多波长激光探测微小摄像头机理研究北大核心CSCD

基于激光不同波段的探测传输特点,通过分析典型微小摄像头的回波传输特性,提出了一种针对多波长激光特征检测微小摄像头的研究方案。利用几何光学和波动光学理论,分析微小摄像头结构及其反射光谱特征,计算并仿真了一定探测距离下的回波光场,在此基础上搭建多波长激光检测系统。实验结果表明,在一定的景深范围内,具有红外截止滤光片的微小摄像头对可见光的回波光斑衍射环特征明显、条纹对比度高且可探测距离远;近红外波段的目标回波功率低、后向散射干扰严重,可探测距离近;短波红外波段几乎不受红外截止滤光片影响,且1550 nm处于人眼安全波段。实验结果与数值分析、理论仿真结果一致,验证了短波红外激光用于探测微小摄像头的可行性。     

双通道曲面棱镜高光谱成像系统设计

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420～2500nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。     

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。     

高光谱探测绿色涂料伪装的光谱成像研究

基于现有伪装涂料与植被反射光谱的本质差异,提出一种可有效识别当前所有绿色伪装涂料的高光谱成像方法.通过分析绿色伪装涂料与被子植物叶片的反射光谱及其一阶微分谱的差异,确定了星载和机载高光谱遥感探测中,可见光波段的绿色反射峰和780～1 300 nm的“近红外高原”波段反射率的波动性是识别绿色伪装涂料的有效光谱特征.对“近红外高原”波段的反射光谱进行成像是高光谱探测实现伪装目标可视识别的可行方法,尤其是对反射光谱一阶微分处理后进行成像可更加有效地识别植被环境中的绿色伪装涂料.     

目标自辐射与干扰目标反射光谱的氧气吸收特性分析

为分析不同目标反射太阳光谱的特性,研究被动测距中抑制干扰目标的方法,利用高光谱成像光谱仪作为测量设备,200 W卤钨灯作为模拟探测目标,玻璃板、光滑铝板、塑料板作为干扰目标,对模拟目标发射光谱和干扰目标反射太阳光谱进行了实验采集与分析。实验采集了晴朗天气条件下干扰目标反射光谱及卤钨灯目标辐射光谱的信息,并对其氧气吸收率进行了计算,综合分析了镜面反射干扰目标、漫反射目标及背景反射光与卤钨灯发射光光谱的氧气吸收率差异,结果表明:在455m处,镜面反射目标和漫反射目标反射光的氧气吸收率是卤钨灯的2~3倍。因此,在一定距离下可以利用氧气吸收率的差异设置阈值来对目标进行判别,提高探测概率。     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。     

基于空间特征的光谱分类算法研究

随着成像光谱仪器的广泛应用,利用数据立方体进行物质分类与识别成为一项重要的研究内容,分类算法对最终的目标识别准确度与精度具有很大的决定作用。目前常见的分类算法主要利用了光谱维信息,从光谱匹配的角度进行物质分类。由于仪器探测的物质反射光谱不仅反映了物质种类,还与物质表面的几何结构,表面粗糙度等有关,因此仅仅利用物质的反射光谱进行物质分类识别具有一定的误差。该文在利用可见光反射光谱进行分类的基础上,结合图像空间特征,对分类过程进行控制,达到提高分类准确度的目的。利用该分类算法进行真假叶片识别,结果表明其具有较好的空间连续性,很大程度上克服了"麻点"效应,验证了算法的有效性。     

基于高光谱特征的迷彩伪装评价

伪装效果分析是伪装设计和识别的重要环节,为了对高光谱探测下的目标伪装效果进行有效评价,结合高光谱图像光谱分辨率较高的特点,提出了一种基于高光谱特征的迷彩伪装评价方法。在光谱维,分析并提取伪装目标的光谱特征。在空间维,对图像第一主成分进行多层小波分解,提取高频分量和低频分量的比值、水平分量和垂直分量的比值以及低频图像的对比度、相关性、能量、同质性等6个特征作为纹理特征。利用欧氏距离分别计算光谱特征距离与纹理特征距离,最后将二者进行综合,距离越小说明伪装效果越好。实验数据表明:本文的方法可以量化高光谱成像下的迷彩伪装效果,评价客观。得到迷彩雨衣与草坪背景之间的综合距离为1.3225,两者融合效果最好。     

陆基条件下典型地物和伪装光谱影响因子分析

近年来,随着军事侦察识别技术的快速发展,用于侦察探测的军事装备已经逐步实现高精度化水平,拥有高技术侦察手段的一方往往可以对目标实施精准打击,大大降低战争胜利的成本。在高光谱成像方面,目前比较成熟的有卫星遥感和高空航空成像技术,这两种成像方式侦察时间大致相同,入射光方向基本一致,并且由于高光谱设备基本垂直于地面,因而反射光方向保持不变, 地物的BRDF系数比较固定。在陆军应用时,侦察时间随机,太阳的入射角度时刻变化,而且侦察的方向任意,高光谱在地面或者近地位置,探测方向变化无穷,地物在不同成像条件下的光谱曲线受到物体表面的BRDF系数影响凸显。通过展开不同的实验,挑选了绿地植被和三种人造伪装材料,细致的分析了太阳高度角、方位角和探测角对陆基条件下地物光谱的影响。实验结果表明,虽然四种材料的反射特性存在差异,但在不同的太阳高度角、探测角以及探测器与地物的方位角上呈现相似的规律。对于太阳高度角,当探测角一定时,人造伪装物光谱一般随着太阳高度角的变化整条光谱曲线都发生变化,反射比曲线呈现出平移的规律,而绿地植被在白光波段变化不很明显,在近红外波段的变化很明显,随着太阳高度角的升高先升然后降低;对于方位角而言,四种材料随着方位角的增大,光谱反射比一般先升高后降低,同时后向观测时的反射比一般比前向观测时大;对于探测角,三种材料的光谱反射比与探测角的关系并不很大,但三种材料均在不同的探测角度上出现了“热点”现象。最后,对绿地植被和迷彩伪装板的BRDF模型参数进行了分析,得到了其在不同方向上的反射规律。     

典型红树林反射光谱特征分析研究

获取红树林的反射光谱属性,探测其反射光谱特征波段,可为红树林各种指标的遥感反演模拟和估算提供技术依据。以广西山口红树林保护区典型红树林为研究对象,对美国ASD FieldSpec 2光谱仪实测的反射光谱曲线进行去噪平滑处理,获得木榄、红海榄、秋茄、白骨壤、桐花树、大米草和泥滩的标准反射光谱曲线并分析其反射光谱特征。结果表明：典型红树林反射光谱与大米草和泥滩的反射光谱区分明显,红树林类内反射光谱曲线走向大致相同,峰谷值出现波段基本一致,差异主要表现在特征波段反射峰值和谷值。采用空间距离法、相关系数法和光谱角度制图法来定量描述红树林类内反射光谱差异性和相关性,通过样本验证区分方法精度,相关系数法>光谱角度制图法>空间距离法,发现红树林类内和大米草的反射光谱相关系数均>0.995,反射光谱夹角余弦值均>0.95,相似性强,差异小。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

Infrared Multispectral Imaging: Principles and Instrumentation

Abstract

A multispectral imaging spectrometer is an instrument that can simultaneously record spectral and spatial information of a samples. Chemical and physical properties of the sample can be elucidated from such images. In a multispectral imaging instrument, a camera is used to record the spatial distribution of the sample, and the spectral information is gained by scanning a dispersive device to record spectra for each image. This overview article describes operational principles and recent development of various components used in infrared multispectral imaging instruments including the electronic dispersive devices (acousto-optic tunable filter and liquid crystal tunable filter) and IR cameras (InGaAs, InSb, HgCdTe and QWIP cameras).     

一种红外与可见光融合的“双双目”立体视觉系统的标定方法研究

针对红外相机与可见光相机联合标定的问题,利用不同物体红外辐出度的差异,设计了可同时应用于红外相机与可见光相机标定的平面靶标。利用"最大稳定极值区域"(MSER)算法,检测靶标的镂空深色区域。为克服图像可能存在较大畸变的问题,通过相邻最大稳定极值区域质心的位置关系预估角点所在位置,在预估位置内进行角点检测,提取用于标定的亚像素角点位置。结果表明:新型靶标及相应的角点提取方法能够同时满足于红外相机与可见光相机内外参数标定的需要。通过红外与可见光"双双目"立体视觉系统的融合重构效果可看出,提供的标定数据能够满足系统需求。     

多波段空间推扫相机光学系统设计

空间推扫相机的光学系统要求具有大视场、大口径、低F数等特点，据此设计了一种3波段光学系统。在参考国内外各种扫描或推扫相机结构的基础上，根据像差理论和系统要求，采用有效的分光方式和紧凑的光路结构，对不同的波段采用不同的像差校正方法，以及对系统优化组合后，最终得到了一个实用的光学系统。该系统包括可见、中波红外和长波红外波段，视场达到2.93°×0.3°，可见波段的F数为3.8，中波和长波波段的F数为1.9。从设计结果可以看出，系统3个波段的光学调制传递函数（MTF）都接近衍射极限。     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

近红外光谱图像处理的霉变稻谷检测方法

稻谷在储藏和运输过程中，在适宜的温湿度环境下极易发生霉变，导致大量的粮食浪费和巨大的经济损失，进而影响粮食安全。为解决传统的稻谷霉变检测存在的繁琐且耗时较长等不足，提出了基于近红外光谱图像处理和神经网络的稻谷霉变程度检测方法。首先，通过农业多光谱相机（Sequoia）和固定光源等设备，构建了霉变稻谷近红外图像数据采集平台，获取了黑龙江地区牡响、早香、彩稻三个品种不同的霉变状态（健康稻谷、轻度霉变、中度霉变）的近红外光谱成像数据。对于近红外光谱图像的160×160像素有效区域，应用数字图像处理技术结合光谱图像分析方法，分析了NIR图像多种纹理特征和光谱反射值频率特性，优选不同稻谷品种霉变状态的光谱特征，计算了近红外图像的纹理特征（均值、标准差、平滑度、三阶距、一致性、信息熵、平均梯度、分形维数）以及间隔步长0.1时NIR光谱图像在0.2~0.8区间反射值频率，共计14维度的光谱图像特性指标。最后，以提取NIR图像的特征向量为依据，利用前馈神经网络的自适应推理机制，建立了稻谷霉变程度与其近红外图像特征之间的非线性映射模型，该神经网络结构为14-60-3型，进一步将网络输出编码向量解析至稻谷霉变等级，实现了稻谷霉变程度的快速检测方法。结果表明：本文提出检测模型在学习次数为28 455次时达到预设的目标精度0.06，所提取的稻谷NIR图像特征与模型输出的相关系数为0.85。仿真测试中该检测模型所计算出的网络输出值和期望输出值的误差平均值为0.521 39，方差为0.137 82，误差的标准差为0.371 23，对于不同稻谷的霉变程度检测的准确率为93.33%。该研究为实现稻谷霉变程度无损检测提供了新方法，为稻谷仓储时霉变早期自动快速检测提供了技术支持。     

Temporal filtering with fast ICCD cameras in Raman studies

A common problem when applying Raman scattering in applied research is spectral interference from laser‐induced fluorescence. Extensive work has been invested in developing spectral and polarization filters as well as modulation schemes to refine spontaneous Raman signals. This current work, however, focuses on utilizing the temporal domain using a picosecond laser system and ICCD cameras with relatively short decay of the camera gate to prevent the fluorescence tail from being captured in Raman experiments. Further, the approach of using an ICCD camera to perform temporal filtering is compared to earlier proposed detection schemes using streak cameras or Kerr gates. The temporal‐filtering scheme is evaluated in a spectroscopic investigation where a background subtraction algorithm is presented. The temporal‐filtering scheme was also evaluated for Raman imaging of a levitated water droplet surrounded by fluorescing toluene vapor. Furthermore, the temporal‐filter detection scheme was simulated in order to provide straight forward evaluation tools to estimate the potential of performing temporal filtering with a laser/camera system considering: laser‐pulse duration, time jitter, camera‐gate characteristics, gate delay times, fluorescence lifetimes, and relative signal strength between the Raman and fluorescence signal. The fluorescence signal was modeled with a closed two‐level system, and the simulated results were compared to results from an investigation of the rising slope of toluene fluorescence. These evaluation tools and experimental investigations may serve as guidelines for planning and performing Raman measurements in situations where traditional filter‐rejection schemes are insufficient. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.