,可见-近红外光谱结合IPLS-XGBoost分类算法可应用于鸡蛋新鲜度评估,该方法在模型分类性能、准确度评估、运行速度等方面比传统方法更具优越性。

曲面仿生复眼测速技术研究

曲面仿生复眼相机具有大视场,对运动目标敏感等特点,在广域探测、内窥导管、精确制导等国防、医学及民用工业领域中有着广阔的应用前景,该文报道了基于曲面仿生复眼相机的高速运动目标测速技术研究。首先建立了基于曲面仿生复眼成像原理的测速模型;然后利用霍夫圆检测算法在原始复眼图像上找出每个子眼所在位置,并通过图像分割对相邻子眼之间重叠视场进行分析;最后再结合SIFT算法对相邻2个子眼的子图像进行特征点提取与图像配准,由提取出的特征点像素坐标计算出重叠区域像素数目,从而得到汽车的运动速度。设计了相关测速实验进行验证,实验中拍摄距离控制在6 m~10 m之间,对以8.33 m/s速度做匀速直线运动的汽车进行测试,测试结果表明,可将速度测试的相对误差控制在4%以内。与单孔径成像系统测速结果相比,曲面仿生复眼测速技术具有更高的准确性和重复性。

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。

一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术

为了改善光学成像中的成像质量和效率,提出一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术.通过物镜、编码板、色散元件、准直镜、聚焦镜、探测器等组成前端成像系统,然后,利用稀疏重构算法在后端处理器上重构光谱数据,从而将成像运算量从前端转移到后端.同时,引入块重构、错位预处理、多帧重构技术,提高重构的准确度,减小后端处理内存,降低计算复杂度.通过仿真实验对原始数据和重构数据的光谱曲线、信噪比、光谱误差、分类识别效果等指标进行对比分析,结果表明,利用本文压缩传感技术可以实现超分辨光学三维成像,且成像质量较高,数据应用效果较好,可用于大幅宽、高分辨率、低功耗、动态目标的成像观测.

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。

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术研究与仿真

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术是一种综合强度调制光谱偏振技术和傅里叶变换光谱技术的新型光谱偏振测量技术,能够同时实现全斯托克斯光谱偏振参数测量,保留了傅里叶变换光谱技术高通量、多通道的特点,同时具有降低数据处理复杂程度的优点。文章对强度调制-傅里叶变换光谱偏振测量技术的数据采集和光谱偏振复原过程进行了理论分析,给出了推导公式,并进行了基于该技术的光谱偏振仪工作全过程的数值模拟,理论分析及模拟结果证明了该技术在理论上的可行性。

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.

大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

综述了被动光学遥感国外星载大气风场探测干涉光谱技术的研究进展。阐述了Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、多普勒差分干涉仪及其相应的探测原理,其中从单视场发展到双视场、四视场临边扫描。比较了不同技术体制特点和局限。介绍了国外广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)、高分辨率多普勒成像仪(HRDI)、多普勒干涉仪(TIDI)等的特点、性能指标及其应用。分析了研制中二维空间转台、光纤视场合成技术、窄带滤光片工艺水平等关键技术。归纳了性能指标中测风精度提高、探测范围扩大、视场增大等进展;数据应用中由反演风速、温度和辐射率数据向探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数,大气有效反射率,气溶胶相位函数和散射系数等的转变。展望了技术的发展趋势。

基于EZW的高光谱图像压缩技术研究

随着高光谱遥感技术的发展,高光谱成像仪已应用于航天航空方面,与多光谱图像不同,高光谱图像是以纳米级的波段宽度对目标进行连续的光谱成像,所获取的图像光谱分辨率非常高。但是,随着波段数的不断增加,光谱成像仪获取的数据量越来越大,要对这些数据进行存储与传输是我们必须面对的问题。随着小波压缩技术的发展,在图像压缩领域有许多人对图像采取EZW压缩并提出各种改进方法,本文将此方法应用于高光谱图像的空间维压缩,对于光谱维的压缩暂不涉及,从高光谱图像的压缩重构结果看,无论从峰值信噪比(PSNR)和光谱曲线比对,还是从人眼主观对原图与重构图的比较,效果都不错。如果先对图像进行光谱维压缩,相信压缩效果会更好。

偏振透雾成像系统的设计与实验分析

针对尘雾天气下对成像质量、集成度和实时性的要求,设计了一种可进行快速去雾处理的偏振成像系统.利用现场可编程门阵列实现差分电平转换,结合探测器内置锁相环路和CamLink图像传输协议搭建高集成度CMOS成像电路;利用斯托克斯方程对获得的偏振图像进行反演,通过数字信号处理器模块实现了实时去雾算法.该偏振成像系统尺寸为117mm×117mm×126mm,质量为1.2kg.在尘雾天气下进行成像实验,通过对比去雾前后图像直方图和RGB分布,表明该成像系统能有效地对大气散射进行校正,验证了该成像系统的透雾能力.实验结果表明,该成像系统在2 048×2 048及180Hz下可获得稳定的彩色去雾图像.

偏振光谱图像去雾技术研究

空气污染严重影响了成像质量,雾霾天气下成像的对比度和分辨率下降。利用不同波段偏振光谱数据的图像去雾研究国内外尚未见报道;运用偏振光谱去雾技术对光谱数据立方体研究具有重要意义。在中重度雾霾天气下,利用光谱仪,获取了380~1 000nm的可见近红外偏振光谱数据,研究了450,550,650,750和850nm五个波长下偏振图像和去雾结果。结果表明,波长对图像目标与背景的灰度差值影响显著,去雾后图像的灰度动态范围和平滑度都有显著提升;去雾后图像远景对比度平均提升了5倍,其中450nm图像对比度最低,但对比度提升量最大,提高了7.13倍;850nm图像对比度最高,但对比度提升量最小,提高了3.86倍;去雾后不同波长图像的灰度动态范围均有明显展宽,展宽范围为13.5%~28.6%,而图像近景动态范围展宽为33.3%~44.0%。分析了图像复原过程中可能出现的估计误差,根据其产生机理提出了对大气散射光的偏振度和无穷远处的大气散射光强度的校正方法,并总结出了最佳校正系数的选取规律,对未知条件下的图像去雾提出指导。通过斯托克斯参数从原始数据中提取偏振信息,基于大气散射光与景物透射光偏振特性差异对图像去雾,偏振光谱图像去雾技术为光谱图像去雾研究提供一种新手段,也为图像去雾技术的发展提供一种新思路。

皮肤鳞状细胞癌声光滤波显微光谱成像研究

TeO2非共线声光可调滤波器(AOTF)是一种优良的电调谐分光器件,具有体积小巧、稳定性高、调谐快速、可实现便携等优点,在超光谱成像领域具有很高的应用价值。通过非共线AOTF与光学倒置显微镜有机结合,建立了声光滤波超光谱显微成像系统;在可见光范围内,开展了人体皮肤鳞状细胞癌组织的超光谱显微成像实验研究,获得了一系列不同衍射光中心波长下的皮肤鳞状细胞癌组织的光谱和对应的显微图像。系统性能检测实验结果显示,在超声频率为110~180 MHz范围内的衍射光带宽仅为1.28~2.84 nm,表明本研究中的AOTF具有很高的光谱分辨率,达到102个光谱通道量级,完全可以满足超光谱显微成像对生物组织结构进行精确识别的需要。本系统采用高质量的TeO2晶体、双胶合透镜以及优化的射频驱动源,有效地抑制了衍射光光谱的旁瓣。分析了超声频率与衍射光中心波长的调谐关系,以及超声频率与对应衍射光谱带宽的关系曲线,实验结果与理论计算结果有着较好的一致性。系统实验获得的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像随光波长漂移不显著,表明超光谱成像系统的图像稳定性高。通过对比,分析了不同中心衍射光下的皮肤鳞状细胞癌组织显微图像的清晰度随光波长的变化规律,在522.52 nm时,皮肤鳞状细胞癌组织内部各精细结构区分明显,图像最为清晰。通过定义透射差异系数,分析了图像整体亮度曲线和透射差异系数随光波长变化曲线,其变化规律与直观观察结果相符合;对皮肤鳞状细胞癌组织图像进行了边缘提取分析,得出在497.87~551.29 nm内,可在整体视野较为明亮的情况下对皮肤鳞状细胞癌组织进行观察和研究,在509.69~527.59 nm范围内,组织边缘明亮清晰且完整,是进行皮肤鳞状细胞癌组织结构精确识别与分析的最佳窗口。该研究为人体皮肤鳞状细胞癌组织结构简便、灵活、快速地检测与识别提供了一种新方法。

基于衍射理论的哈达玛编码光谱成像数据重构

哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下,通过多通道复用的方法增加光学系统光通量,使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术.本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题,建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型,提出以Lucy-Richardson(L-R)算法为核心的重构数据修正算法,提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度.通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验,数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程,并验证了本文所采用修正方法的有效性.经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296,图像相似度评价因子优于0.85,相比修正前的重构数据质量有较大提升,表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.

基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术

为解决传统光纤传像系统中分辨率受传像光纤像素数量制约而导致系统整体分辨率提升困难的问题,提出一种基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术,利用传像光纤阵列及图像拼接技术突破像素数难以提升的瓶颈。通过高分辨、小截面的传像光纤组合阵列提升像素,结合微透镜阵列重叠成像的效果,实现光纤阵列成像的完整性,有望使光纤传像系统像素数达到百万数量级。通过建立光纤传像系统性能指标与光学参数之间的关系,仿真设计一款室内监控远心镜头作为传像系统的主镜头,并设计微透镜阵列作为主镜头与传像光纤阵列之间的中继镜头。仿真结果表明,主镜头与微透镜阵列均满足传像光纤性能需求。实验测试结果表明,系统含有40万有效像素,分辨率为40 lp/mm,图像输出完整,该成像系统设计具有良好的可行性,对光纤传像系统的分辨率提升具有重要的实际参考意义。

偏振光谱多维信息的重构融合算法

针对传统光学手段难以实现复杂背景下光谱伪装目标的准确识别,同时,常规的数据融合方法易导致图像信息丢失的缺点,提出了一种基于非下采样轮廓波变换的偏振光谱多维信息融合方法。该方法结合自研的新型偏振光谱多维信息探测仪器,根据其获取的目标空间、光谱、偏振等多维信息,设计了多维信息重构算法流程,提取了偏振态基础数据斯托克斯参量以及偏振度和偏振角,利用NSCT对基础偏振参量进行图像融合,提升图像的信息含量以提高伪装物的识别准确率。先对具有相同边缘信息的图像Q和U采用NSCT分解,低通子带取均值,高通子带取最大值进行初步融合,获得偏振特征S,最后对偏振特征S、强度图像I以及偏振度DoLP进行NSCT分解,对分解所得低通子带进行区域能量加权融合;对高通子带,根据偏振特征图像具有灰度值小,受光照影响大等特点,采用LBP特征进行加权融合。同时,本方法与四类融合方法进行对比,据信息熵、标准差、平均梯度、对比度以及峰值信噪比五项指标对融合结果进行客观评价,并结合普通图像,偏振融合图像,偏振高光谱图像对目标识别精度进行对比。融合后的图像信息熵为6.9986,标准差为45.5998,平均梯度为19.8086,与原始强度相比,提升分别为5.1%,14.04%,7.3%,在四类融合方法中排在首位。表明本文所提出的方法有效实现了偏振基础特征融合,提升了人造目标和自然背景的差异。同时融合后的偏振高光谱图像对于目标的识别准确率达到0.9862,较单一强度图像目标识别准确率提升了21%。实验结果表明,提出的方法能有效融合目标强度信息以及偏振信息,提升图像对比度和可读性,同时融合后的图像在目标识别准确度上有了较大的提升,有效降低了传统光谱手段对伪装目标识别的虚警率,为新概念光谱伪装揭露提供了一种新型有效的手段,具有非常大的应用潜力和应用价值。

基于仿生曲面复眼相机的目标定位技术

开展了基于仿生曲面复眼相机的空间目标定位实验研究。采用CALibration Tag标定板结合MATLAB标定工具箱对自研仿生复眼相机进行内外参数的标定。针对目标的三维定位,从曲面复眼相机成像原理出发并利用相机定标参数,确定目标点在复眼相机中各子眼坐标系下坐标的线性关系并建立线性方程组,通过最小二乘法进行求解以获得目标点的准确空间定位。设计了光斑定位实验,实验结果表明,在至少4 m的工作距离内,仿生曲面复眼相机的定位误差可以控制在2%以内,该目标定位方法应用于仿生曲面复眼相机能实现较高精度的目标定位。在此基础上,采用尺度不变特征转变算法实现了两个子眼所拍摄子图像的特征点粗匹配,结合随机抽取一致算法去除错误匹配点,进而由特征点在子眼像素坐标系中的二维坐标反演出其在空间坐标系中的三维坐标,最后通过对所有点进行点云拼接获得完整的重构点云。实验结果表明,对距离相机约0.6 m处的边长为5.5 cm的正方体可以实现较好的三维立体重构。

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.

宽谱段空间外差干涉光谱仪

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法.阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点,分析了仪器性能指标（光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等）与初始光学和电子学参数（光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等）之间的理论关系.然后,设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台,该系统的理论光谱分辨率为0.173 cm-1@16 950 cm-1,光谱区为500～700 nm.最后,给出了激光（543.5 nm、632.8 nm）、Na灯（589 nm、589.6 nm）、Hg灯（576.96 nm、579.07 nm）光源的宽谱段实验结果,其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17 cm-1;光谱复原过程中采用三角切趾函数,平均光谱分辨率为0.39 cm-1.实验结果与理论设计符合良好,且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合.