基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

宽波段高光谱成像技术在物证检验中的应用

高光谱成像技术在物证检验领域的应用具有非常重要的意义,其不仅能够记录物证的光谱特征用以分析物质成分,而且能够准确记录不同成分的空间分布情况,从而实现无损、快速、定位分析物证成分的功能。高光谱成像物证检验技术的光谱检测范围通常集中在可见-近红外区域,而现有基于高光谱成像技术的物证检测设备基本只能单独覆盖可见波段或者近红外波段,无法实现可见-近红外的宽波段检测需求。为了拓宽成像光谱仪的检测波段范围从而实现提高物证检验精度和增加物证检验种类的目的,首先分析了推扫式成像光谱仪的组成结构及工作原理,剖析了直接研制宽波段成像光谱仪的技术难度和高昂成本,最后提出了将短波段范围的400～1 000 nm可见高光谱成像仪和900～1 700 nm近红外高光谱成像仪相结合的方式实现宽波段范围的方法。通过2台高光谱成像设备线视场匹配将独立的2台设备联合作为1台设备使用,采用定标板辅助装调的方法实现2台高光谱成像仪线视场的像素级拼接,将设备拼接带来的误差降低到不影响输出结果的程度,最终研制出一种波段范围可达400～1 700 nm的可见-近红外宽波段高光谱物证检测设备。搭建实验系统,分别固定2台独立的短波段范围高光谱成像光谱仪,利用平移台带动检材沿着垂直于线视场的方向移动实现推扫,所获取的数据立方体具有400～1 700 nm的宽光谱范围, 400～1 000 nm的光谱分辨率为2.5 nm, 1 000～1 700 nm的光谱分辨率为4 nm。实验结果表明该方法的可行性,对于宽波段高光谱成像仪的研制具有指导意义,使高光谱成像仪在物证检验领域具有更高的应用价值和更广的应用范围。     

一种宽温双光谱红外搜索跟踪系统的设计

基于谐衍射光学元件特殊的色差和热差特性,将谐衍射元件应用于红外搜索成像系统中, 设计了一个双光谱宽温度范围的红外搜索跟踪成像系统,该系统工作波段为3.7—4.8 μm和8.7—11.3 μm, F数为2.5,有效焦距为200 mm,全视场角为5°, 环境温度为-80 ℃—200 ℃. 设计结果表明,使用谐衍射透镜不仅可以使系统在两个波段范围成像优良, 而且结构简单紧凑、透射比高、具有良好的消热差特性. 关键词： 光谱成像 红外搜索 热差     

超光谱侦察传感器的光电设计与实验分析

超光谱光电侦察是光学探测经历了单波长、多波段之后发展起来的一个新的阶段,是基于方位和光谱三维信息的新型光电探测技术。在分析景物的光谱-空间特征的基础上,设计了UV/VIS/NIR宽波段范围的超光谱侦察传感器,并进行了成像探测实验,获得了典型场景和目标的光谱序列图像。对其进行了分析,验证了一种自动目标探测/识别的新方法。     

多谱段短波红外小鼠静脉荧光观测成像研究

短波红外（short-wave infrared,SWIR）一般指900～1 700 nm的光波段,是肉眼不可见的光波段,这种波段目前主流的探测器以InGaAs为主,主要用于军事、生物以及材料光谱分析等领域。短波红外荧光成像以其对生物组织光学损伤小、成像深度大、成像信噪比高、空间和时间成像分辨率高等特点,使得基于InGaAs探测器的生物光学成像成为生物组织观测领域的研究焦点。生物光学窗口的多窗口宽谱段的荧光光谱特性,使得可以对生物组织采集多谱段的光谱图像,以此来观察生物组织的在不同光谱照明下的结构特性。针对生物光学窗口的光谱特性,设计了一种基于InGaAs探测器的多谱段的小鼠静脉成像系统,可以无接触采集小鼠静脉红外光谱图像,对测小鼠的静脉红外光谱。设计的基于InGaAs探测器的短波红外探测器,可以实现最高5 000 ms的积分时间;积分时间的延长,显著地提升了静脉成像的信噪比,同时其光谱响应特性很好的覆盖了第二生物光学窗口以及第三生物光学窗口。针对光学显微特性的成像特点以及静脉组织在图像中的特征表达,设计了一种新型的单光谱多焦距融合算法,可以很好的实现静脉图像的红外光谱观测。提出了一种基于多尺度梯度域引导滤波（gradient domain guidedfilter,GDGF）多焦距融合算法,来补偿显微特性的成像缺陷。通过多尺度梯度域引导滤波算法,实现对显微对焦区域的提取,进而实现对融合决策函数的计算,最后再通过梯度域引导滤波将得到的融合决策函数精细化处理最终得到我们的融合算法的最终决策融合函数。实验表明,设计的InGaAs短波红外探测器很好的满足了对小鼠静脉荧光光谱成像的需求,分别实现了针对小鼠静脉的1 100,1 250和1 350 nm等多个波段的光谱成像,以及在同一激光照明下实现多个焦距下的光谱成像。同时设计的融合算法很好的提取了小鼠静脉图像的对焦区域,在将多焦距图像融合的同时又减少了噪声的引入,实现了高质量全局静脉成像。     

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。     

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。     

光谱重构油菜叶绿素含量快速检测方法及设备研制

为了实现油菜叶片中叶绿素含量的快速无损检测,开发了手持式多光谱成像系统用于采集油菜叶片在460,520,660,740,840和940 nm 六个波段的光谱图像。将一台能够采集可见光/近红外（380～1 023 nm）512个波段光谱图像但是价格高昂且体积大的室内高光谱成像系统作为参考仪器,将手持式多光谱成像系统作为目标仪器后,采用伪逆法（pseudo-inverse method）求得高光谱成像系统和多光谱成像系统两台仪器之间的转换矩阵F,从而实现6个波段的多光谱图像向512个波段的高光谱图像的重构,提高了手持式设备的光谱分辨率。运用偏最小二乘回归算法（PLSR）建立了重构的光谱与油菜叶片的叶绿素含量之间的关系模型。结果表明,重构的可见光范围内的光谱反射率与叶绿素浓度之间具有很强的相关性,PLSR回归模型建模集的决定系数R2_c为0.82,建模集均方根误差RMESC为1.98,预测集的决定系数R2_p为0.78,预测集均方根误差RMESP为1.50,RPD为2.14。虽然应用本文开发的手持式成像系统结合PLSR模型实现油菜叶绿素含量快速无损预测的精度低于基于室内高光谱成像系统获得的高光谱图像建立的PLSR模型（R2_c,RMESC,R2_p,RMESP和RPD分别为0.90,1.41,0.82,1.36和2.37）,但是明显优于基于原始多光谱成像系统4个波段（460,520,660和740 nm）反射率建立的PLSR模型得到的结果（R2_c,RMESC,R2_p,RMESP和RPD分别为0.78,2.06,0.72,1.85和1.88）。表明光谱重构技术可提高多光谱成像预测油菜叶绿素含量的精度,并且与室内高光谱成像系统相比,开发的手持式设备具有体积小、成本低廉和操作简便等优点,可为田间油菜叶片的生理状态和养分检测及可视化表达提供技术支持。     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪光谱定标

为了对大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪进行全谱段高精度光谱定标，通过分析干涉型光谱仪的工作原理，对光谱漂移因子进行理论推导，发现通过有限光谱位置校正能实现全谱段光谱定标。采用了以波长计为基准，通过连续可调谐激光作为测试光源的光谱定标方法，并以高精度气体池系统进行交叉定标来验证定标精度。试验结果表明，通过测量光谱漂移因子来进行光谱定标的测试精度优于0.004 cm?1，满足高精度光谱仪定标需求，漂移因子能够应用于干涉型光谱仪光谱定标。     

基于中阶梯光栅的波长定标方法研究

波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点,建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次,光谱范围宽且具有较高的分辨率,可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线,克服了传统定标方式的缺点,提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理,接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标,通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程,并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明:高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律,定标不确定度为0.025 8 nm,汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm,证明了定标结果的准确性。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标方法研究

空间调制干涉光谱成像仪不同于其他类型光谱成像仪,其像面上得到一维空间信息和一维光谱信息。由于其原理特殊,定标方法尚不成熟。介绍了一种用于空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的方法,即干涉光谱成像仪和光谱辐射度计同时采集目标辐射强度,复原采集干涉图得到的光谱图,与光谱辐射度计采集绝对光谱进行比对,得到定标系数,并分析了该方法达到的精度。结果表明：该方法可以满足空间调制干涉光谱成像仪光谱辐射度定标的要求,定标精度达到5．74％。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

宽波段单色仪多级谱高精度波长定标

通常利用单色仪输出的单色光对空间遥感光谱仪进行波长定标。提出以空间遥感光谱仪的置信度为标准,来评价宽波段单色仪高精度波长定标精度的方法。通过对仪器精度的分析,分别求出单色仪的波长的重复性误差和偏差。应用高压汞灯的本征谱和光栅衍射多级谱作为定标谱线,避免更换灯源带来的误差。通过粗细定标相结合的方法,缩短扫描时间,并且运用高斯拟合对波峰进行精确定位,缩小误差。最后利用高次拟合得到的关系式,测出单色仪波长精度,计算出空间遥感光谱仪定标的置信度。以1.5 M单色仪为例,单色仪在200～840 nm波段内波长精度±0.016 nm,则空间遥感光谱仪的波长精度达到±0.050 nm的置信度为99.82%。     

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。     

宽谱段高分辨扫描光谱定标技术

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求,采用精密角位移平台直接驱动光栅,配合面阵探测器,实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中,探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系,且不同像元的波长增量不同,这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性,基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角,探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到,从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动,实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验,在200~800 nm的宽谱段范围内,波长准确度优于0.018 nm,波长重复性优于0.001 nm。     

钢铁检测微型光谱仪的研制

针对国内光电直读型钢铁检测微型光谱仪研究的不足,提出基于Czerny-Turner结构的系统设计方法,讨论了优化方法及验证方法,并加工出了光谱仪。光谱仪采用三次多项式拟合标定波长,实测分辨率在436 nm~608 nm全谱段达0.225 nm、中心谱段达0.135 nm,基本满足钢铁检测要求。提出一种基于多帧判断的定性分析方法,7种待测元素检出限优于1.5%,通过建立拟合光谱数据库实现半定量分析,25种样品检测精度达2%,为钢铁牌号识别提供重要参考。