光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽...     

传感器光谱指标对植被光谱模拟精度的影响

高光谱卫星数据模拟是卫星遥感数据模拟的重点研究方向,基于星载多光谱数据和地物光谱先验知识是一种快速模拟高光谱数据的方法,但数据模拟精度受传感器光谱指标的限制。文章针对EO-1/ALI的可见光/近红外波长范围进行实验,研究了波段数量、半波宽度和波长位置等光谱指标与植被光谱模拟精度的关系,分析了两者之间的变化规律。研究表明,光谱指标决定了植被光谱特征提取,是影响光谱模拟精度的直接原因。文章总结了适于光谱重构模型的光谱参数范围,实验结果有利于提高植被光谱模拟精度。该结论可用于多光谱传感器的性能评价及其分光滤色结构的改进。     

Spectral behavior of partially coherent beam passing through an aperture

Based on the Rayleigh diffraction integral and the expansion of the hard-aperture function into a finite series of complex Gaussian functions, an approximate analytical spectrum expression for a Gaussian schell-model (GSM) beam passing through an aperture is given. The spectral shifts and spectral switches of near-zone off-axis are studied. The effect of the coherence and hard-edge on the spectral behavior are also presented.     

Speech dereverberation method based on spectral subtraction and spectral line enhancement

Speech signals recorded with a distant microphone usually are interfered by the spatial reverberation in the room, which severely degrades the clarity and intelligibility of speech. A speech dereverberation method based on spectral subtraction and spectral line enhancement is proposed in this paper. Following the generalized statistical reverberation model, the power spectrum of late reverberation is estimated and removed from the reverberation speech by the spectral subtraction method. Then, according to the human auditory model, a spectral line enhancement technique based on adaptive post-filtering is adopted to further eliminate the reverberant components between adjacent speech formants. The proposed method can effectively suppress the spatial reverberation and improve the auditory perception of speech. The subjective and objective evaluation results reveal that the perceptual quality of speech is greatly improved by the proposed method.     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。     

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空间外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。     

基于视觉感知的光谱评估尺度

光谱颜色复现和色度精度是评价光谱重建算法准确的基础。简单而直观的评价指标对颜色复现控制是必不可少。该指标需要同时表征复现颜色的光谱差和色度差。在研究光谱匹配评估的方法基础上,提出基于颜色视觉感知的三种光谱评估指标,通过加权人眼视觉匹配函数,实现颜色光谱差与色度的评估。通过孟塞尔颜色系统的光谱数据,该论文分析与验证三种视觉加权的评估指标的有效性。通过孟塞尔颜色系统数据,这些指标在CIELab均匀色空间中分布均匀而稳定,从而证明加权算法的评估指标是既表征到颜色感知又反映出颜色的光谱相似度。实证结果表明,加权的指标可以实现同时表征实际人眼的颜色感知和颜色光谱差异。基于人眼视觉感知的评估指标解决了颜色的原始光谱和重建光谱的光谱匹配精度的定量评价问题。所提出评价指标通过一个简单而直观的数值实现对复现颜色光谱与色度评估。     

A scheme for data encryption and transmission using temporal correlation-based spectral switches

We present a method for data encoding in terms of spectral shifts in the source spectra. The spectral switching of polychromatic light due to temporal correlation, around the intensity minima in a Michelson Interferometer (MI) has been utilized for this purpose. The potential application of the encoding method for free space communication is described in detail. The advantages of this method are compared with the proposed schemes of data communication using spectral switches. The experimental constraints of this method are also discussed.     

地物光谱不确定性及光谱角制图算法适用性研究

地物光谱不确定往往使同种地物光谱之间存在一定程度的差异,影响了地物的识别精度,对光谱角制图算法的地物识别效果也会产生一定的影响。光谱角制图算法(spectral angle mapper,SAM) 是基于光谱曲线整体相似性的一种算法,在高光谱遥感信息分类中应用广泛,但在计算两条地物光谱曲线的相似性时并没有考虑地物光谱不确定性的影响,因此往往会不能正确识别出目标地物。针对地物光谱的不确定性,研究了光谱角制图算法的适用性,并对光谱角制图算法进行了改进。改进的基本思路为：设置测试光谱与参考光谱各波段的光谱差异量为一相同值,并根据同种地物光谱向量之间夹角最小的原则,利用求导的方法求出光谱差异量,以克服地物光谱不确定性的影响。为了验证改进效果,利用USGS的五种高岭石标准光谱,在考虑地物光谱不确定性的情况下,分别选择局部波段和全局波段计算高岭石标准光谱之间的光谱角,并对光谱角计算结果和光谱角制图算法的适用性进行了分析。通过USGS标准矿物光谱数据的实验证明：改进的光谱角度制图算法利用光谱差异量可以有效表征同种地物光谱的差异,能够克服地物光谱不确定性的影响并提高地物识别的精度,对地物光谱不确定性具有更好的适用性,并对基本符合光谱差异向量各维值相等的局部波段组合具有更好的效果。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

基于激光的光谱辐射定标

随着地面遥感、航空与航天遥感、等离子体物理、定量光谱学等研究的发展,对光谱辐射定标精度提出了越来越高的要求,推动了基于可调谐激光的光谱辐射定标新型技术的发展。国际上英国、美国、德国等国家的计量科研机构相继建立了溯源于低温辐射计、低不确定度的基于可调谐激光的光谱辐射定标装置,用于探测器、遥感仪器光谱响应度定标和特性研究。其中美国国家标准技术研究院(NIST)的均匀光源光谱辐照度和辐亮度响应度定标装置(SIRCUS)和德国物理技术研究院(PTB)的光度学可调谐激光装置(TULIP)最具代表性。相对于灯-单色仪系统,在辐射定标应用中,基于激光的光谱辐射定标具有光谱带宽窄、波长精度高、定标不确定度低等众多优点。本文介绍了基于激光的光谱辐射定标的发展状况和以英国国家物理实验室(NPL)、NIST和PTB为代表的基于激光的辐射定标装置结构与性能,分析了基于激光的光谱辐射定标技术优势,并进一步阐述了此技术的应用。基于激光的光谱辐射定标装置可广泛应用于重要的高精度系统级辐射定标测量,包括亮度温度、空间遥感仪器辐照度和辐亮度定标,推动航空航天、大气物理、光谱学、生物科学等科研、工业领域的发展。     

量子点光谱成像技术与重建仿真

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求,克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、成本高的不足,提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前,利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制,使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型,采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、能量利用率高、体积小、光谱范围宽和成本低等优势。分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响,以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。分析得出谱段间隔越低,光谱分辨率越高;重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低;适当的提高谱段间隔,可以提高重建的准确性。将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比,可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好,验证了该技术的可行性。量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径,在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。     

空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

在空气环境下,激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确。该文利用中阶梯光栅光谱仪探测脉冲激光器作用于干净及表面污染的铜币样品产生的等离子体光谱谱线,这些谱线中不但包含了清晰的铜原子发射谱线,还包含空气中氧气和氮气与激光作用产生分解效应的原子谱线。为了消除单次测量的不确定性,分析了多次测量的分布恒定的氧原子和氮原子谱线的统计规律,表明强度分布规律一致,且相对标准差基本相同,可以采用单次测量的光谱图变化表示清洗过程中状态。表面污染的铜币光谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线,清洗干净铜币的光谱图连续谱线消失且只有铜元素谱线,观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。     

部分相干修正贝塞尔高斯光束通过光阑透镜的光谱特性

基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干修正贝塞尔高斯光束（MBGB）通过光阑透镜系统后,轴上光谱位移及光谱开关.数值计算结果表明,光谱开关主要与截断参量、光束菲涅耳数以及光谱相干度有关.光谱开关的个数随着光束菲涅耳数以及截断参量的增大将增多,而随光谱相干度的增大而减少.但当截断参量增大到一定值时,光谱开关将消失.例如,当光谱相干度取0.5时,截断参量大于2.2,光谱开关将消失,仅表现出蓝移.     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

光谱角制图模型的误差源分析与改进算法

在深入分析光谱角制图模型误差源的基础上,指出影响光谱角计算精度的因素主要包括波段位置变化、属性值等比变化、属性值随机变化、波段整体偏移。在分析上述4种情况误差源基本特征的基础上,提出了光谱角分组计算方法、归一化计算方法和交叉计算方法。光谱角分组计算方法在考虑全局特征的同时通过奇数波段、偶数波段分别考虑局部信息,能够解决伪相似问题;归一化计算方法将光谱向量进行归一化,从而抑制了原始数据中的随机误差,主要适用于部分或全部波段属性值有规律或无规律变化的情况;交叉计算方法可以解决由于波段整体偏移引发的误差,保证相似光谱向量的正确识别。试验表明这些算法均具有较好的效果,能够适应处理含有误差数据的要求。     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

不同含水量条件下树种叶片光谱差异分析

叶片含水量是影响树种光谱特征的一个重要因素,探索不同叶片含水量条件下相同树种叶片光谱特征的变化规律及相同叶片含水量条件下不同树种叶片的光谱差异,不仅是高光谱植被遥感信息识别的关键,也为研究植被光谱随着叶片含水量变化产生的差异提供理论支撑。利用地物光谱仪对6个树种叶片进行观测,获取了不同含水量叶片的反射光谱,同时进行一阶微分光谱变换,从而分析不同叶片含水量条件下各树种叶片的光谱变化特征,对比了相同叶片含水量条件下不同树种叶片的光谱差异,探索高光谱遥感识别树种叶片含水量的可能波段。结果表明：各树种叶片光谱都随着叶片含水量的改变而产生较大差异,但变化规律各有不同;相同叶片含水量条件下,不同树种叶片的光谱在部分波长范围差异较大,为实现树种高精度识别提供了可能。本研究旨在为植被叶片光谱库的构建以及植被的高光谱识别提供理论支撑和基础数据。     

GaAs光电阴极与景物反射光谱的光谱匹配系数

本文根据光谱匹配系数的表达式,计算了GaAs光电阴极与暗绿色涂层、粗糙混凝土和绿色草木的光谱匹配系数.在满月光下,其结果分别为0.4519、0.5184 和0.6927;在晴朗星光下,分别为0.5866、0.6125和0.6513并分析比较了GaAs和两种S₂₅光电阴极与景物反射光谱的光谱匹配系数,说明具有良好观测效果的三代夜视仪是与光电阴极与景物反射光谱之间良好的匹配程度分不开的.     

电荷耦合器件及其应用进展

电荷耦合器件（ＣＣＤ）是基于金属－氧化物－半导体（ＭＯＳ）技术的光敏元件。目前ＣＣＤ已具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监测等能力的优点。目前它已经广泛地应用在各个领域。本文扼要介绍了ＣＣＤ的基本工作原理。特点及性能表征。评述了ＣＣＤ在光谱检测和成象领域中较活跃的应用及发展前景。指出了ＣＣＤ技术的发展给光谱分析领域带来了革命性的进展