基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

典型伪装材料高光谱特征及识别方法研究

针对某些特定环境下,伪装目标和背景目标出现的“异物同谱”现象,传统的可见光及多光谱遥感伪装识别存在局限性,为此,将高光谱应用到典型伪装材料的特征分析与识别。以北方地区常用丛林迷彩伪装网为研究对象,利用SVC HR1024光谱仪获取其不同浸水时间的可见光-近红外光谱,通过光谱相似性度量和包络线去除处理,分析揭示不同浸水条件下伪装网和北方典型植被光谱特征和敏感波段,并基于近红外波段构建光谱比值指数RCI,用于识别绿色植被环境中的伪装目标,最后通过高光谱成像实验获取仿真伪装环境高光谱图像,并利用高光谱图像对识别效果进行验证。结果显示：(1)不同浸水时间的丛林迷彩伪装网的光谱曲线基本形态相似,且反射率随浸水时间的增加而整体呈下降趋势;1 900 nm波段是伪装网反射光谱对含水量响应最为明显的波段,其光谱特征会因浸水处理而相似于植被,相似度从0.895提高到了0.939。(2)丛林迷彩伪装网和植被在可见光波段的相似度较高,光谱波动情况相似,但在近红外波段光谱特征差异明显。通过包络线统去除分析得出970, 1 190和1 440 nm波段附近处是丛林迷彩伪装网识别的敏感波段,且基于迷彩伪装网和各植...     

高光谱成像技术的库尔勒梨早期损伤可视化检测研究

利用高光谱成像技术对库尔勒梨早期损伤进行快速识别检测。以60个库尔勒梨为研究对象,采集380～1 030 nm波段范围内完好样本和损伤后1～7天样本的480幅高光谱图像。提取图像中感兴趣区域(ROI)的平均光谱信息,利用小波变换(WT)对光谱数据进行去噪平滑,将去噪后的全部样本按2∶1的比例分成建模集(320个)和预测集(160个)。利用二阶导数从全谱信息中提取出19个特征波长,分别基于全谱和提取出的特征波长对建模集和预测集进行支持向量机(SVM)建模分析。结果表明,基于全谱和特征波长的判别分析模型中,两者预测集的识别率都达到93.75%,表明提取的特征波长包含了光谱数据中的关键信息。然后,基于特征波长运用波段比运算挑选最佳波段比,根据波段比F值的分布确定光谱图像分割的最佳波长684和798 nm。对最佳波段比(684/798 nm)下的图像,利用选择性搜索(SS)对高光谱图像中样本的完好和损伤区域进行分割,从分割结果来看,1～7天损伤样本的受损区域能够被准确检测出来。研究结果表明：基于高光谱成像技术对库尔勒梨进行损伤鉴别是可行的,该研究所获得的特征波长和波段比为研发在线实时的库尔勒梨损伤检测系统提供支撑。     

低温冷冻和机械损伤条件下马铃薯高光谱图像特征响应特性研究

开展了低温冷冻和机械损伤条件下马铃薯高光谱图像特征响应特性研究。采用卓立汉光公司Image~λ“谱像”系列高光谱相机获取完好的、低温冷冻和机械损伤条件下的光谱波段范围为387～1 035 nm的马铃薯高光谱图像;截取校正后的像素尺寸大小为60×60的马铃薯高光谱中部完好的图像并计算该区域平均反射率值;冻伤的马铃薯样本的反射光谱曲线在440,560和680 nm附近有明显吸收峰;机械损伤样本在560和680 nm附近有明显吸收峰,在680 nm附近吸收峰谷值明显低于冻伤样本;完好的马铃薯样本反射光谱曲线相对较为平滑,在560和680 nm附近未见明显吸收峰;撞伤样本在440,560和680 nm附近存在吸收峰,而在410 nm附近有一个明显的反射峰。四类马铃薯样本的反射光谱曲线特征峰值表现出一定的指纹特性,因而可以被用于后续品质特征检测分析使用。由于仪器或检测环境、光照强弱等因素影响,光谱数据中掺杂噪声,因此采用化学计量学预处理方法消除噪声的影响;随机选取70%的马铃薯四类样本的反射光谱作为训练数据,剩余的30%作为测试集;接着,利用极端梯度提升算法、类型提升算法和轻量梯度提升机算法来获取马铃薯高光谱图像的有效特征波谱,减少高维海量高光谱数据对后续品质分类模型的影响;最后,将提取到的有效特征波长构建马铃薯品质判别模型。在建立的分类模型中,使用的轻量梯度提升机+逻辑斯蒂回归达到最高的判别精度98.86%。该研究为将来高光谱图像成像技术在现代农业生产加工过程中马铃薯品质有效监测与控制提供理论基础和技术支撑。     

基于高光谱成像提取苹果糖度与硬度最佳波长

利用高光谱成像技术提取可同时检测苹果糖度与硬度的最佳波长。首先双面采集苹果的高光谱图像,获取亮度相近感兴趣区域(ROIs)的反射波形,采用二阶导数结合标准正态变量(SD+SNV)的方法平滑波形,测试ROIs的糖度与硬度;之后采用连续投影算法(SPA)提取两项指标的特征波长,根据特征波长的分布提出二次连续投影算法,结合波形集特征与两次投影结果确定不同取样面的最佳波长;最后采用遗传算法开发神经网络(GA-BP)建立预测模型,双面取样波长(543 nm和674 nm)效果最优,糖度相关系数(R)为0.847 6,均方误差(MSE)为3.32;硬度R为0.793 8,MSE为9.6。结果表明,相同波长信息可以检测苹果糖度与硬度。     

基于多光谱图像的烟雾检测

烟雾检测对于火灾早期防范非常重要,传统的智能视频和图像处理技术易受背景运动信息影响,抗干扰性差,且不容易区分森林水雾和燃烧产生的烟雾,森林防火误报率高。为此提出一种新的多光谱图像检测方法检测烟雾。采用多光谱成像系统,获取400至720 nm波段范围的烟雾、水雾光谱图像序列,对图像进行分层像素整合处理;利用欧氏距离度量不同分块光谱特征差异,获取动态区域光谱特征向量,根据目标与背景间光谱特征向量差异,提取烟雾、水雾区域。室内外试验结果表明：多光谱图像检测方法可用于烟雾检测,能够有效地检测并区分烟雾和水雾,与视频图像方法结合,可有效地用于森林火灾监测,降低森林火灾检测误报率。     

可见/近红外高光谱成像技术对鸡蛋种类无损判别

利用高光谱技术对鸡蛋种类判别进行研究,为鸡蛋种类无损判别提供科学方法。本研究利用400~1 000 nm高光谱系统采集3种鸡蛋样本的高光谱图像,对原始光谱进行预处理;应用CARS、GAPLS和IRF对预处理后的光谱数据提取特征波长;分别建立基于全光谱和特征波长的KNN和PLS-DA鸡蛋判别模型。结果表明:Detrend法为最优预处理方法;利用CARS、GAPLS和IRF分别选出31、52和71个特征波长;基于IRF提取的特征波长的PLS-DA模型最优,校正集正确率97.02%,预测集正确率85.71%。表明基于高光谱成像技术采集的鸡蛋反射光谱对种类无损判别是可行的。     

利用少量波段近红外光谱图像鉴定玉米种子纯度

为实现玉米杂交种的自动化快速分选,提出了应用少量近红外波段光对玉米种子进行成像,获取种子光谱图像并提取纹理特征来鉴定玉米杂交种纯度的方法。采集5个玉米品种的母本和杂交种在4个短波近红外波段的透射光谱图像和4个中波近红外波段的反射光谱图像,采用白板标定校正光谱图像,运用中值滤波、大津法去除噪声,从背景中分割出种子,应用灰度分布统计,灰度共生矩阵提取纹理特征,对同一粒种子拼接其在各波长处的特征数据,应用主成分分析和正交线性判别分析降维并获得子空间的最佳可分性,使用支持向量机建立透射和反射光谱图像纯度鉴定模型。透射和反射模型对5个玉米品种平均正确鉴别率均在85%以上。表明利用少量波段的近红外光谱图像鉴定玉米杂交种纯度是可行的。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

用于农田土壤监测的高光谱成像仪

土壤光谱分析技术具有分析速度快、成本低、无危险、无破坏、可同时反演多种成分等特点,基于高光谱成像技术可以快速获取土壤性质及其空间分布特征。本文针对农田土壤监测的需求,设计了一种无人机载高光谱成像仪,选择Offner凸光栅光谱成像系统实现了无谱线弯曲和无色畸变的设计结果。400～1 000nm波长范围内的衍射效率为15%～30%,对地成像效果清晰,在3 km飞行高度可以获得覆盖宽度为0.6km、地面分辨率为0.6 m的地物目标高光谱图像,可提供0.4～1.0μm波长范围内120个谱段的高光谱图像,光谱数据准确、稳定。结果表明,该高光谱成像仪满足设计要求且可以快速获得高精度成像光谱信息,适合用于对农田土壤的监测。     

透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究

针对马铃薯损伤部位随机放置会影响检测精度的问题,提出从正对相机、背对相机及侧对相机三个方向,应用透射和反射高光谱成像技术采集马铃薯图像,进行透射和反射高光谱成像的马铃薯损伤检测比较研究。对透射和反射高光谱图像进行独立成分(IC)分析和特征提取,利用所得特征对反射图像进行二次IC分析,对透射和反射光谱进行变量选择,最终分别建立基于反射图像、反射光谱、透射光谱的马铃薯损伤定性识别模型;对识别准确率高的模型做进一步优化,采用子窗口排列分析(SPA)算法对透射光谱的特征做二次选择得到3个光谱变量,并建立任意放置的马铃薯损伤识别最优模型。试验结果表明,基于反射图像、反射光谱建立的模型识别准确率较低,其中基于反射图像的马铃薯碰伤,侧对相机识别准确率最低为43.10%;基于透射光谱信息建立的模型识别准确率较高,损伤部位正对、背对相机的识别准确率均为100%,侧对相机为99.53%;马铃薯损伤识别最优模型对任意放置的损伤识别准确率为97.39%。应用透射高光谱成像技术可以检测任意放置方向下的马铃薯损伤,该研究可为马铃薯综合品质的在线检测提供技术支持。     

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究.从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、...     

高光谱成像的水稻螟虫蛀入检测方法

为了控制水稻螟虫预警和喷洒农药用量,实现对水稻螟虫虫害的无损检测,提出了基于主成分分析特征波段检测方法和基于迭代阈值的最优波段检测方法,确定了水稻茎秆螟虫检测的特征波段和最优波段,提取出单波段和组合波段的图像来分割虫孔,从而实现水稻螟虫的精准的无损检测。首先通过高光谱得到的120个样品反射率信息分析确定了光谱区域为450～1 000 nm。基于主成分分析特征波段检测方法,对高光谱图像进行主成分分析,通过前五个主成分图像比较确定第三主成分图像为最佳,然后根据第三主成分图像中各个波段的贡献率来选取特征波长（668.8和750 nm）,最后结合全局阈值分割和图像掩膜等图像处理方法实现对虫孔区域的判别。而利用基于迭代阈值的最优波段检测方法,在可见光波段450～750 nm范围和近红外波段750～1 000 nm范围内应用混合距离挑选最佳的单波段,通过单波段来确定组合波段,对单波段和组合波段进行迭代阈值分割,其中753.5 nm波长分割效果最好,故确定753.5 nm为最优波长,然后提取该波长的图像采用一种基于迭代阈值虫孔提取方法和形态学处理,最后能对水稻茎秆虫孔区域进行判别来实现水稻茎秆虫害是否存在。对60个虫害水稻茎秆和60个正常水稻茎秆进行检测,应用基于主成分分析特征波段检测方法在668.8和750 nm波长处检测率分别为95.8%和93.3%,而应用基于迭代阈值的最优波长检测方法在753.5 nm波长处检测率高达96.7%。说明利用基于迭代阈值的最优波长检测方法对水稻螟虫的检测更加精确,也说明所获取的特征波段和最优波段为以后水稻螟虫虫害的多光谱成像技术提供了理论参考。     

基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析

微光夜视整机可以在夜间光照条件较差的情况下，对目标实施有效观察，而夜间观察目标对比度是整机作用距离影响因素中的重要指标。为满足微光夜视整机夜间观察理论分析及试验对目标对比度数据的迫切需求，基于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性，搭建了基于三代微光ICCD的成像装置。并从微光成像系统的能量传递链及光电子成像系统的视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度关系。在暗室和夜天光条件下开展了对比度试验，试验结果证明，当照度处于三代微光像增强器照度-亮度的线性相关照度区间[E_s, E_m]时，对比度与照度无关；对同一目标及背景采集图像，目标-背景反射率越接近1，对比度越小。     

高光谱特征的人造肉中低色度差异物检测

人造植物肉在其原料运输、制糜和包装等加工环节时有发生异物污染事件,误食异物会严重损害人的身体健康.常规食品异物检测方法容易检测出如金属、石头等坚硬、深色异物,而软质、浅色、透明异物却是食品异物污染事件中的主要来源且是检测的难点.根据异物和人造肉各自化学组成成分的差异,提出了一种人造肉中低色度差异物的高光谱成像检测方法,...     

A spectral invariant representation of spectral reflectance

Spectral image acquisition as well as color image is affected by several illumination factors such as shading, gloss, and specular highlight. Spectral invariant representations for these factors were proposed for the standard dichromatic reflection model of inhomogeneous dielectric materials. However, these representations are inadequate for other characteristic materials like metal. This paper proposes a more general spectral invariant representation for obtaining reliable spectral reflectance images. Our invariant representation is derived from the standard dichromatic reflection model for dielectric materials and the extended dichromatic reflection model for metals. We proof that the invariant formulas for spectral images of natural objects preserve spectral information and are invariant to highlights, shading, surface geometry, and illumination intensity. It is proved that the conventional spectral invariant technique can be applied to metals in addition to dielectric objects. Experimental results show that the proposed spectral invariant representation is effective for image segmentation.     

Spectral reflectance characteristics of different snow and snow-covered land surface objects and mixed spectrum fitting

The field spectroradiometer was used to measure spectra of different snow and snow-covered land surface objects in Beijing area.The result showed that for a pure snow spectrum,the snow reflectance peaks appeared from visible to 800 nm band locations;there was an obvious absorption valley of snow spectrum near 1 030 nm wavelength.Compared with fresh snow,the reflection peaks of the old snow and melting snow showed different degrees of decline in the ranges of 300～1 300,1 700～1 800 and 2 200～2 300 nm,the lowe...     

反射光谱法快速检测润滑油污染浓度的回归模型

基于反射光谱技术原理研究润滑油的污染浓度预测模型。选用纯净润滑油和原态污染油为原料,采用等体积法逐一配置不同浓度的样本;调整好光纤探头与样品之间的距离及方位角并保持不变,采用脉冲氙灯为激发光源,利用波段在200~850nm范围的光谱仪对不同浓度的样本进行反射光谱测量实验。实验曲线观察分析表明,润滑油的污染浓度越高,反射光谱的强度越低。在采用变步长算法对原始实验数据进行稀疏采样的基础上,分别采用相关系数法、主成分分析法、主成分分析结合相关系数法(主成分-相关系数法)选取工作润滑油在220~780nm宽波段范围内的优势特征波长,并在所选取的优势波长处建立了润滑油污染浓度与光谱反射率的指数关系模型。测试结果表明,主成分-相关系数法选取的优势波长378.93nm,所建立的污染浓度与光谱反射率的指数回归模型能够较好地实现润滑油污染浓度大于0.06时的预测和估计。基于主成分-相关系数法选取优势特征波长所建立的指数关系回归模型,因混合介质及浓度的特异性条件,不服从低浓度均匀透明溶液中的朗伯-比尔定律,适用于较高污染浓度的润滑油质量状态估计,为进一步实现工作润滑油污染浓度的反射光谱法在线快速准确测定提供了可行性实验依据。     

近红外光谱在爆炸物粉末表面沾染遥测中的应用

针对爆炸恐怖事件预防和打击领域内的大范围开放空间下制爆运爆可疑人员衣物表面沾染爆炸物粉末检测问题,研究基于近红外光谱的爆炸物粉末表面沾染遥测方法。研制了一套近红外成像光谱数据采集系统,采集了多种爆炸物粉末和沾染基底的近红外反射光谱,制备了多个爆炸物粉末表面沾染样本。针对表面沾染检测应用中爆炸物粉末与沾染基底近红外反射特征混叠问题,利用近红外光谱数据处理技术构建近红外光谱解混校正模型,去除了沾染基底信号对爆炸物粉末目标识别的干扰。针对遥测应用中光源照射不均匀问题造成的干扰（如强光反射造成的光谱信号饱和,光线遮挡造成阴影引起的信号微弱,引起光谱反射率测量异常问题）,对目标校正得分图进行有效过滤避免误识别问题。此外,针对背景噪声较大时出现光谱预处理过度造成的误识别问题,利用目标原始光谱反射率均值和得分图综合判别加以校正解决。通过实验验证,提出的方法成功解决了表面沾染特征混叠问题、去除了遥测中光照及其他噪声因素的干扰影响,避免了误分类,在典型背景材质棉麻、化纤布料基底上成功识别分类AP（高氯酸铵）、CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷）、NQ（硝基胍）、RDX（黑索金）、TATB（三氨基三硝基苯）、硝娣（工业炸药）、烟花爆竹等爆炸物粉末单质及混合物,验证了系统及方法的有效性和可行性,首次在实验室环境下实现了爆炸物粉末表面沾染遥测成像报警,有效距离可达数十米,具备一定应用价值与发展潜力。     

人体目标光谱特性对微光像增强器视距的影响

为研究不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响,以夜天空辐射光谱特性和常见衣服的光谱反射系数为基础,建立了人体目标的反射光谱分布方程,分析了人体目标穿着不同材质和颜色衣服时的反射光谱特性,并从微光像增强器视距实际探测方程出发,讨论了微光像增强器对不同人体目标的探测能力。发现不同人体目标的反射光谱特性对微光像增强器视距的影响主要体现在平均反射率和目标背景初始对比度C₀方面,棉质衣服的反射系数和光谱反射强度比涤纶衣服高,微光像增强器对穿着棉质衣服的人体目标的探测能力更强。微光像增强器对穿着同样颜色棉质衣服的人体目标的视距比穿着涤纶衣服远,对穿着浅色衣服的人体目标的视距比穿着深色衣服远,在满月情况下像增强器对衣服的材质更敏感。