基于液晶可调变滤色器的光谱图像获取及颜色重建方法

基于液晶可调变滤色器(LCTF)的光谱成像系统具有光谱分辨率高、结构紧凑、控制灵活等特点。搭建了一套可见光波段的高分辨率LCTF光谱成像系统,对系统的光谱图像获取及彩色图像重建方法进行了研究;建立了系统的光谱及颜色重建模型;基于标准色卡及标准测色系统,对该系统的颜色复现效果进行了实验验证;实验结果表明,该LCTF光谱成像系统的彩色图像颜色复现精度达可到较小色差水平。     

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应,研制了用于可见光波段光谱调谐的大口径液晶可调滤光片,透过光谱测试表明,该滤光片在可见光波段(420~700 nm)以20 nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统,并在实验室内对若干样品进行了测试,结果表明,该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像,具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力,在生物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。     

Piecewise spectrally band-pass for compressive coded aperture spectral imaging

Coded aperture snapshot spectral imaging(CASSI) has been discussed in recent years. It has the remarkable advantages of high optical throughput, snapshot imaging, etc. The entire spatial-spectral data-cube can be reconstructed with just a single two-dimensional(2D) compressive sensing measurement. On the other hand, for less spectrally sparse scenes,the insufficiency of sparse sampling and aliasing in spatial-spectral images reduce the accuracy of reconstructed threedimensional(3D) spectral cube. To solve this problem, this paper extends the improved CASSI. A band-pass filter array is mounted on the coded mask, and then the first image plane is divided into some continuous spectral sub-band areas. The entire 3D spectral cube could be captured by the relative movement between the object and the instrument. The principle analysis and imaging simulation are presented. Compared with peak signal-to-noise ratio(PSNR) and the information entropy of the reconstructed images at different numbers of spectral sub-band areas, the reconstructed 3D spectral cube reveals an observable improvement in the reconstruction fidelity, with an increase in the number of the sub-bands and a simultaneous decrease in the number of spectral channels of each sub-band.     

基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。     

光谱分辨率可调的新型干涉成像光谱技术研究

针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题,提出了一种光谱分辨率可调的静态双折射干涉成像光谱技术.该技术的创新点之一在于,仪器的光谱分辨能力可调,且调节范围较宽.对于不同的探测目标,利用这一技术,只获取有用的光谱数据,既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要,又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用,有效缩短数据处理时间,提高系统信噪比,从而使仪器总体性能达到最优.本文给出了新技术的具体实现方案及理论模型,对核心元件—横向剪切量可调的新型双Wollaston平行平板分束器进行了光线追迹,给出了其横向剪切量的精确理论计算公式,深入分析了其分光及横向剪切量调节原理.在此基础上,研究了新技术的光谱分辨率调节特性,给出了其光谱调节范围,并对其光谱调节原理进行了实验验证.     

基于偏振光谱成像的目标识别方法研究

为提高伪装目标识别的准确性,提出将光谱信息与偏振信息相融合的伪装目标识别方法。基于液晶可调谐滤光片（LCTF）搭建了偏振光谱成像系统,通过实验对绿色植物中隐藏的假植株进行偏振光谱探测实验。利用主成分分析法（PCA）对各偏振方向的目标光谱图像进行波段选择,获取对应的光谱融合图像后进行偏振度计算,最终得到被测目标的偏振光谱融合图像。实验结果表明:得到的偏振光谱融合图像与光谱融合图像相比,信息熵提高了72%,平均梯度提高了250%。     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

指纹紫外光谱特性研究及变化规律分析

指纹的唯一性和终身不变性使得指纹可以验证一个人的身份信息,在生物识别领域具有广泛的应用。汗潜指纹对紫外线有着特殊的反射、散射以及荧光特性,所以可以利用紫外波段对汗潜指纹进行提取,并且不污染现场和目标样本。目前对紫外波段的指纹提取已经有着广泛的研究,但对指纹随时间变化的研究较少,一般都是通过化学方法测量汗潜指纹成份含量的变化。研究发现,指纹各个组成成份的紫外光谱特性不同,且这些成份随时间的挥发程度也不一致,利用多通道紫外成像系统对汗潜指纹进行凝视成像,发现各通道成像DN值随时间推移的变化程度并不一样,可通过研究各通道DN值的变化对指纹进行时间分析。首先,利用紫外光谱仪和氙灯,对汗液、酒精、食用油等几种手指容易接触的物质的反射光谱进行研究,得到了这些物质的反射光谱特性。然后,针对这几种类型的指纹,研制了一套多通道紫外成像设备,分别在240~280 nm（通道1）、280~315 nm（通道2）以及315~340 nm（通道3）三个紫外通道对其进行凝视成像,得到清晰的指纹图像,将指纹图像嵴线上码值最高的10个点的平均值进行比较,得到不同通道DN值与时间变化的关系。实验结果发现,汗潜指纹在紫外波段具有良好的成像特性,其成像DN值随时间的推移逐渐降低,其中240~280 nm的通道1中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.62, 0.60和0.59;320~340 nm的通道2中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.57, 0.61和0.60;340~420 nm的通道3中三个指纹在第七天的成像DN值分别降为第一天的0.56, 0.63和0.58。实验结果表明,不同类型的指纹在紫外波段的光谱特性并不一致,成像DN并不相同,且随时间的变化规律也不一样,但指纹成份的挥发具有一定的规律,成像DN值从第一天到第七天降低至60%左右,可以一定程度上反映指纹的挥发性质。结合紫外多通道成像系统,可以很好的研究指纹的变化规律,为刑侦探测中指纹研究提供了一个重要的手段。     

透雾连续变焦镜头的小型化设计

根据探测设备电视通道要求实现普通彩色和透雾黑白两种模式观察并小型化的特点,运用最速变焦路线凸轮曲线的设计及凸轮曲线平滑性优化的方法实现了小型化设计;采用可见光加近红外波段并在全波段范围内进行像质评价的方法,即根据外形尺寸计算中所求出的每个透镜组的光焦度和通光口径,参考现有结构,选定每组透镜的结构形式,缩放成要求的焦距以后组合成全系统进行像差校正,这样既可实现普通彩色和透雾黑白两种模式的观察,又保证了系统的齐焦性.系统通过了像质检测、实景成像的验证及环境应力筛选及环境例行试验的考查,并成功地用于探测设备.     

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

消费级近红外相机的水稻叶片叶绿素(SPAD)分布预测

便捷可靠的作物营养诊断是作物科学施肥管理的基础,也是精准农业的核心。叶绿素含量是作物氮营养含量的重要指标。以水稻叶片为研究对象,用改造后的普通单反相机搭载滤波片的方式拍摄叶片的可见光和中心波长为650,680,720,760,850和950 nm多个波段的近红外图像,获取不同波段的相对反射率值,通过可见光与多个近红外波段结合的回归分析与比较,筛选出精度较高且稳定的模型。经过对比相机三个成像通道,R通道与叶绿素含量(SPAD值)的相关性要高于B和G通道。实验结果表明,植被指数GVI最能反映作物的生长状况,近红外波段760 nm对SPAD值的预测效果最好,最小二乘支持向量机法结合多个植被指数建模的预测精度R2为0.831 4,取得了较为理想的效果。同时使用高光谱成像仪采集水稻叶片的高光谱影像,对比消费级近红外相机成像方式下与高光谱成像方式下得到的植被指数多因子预测模型精度,两者相当。实验证明消费级近红外相机能够获得与高光谱成像仪相近的叶绿素含量估测结果。     

近红外光谱成像系统在液体安检中的应用

易燃易爆液体的实时、远程和动态探测对于保障公共安全具有重要意义,在公安、民航和海关等领域应用前景广阔。研制了基于液晶可调滤光片的近红外光谱成像系统,通过波长优选算法大幅降低了光谱通道数,有效提高了扫描成像速度和数据处理速度,可实现对低速运动的液体危险品的远程和实时检测。利用该系统开展了不同环境下对易燃易爆液体的检测实验,结果表明该系统对静态目标检测精度为100%,对速度小于0.2 m/s的运动目标检测精度高于95%。     

一种新型投影曝光调焦方法

为研究大面积激光投影光刻的调焦,利用Zemax光学设计软件模拟离焦对光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的影响,分析二者对投影曝光图形质量的影响,给出系统最大的离焦量值。提出一种利用显微镜的调焦方法,分析此方法的调焦误差主要来自于显微镜景深,根据景深表达式和系统最大离焦量值,选择一款景深不大于系统最大离焦量的显微镜来构建调焦系统,并基于该调焦系统进行光刻实验。实验结果表明:利用该方法对投影成像光刻进行调焦,无论是否离焦,边缘视场与中心视场的MTF均有差异,分辨率也有差异,但这种差异不影响光刻图形的质量。     

基于LCVR调谐的全偏振多谱段成像系统

提出一种新型全偏振多谱段成像系统,将液晶相位可变延迟器LCVR应用于全偏振成像技术,在可见-近红外波段上可快速实现光的全偏振态的精确调制.系统由光学镜头、LCVR、偏振片、滤波片和CCD探测器组成.文章首先介绍了系统结构、工作原理和光学设计,并提出了适合本系统的偏振定标方法,建立了偏振定标系统,实现了利用较小面积的偏振...     

编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差分析

编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术, 该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码, 结合特殊的采样成像方式, 获得满足景物重构的采样数据量, 实现了空间信息和光谱信息的高精度重构, 具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.     

光谱成像检测法鉴别中药材

使用基于液晶可调谐滤光器的光谱成像检测系统,对西洋参及市面上常用做假冒西洋参的伪品桔梗进行了在体检测.该系统能对检品进行连续光谱成像,光谱分辨率可达0.5 nm,配合使用Matlab软件对图像信号进行处理和分析.获取了400 nm～680 nm之间的连续荧光光谱图像,通过对比西洋参、桔梗的特征光谱曲线,及进行相关系数的计算,有效地区分了西洋参及桔梗.为西洋参的真伪鉴别提供了一定的帮助.     

基于K-L散度与光谱可分性距离的波段选择算法

波段选择是高光谱降维的常用手段,文中从波段选择应遵循的3个原则出发设计了一种基于信息散度与光谱可分性距离的波段选择算法。将高光谱数据中每个波段的光谱分量看作一个一维向量,使用K-L散度表示其相互之间的信息量,选出信息量大且相似性最小的波段组合;根据每个波段中不同地物光谱可分性距离的计算,得到可分性较大的波段组合;将两组波段组合取交集,即得到最优组合波段。为了验证算法的有效性,将选出的最佳3个波段进行伪彩色合成,对其进行光谱角制图分类,分类精度达到92.2%,Kappa系数为0.88.     

基于谱聚类与类间可分性因子的高光谱波段选择

随着遥感技术和成像光谱仪的发展,高光谱遥感图像的分辨率不断提高,其庞大的数据量在提高其遥感探测能力的同时,也给分析和处理带来了很大的困难。高光谱波段选择可以有效减少数据冗余,提高分类识别精度和处理效率。因此如何从多达数百个波段的高光谱图像中选择出具有较好分类识别能力的波段组合是亟待解决的问题。针对上述问题,采用基于图论的谱聚类算法,将原始高光谱图像中的波段作为待聚类的数据点,利用互信息描述两两波段间的相似度,生成相似度矩阵。再根据图谱划分理论,将相似度矩阵生成的非规范化图拉普拉斯矩阵进行谱分解,得到类间相似度小且类内相似度大的类簇;然后根据地物类型计算各波段的类间可分性因子,将其作为类簇内进一步选择代表性波段的参考指标,达到降维的目的;最后通过支持向量机与最小距离分类方法对波段选择后的图像分类。该方法区别于传统的无监督聚类方法,采用基于图论的谱聚类算法,并根据先验知识计算类间可分性因子来选择波段。通过与自适应波段选择算法和基于自动子空间划分的波段指数算法的对比实验,结果表明：两组实验当聚类数目达到相对最佳时,该波段选择方法支持向量机图像总分类精度达到94.08%和94.24%以上,最小距离分类图像总分类精度达到87.98%和89.09%以上,有效保留了光谱信息,提高了分类精度。