自回归谱分析中Marple算法的阶数的考虑

在自回归谱分析中,Marple的LS算法是最有效的方法之一,它减少了谱线频率的偏移,避免了谱线的分裂,而且具有更高的分辨率.但是,判阶问题仍未解决.本文从实验的角度详细讨论了Marple提出的病态条件和两个容限因子,并且研究了在不同的噪声电平下,分辨率和阶数的关系.最后还讨论了出现假峰的问题.     

Implementation of the direct demodulation method for natural gamma ray spectral logging

Spectrum analysis of natural gamma ray spectral logging (SGR) data is a critical part of surface information processing systems. Due to the low resolution, which is an inherent weakness of SGR, and the low signal-to-noise ratio problem of logging measurements, SGR is usually treated with a low confidence level. The Direct Demodulation (DD) method is an advanced technique to solve modulation equations interactively under physical constraints. It has higher sensitivity and spatial resolution than the traditional methods and can effectively suppress the logging noise. Based on standard count rate spectral data obtained from the China Offshore Oil Logging Company SGR Calibration Facility, this paper presents the application of the DD method to gamma-ray logging. The results are compared with four traditional algorithmic methods, showing that the DD method is a credible choice, with higher sensitivity and higher spatial resolution in gamma-ray log interpretation. The Point-Spread-Function of the Shengli Oil Logging Company's natural gamma ray spectroscopy instrument is obtained for the first time. The quantities of various radionuclides in their calibration pits are also obtained. The DD method was applied successfully to gamma-ray logging, offering a new option for SGR logging algorithm selection.     

单色散压缩编码光谱成像系统研究

随着光谱成像技术向高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比方向发展, 传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题,同时,系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、大口径长焦距系统难于精密装调、系统能量受限引起信噪比提高困难。为了解决上述问题,研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统, 并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题,重点研究了该新系统的设计与实现,模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法,并给出实际样机试验及数据处理结果。最后,根据试验情况,总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容,包括编码模板误差分析,多维稀疏重构模型与算法,压缩编码光谱成像系统标定技术,重构算法/重构图谱评价技术。单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、色散、甚至下采样,由探测器接收得到成像观测图像,然后,利用该成像数据,通过重构算法,得到目标光谱图像数据,其优点是低数据量采样、工程实现硬件要求减低、多通道高通量探测。相关研究结果表明,该系统获取的数据有效,样机设计合理,重构算法与标定方法较为准确,其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰,光谱信息较为准确,符合钨灯光谱,其系统设计与实现具有工程可行性。     

LS算法在亚毫米波付里时变换谱中的应用

本文介绍自回归谱分析法的另一种算法-前后向最小二乘法(LS算法)在亚毫米波付里叶变换谱中的应用。LS法比最大熵谱法(Burg法)具有更高的分辨率,而且可以避免谱线的分裂和减少谱线的偏移,从而得到更精确的结果。本文还着重讨论了光谱的窗口宽度和噪声对分辨率的影响     

超高分辨光谱仪的分辨率检测方法研究

光谱分辨率是光谱仪最重要的指标之一,依据瑞利判据、基于光外差的基本原理,提出了一种可实现光谱仪超高分辨率检测的方法,并对该方法的测量不确定度进行了详细分析。搭建了实验光路,对某型号光谱仪的分辨率进行了检测,实验结果表明该光谱仪的分辨率优于18.9 pm,测量标准不确定度为2.3 pm;采用波数表示时,该光谱仪的分辨率优于0.078 8 cm-1,测量标准不确定度为0.009 6 cm-1。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

基于成像系统物理特性的多光谱图像与全色波段图像融合

提出了一种基于成像系统物理特性的多光谱图像与全色波段图像融合算法。该算法采用àtrous小波变换提取全色波段图像的空间细节信息,并将提取的空间信息按照一定的注入模型调整后添加到各波段多光谱图像中去,得到具有高空间分辨力的多光谱图像。注入模型充分考虑了各波段成像传感器的相对光谱响应函数、地表物体对各波段的光谱反射率以及各波段的辐射调整系数等成像系统的物理特性,使融合后的多光谱图像在显著提高空间质量的同时,最大可能地保留了原始多光谱图像的光谱特性。对IKONOS卫星遥感影像的融合实验结果表明,该算法在光谱保留和空间质量提高方面较其它基于小波变换的融合算法都具有更高的性能。     

基于改进光谱特征拟合算法的高光谱数据矿物信息提取

根据光谱特征拟合算法在实际应用中存在的问题,介绍一种改进光谱特征拟合算法,该算法综合常规的特征拟合处理和地物光谱吸收特征参量约束为一体,能更细致地进行高光谱数据地物信息提取.实验基于不同空间分辨率和信噪比的高光谱数据,编程实现改进光谱特征拟合算法对实验区的白云母、方解石、绿泥石等蚀变矿物信息提取,与常规光谱特征拟合和光谱角制图处理结果的比较分析发现改进算法在矿物混淆区分、信息提取精细度上均得到提高,有较强的实用性.     

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力, 快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法：(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。     

动态混沌扰动遗传算法的振动模糊高光谱图像复原

高光谱图像具有较高的光谱分辨率和空间分辨率,从而具备区分诊断地物光谱特性的能力,但是在获取高光谱图像时,经常会由于载荷平台的振动,导致光谱图像失真,严重影响光谱图像在应用中的精度和可信度。提出一种能够将振动模糊高光谱图像复原的动态混沌扰动遗传算法, 该算法对比于普通的遗传算法,不会出现过早收敛,能够较准确的恢复图像,提高光谱质量。根据振动模糊图像的退化原理,找到振动模糊图像与清晰图像之间的映射关系和振动模糊图像的点扩散函数。针对振动模糊图像退化的非线性和混沌系统特征,用tent映射生成混沌初始种群,增强遗传算法的全局搜索能力。对产生的优秀个体,用切比雪夫映射进行混沌扰动,对优秀个体混沌优化,以增强遗传算法自身局部搜索能力。将三维高光谱影像平铺为二维图像,利用相邻的光谱通道的图像相关性,对每一幅图像进行复原,从而实现三维高光谱数据的复原。在澳大利亚机载Hymap成像光谱仪所提供的数据立方体中,进行了两组不同的振动模糊光谱图像复原仿真验证。将所提出的方法与近期使用的光谱图像复原算法和遗传复原算法进行对比分析,图像采用无参评价方法灰度平均梯度GMG和拉普拉斯算子LS,有参评价方法信噪比SNR和峰值信噪比PSNR,光谱采用光谱信息散度SID和光谱梯度角SGA评价方法,发现各个评价指标均有大幅改善。与最新的光谱复原算法相比,SNR提高了60%,PSNR提高了10%,GMG提高了11%,LS提高了11%,SID降低了39%,SGA降低了5%。与原遗传算法相比,图像的SNR提高了51%,PSNR提高了12%,GMG提高了33%,LS提高了43%,SID降低了39%,SGA降低了16%。计算结果表明该方法对恢复振动模糊高光谱图像数据非常有效,不仅能提高单波段图像的清晰度,光谱数据立方体的光谱质量也明显提高。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。     

基于LASSO算法的恒星α元素丰度估计方法研究

主要研究了一种新的基于LASSO算法的恒星α元素丰度估计方法。海量恒星的α元素(O, Mg, Si, Ca 和Ti)丰度信息将有助于我们了解银河系的演化进程。但目前从中低分辨率光谱中确定α元素丰度的方法主要是模板匹配法,但该方法算法复杂,优化参数较为困难且对噪声敏感,因此有必要研究新的方法。实验结果显示,LASSO算法对ELODIE光谱的α丰度的估计精度为0.003(0.078)dex。为验证光谱分辨率变化对LASSO算法结果的影响,我们首先用ELODIE光谱通过高斯卷积得到了分辨率为42 000, 21 000, 10 500, 4 200和2 100的光谱,然后使用LASSO算法估计α元素丰度,精度分别为0.003 3(0.078)dex,-0.05(0.059)dex,-0.007(0.060)dex,0.008 0(0.069)dex和-0.004 5(0.067)dex。上述结果证明LASSO算法对分辨率变化不敏感。为验证LASSO算法对信噪比变化的鲁棒性,使用ELODIE光谱分别构造了信噪比为30, 25, 20, 15和5的光谱。LASSO算法在上述数据集上的精度分别为-0.002(0.076)dex, -0.09(0.073)dex, 0.003 6(0.075)dex, 0.007 6(0.078)dex 和-0.009(0.08)dex,因而LASSO算法对信噪比变化不敏感。因此,LASSO算法适用于低分辨率低信噪比的LAMOST和SDSS光谱。LASSO算法在SDSS光谱上的估计精度为0.003 7(0.097)dex,而在球状星团和疏散星团成员星上的结果显示LASSO算法给出的丰度与文献给出α丰度值误差在1σ以内。因此,LASSO算法能够用于估计恒星的α元素丰度。     

通过HSQC和1H,13C-COSY叠合增强二维谱分辨率的方法

通常二维谱F₁维分辨率较差,F₂维分辨率较好. 即HSQC实验¹³C维度分辨率较差,¹H维度分辨率较好. 而¹H, ¹³C-COSY实验¹³C维度分辨率较好,¹H维度分辨率较差. 提出一种通过HSQC和¹H, ¹³C-COSY叠合,取较弱的值储存并显示的方法增强分辨率,采用Bruker Topspin软件AU程序实现. 该方法在不明显增加采样时间的情况下,可显著增强分辨率,信噪比也没有降低. 同时抑制了F₁噪声. 处理后,谱图美观清晰.     

用傅里叶变换法测试平面衍射光栅的分辨特性

本文提出了测试平面衍射光栅的分辨特性的新方法,用干涉法测量光栅衍射的波阵面的相位,得出衍射波阵面的三维波面图,并用所取得的相位数据作傅里叶变换求得其在谱面上的光谱衍射斑——光谱线像的强度分布,并可据此确定半宽度值和分辨极限.文中叙述了这一新方法的优点、基本原理和实验方法,并给出应用这方法测量一批光栅所得结果中的两个例子,结果表明,与通常所用直接扫描光谱线法所测结果相符合.     

现代高分辨拉曼光谱仪的配置及应用研究

拉曼光谱分辨率是关系到从光谱中提取出样品结构信息的关键参数,高分辨拉曼光谱能够提供更多、更精细的样品有关信息。在此全面分析了现代高分辨拉曼光谱仪中决定光谱分辨率的各参数,辨析了易于混淆的分辨率和色散度概念。用理论分析和实验结果说明光栅密度与光谱分辨率的关系以及采用高密度光栅增进光谱分辨率所受到的限制、如何利用长焦长光栅增进光谱分辨率而不损害仪器通光效率、入射狭缝宽度对光谱分辨率及灵敏度的影响,在此基础上如何求得一个合理的平衡选择;并且用不同配置的现代新型拉曼光谱仪实验研究了多层硅结构中的应力分布和单壁碳纳米管管径分布,实验结果清晰地佐证了以上分析,并充分说明了拉曼光谱测量中选择分辨率的重要性。     

High resolution instrumentation system for fibre-Bragg grating aerospace sensors

A passive technique for high-resolution detection of the wavelength of peak reflection from fibre Bragg grating (FBG) sensors is presented. The approach, based on a de-convolution of the FBG spectrum and the spectrometer resolution, essentially overcomes the low spectral resolution (≈0.1 nm) associated with commercial spectrometers employing CCD detection. The performance of two algorithms, the Centroid Detection algorithm (CDA) and the least squares method (LSQ), are compared. The LSQ algorithm offers resolution enhancement of at least two orders of magnitude and is shown to be independent of the FBG intensity and bandwidth over a broad range.     

新型超分辨干涉型光谱仪光谱定标研究

针对综合光栅衍射与空间干涉与一体的新型空间外差光谱(SHS)技术开展了光谱定标技术研究。从SHS干涉机理入手,列举了SHS与传统超光谱仪器光谱定标的差异,开展了仪器线性函数、光谱分辨率和光谱范围等光谱特性数据的定标原理研究,设计可调谐激光积分球光谱定标法,并且针对超光谱数据特点探讨了谱峰定位等数据处理算法。利用上述光谱定标方法对CO2空间外差光谱仪样机开展了光谱定标实验,并利用镁元素灯进行了定标精度验证,结果表明该光谱定标方法能够满足SHS光谱定标要求,样机实测光谱定标数据与理论设计值吻合。     

Processing a sequence of images for super-resolution problem solving

An algorithm is proposed that is capable of processing a sequence of images so as to increase their resolution and overcome restrictions imposed by a finite number of sensitive elements in the radiation detector. The image size is increased using a spectral interpolation method. A method of selecting reference frames and determining interframe displacement vectors is described. Results of application of the proposed algorithm to real images are presented.     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。