基于ArcGIS和Vis-NIR脐橙园土壤养分含量分布图预测研究

以赣南区某脐橙园土壤为研究对象,针对不用层土壤的全氮、全磷及有机质养分信息,采用傅里叶型近红外光谱仪和可见/近红外光谱检测装置不同参数配比下组合,采集土壤样品光谱。用化学方法测定养分真值,结合光谱预处理方法和化学计量学算法建立定量检测数学模型,选择出最优的仪器参数、最合适的预处理方法和算法,确定最终的数学模型。实验采样点的数量是有限的,要想得到整个研究区的养分分布数据就需要采用克里金插值法(Kriging)对这些采样点各养分进行插值,运用ArcGIS软件中的地统计分析模块功能,对采样点的土壤全氮、全磷及有机质的真实化学值和最优模型预测值进行克里金插值,得出采样区的土壤养分空间分布图。     

非均匀采样干涉数据光谱反演技术研究

干涉光谱成像仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演才能够得到目标光谱数据,傅里叶变换方法是常规的光谱反演方法。由于干涉数据中存在非均匀采样问题,若忽略光谱混叠,直接采用快速傅里叶变换会导致反演光谱的失真,难以满足实时处理需求。针对非均匀采样干涉数据的光谱反演需求,将插值及非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法应用到光谱反演处理中,对过采样及部分欠采样情况下的非均匀采样干涉数据,提出了相应的光谱反演方法,并分析了方法的适用性。最后对过采样及部分欠采样情况下的光谱反演方法进行计算机仿真,过采样情况下采用NUFFT方法反演光谱的精度要明显高于插值方法,而部分欠采样情况下插值方法反演光谱的精度要明显高于NUFFT方法,并对欠采样造成的光谱混叠有一定的修正,验证了方法的有效性。     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计.此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率.在光路中采用了光纤远传技术和光纤耦合技术,极大程度上解决了仪器核心部分的防震、防爆、防电磁干扰的问题.采用高速采集和多级放大解决了爆炸时间短、温度变化剧烈、信号难于采集的问题,同时采用无线远传的结构保证了工作人员的安全.     

基于三次样条插值的光纤F-P传感器傅里叶变换解调研究

从傅里叶变换原理入手,对不插值傅里叶变换解调和高斯频谱插值方法的误差进行了分析.介绍了三次样条插值的原理,通过三次样条插值得到输出光强信号对光频率均匀采样光谱.从光纤F-P传感器的腔长由20 μm以0.02 μm步长匀速增加至120 μm的仿真分析得出,经过三次样条插值后再进行傅里叶变换解调的精度相对频率插值法更高.在此基础上,采用美国Ocean Optics公司生产的USB2000型光谱仪和Melles Griot公司的17MAX600型光纤对准微动台(精度达0.01 μm)搭建了实验系统并进行了对比实验.结果表明,基于三次样条插值的傅里叶变换解调方法误差在0.06 μm以内.     

两种红外干涉图采集及光谱复原方法的对比研究

目前,傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪主要的数据采样方法有He-Ne激光触发方法和Brault方法。Brault方法使用硬件计数器而且采集到的数据有延时,会增加数据处理的时间,因此讨论了一种基于Brault方法改进的数据采样与处理方法,该方法采用同步数据采集卡,同时采样两路数据,用近似的相似三角形法得到精确的He-Ne激光过零点信息,然后根据三次样条插值方法重采样干涉信号,实现了软件数据采样与处理。将该方法与He-Ne激光触发方法得到的光谱图进行对比。结果表明,两种方法得到的背景光谱图中H2O和CO2的吸收峰与标准吸收谱带一致,基于Brault方法改进的数据采样与处理方法提高了光谱的信噪比,其激光过零点信息可得到动镜扫描速度的稳定性,而He-Ne激光触发方法的采样与处理时间小于改进的Brault方法。     

多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统的全光谱重采样方法

在多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统中,激光器存在着输出光谱错位与扫频范围波动的问题.目前的重采样方法中,普遍利用互相关运算校正光谱错位,并进行大范围的截取,保证扫频范围的一致性,但这会导致成像信噪比与分辨率的降低.本文用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)采集到的干涉信号对扫频范围波动的问题进行了详细的测量与分析,其中干涉信号的解缠相位曲线的非随机性和平行性,表明该类激光器输出光谱的波长分布具备一致性.在此基础上,提出了一种用最长扫频范围的MZI干涉信号,对样品干涉信号进行时域光谱对齐、然后进行一对多插值的重采样方法.实验与分析表明,该方法利用了所有的光谱信号,保证了样品干涉信号的能量利用率,能有效提高图像的信噪比与分辨率.     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

由色散数据求氢波长的三次样条插值法和直线化拟合法

介绍了三次样条插值的基本概念及运用Matlab求三次样条插值的方法,并将该方法应用到氢原子光谱实验中,应用直线拟合方法求出了氢原子光谱的波长.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

近红外离散波长光谱基线漂移校正方法研究

微分是(近)红外光谱多元分析校正中最常使用也是最有效的光谱基线漂移校正方法。由于数据数目较少及相邻数据在光谱意义或数学意义上缺乏连续性,微分不能直接用于离散波长光谱消除基线漂移。为此,提出了一种结合插值拟合和微分校正离散光谱基线漂移的新方法。思路是采用三次样条插值法对离散波长光谱进行拟合,然后对拟合光谱进行Savitaky-Golay卷积求导,再从微分光谱中取出对应于原离散波长光谱数值的数值,构成离散波长光谱的微分光谱,从而实现离散波长光谱的基线漂移校正。通过分别由模拟离散波长光谱数据和实际的离散波长光谱数据建立多元校正模型检验新方法效果。采用ABC干粉灭火剂和土壤的近红外光谱数据及性质建立了PLS和MLR模型。结果表明,新方法能有效消除离散波长光谱的基线漂移对多元分析校正产生的不利影响,明显地提高了多元分析校正模型的准确性,对改善离散波长光谱仪器分析准确度具有重要的理论意义和实际应用价值。     

小波抽样与气象要素场插值

首先用6种插值方法对一个带限与非带限一维信号分别进行等距插值计算检验.6种方法是基于Shannon抽样定理的插值法、两种基于小波抽样的插值法、三次样条插值法、三次卷积插值法和快速Fourier变换插值法.结果显示小波和三次样条插值法最好,其中小波插值误差的局域性最好.最差的是快速Fourier变换法.其次,剔除快速Fourier变换插值法,将其它5种插值公式推广到二维的情形,对大气层中层500hPa高度场、海平面气压场和降水量场也进行了插值计算.误差分析表明对于降水量场三次样条小波插值最好,对高度场和海平面气压场三次样条插值法仍然是最好的.在此基础上,提出了既保证降水量场插值精度又能避免插出"负降水"的插值处理方法并进行了计算检验.最后指出了小波插值法有待改进的问题.     

基于MODTRAN的双查找表法反演高光谱数据的水汽含量

基于MODTRAN辐射传输模型,假设近红外波段地物反射率随波长线性变化,考虑程辐射的影响,发展了一种通过双查找表反演高光谱遥感数据水汽含量的方法。建立查找表过程中,使用三次样条插值方法对查找表水汽含量值加密以减少MODTRAN运行时间。使用两个查找表,通过逐步搜索法对高光谱遥感数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图。结果显示,使用三次样条插值方法得到的辐亮度值与MODTRAN计算结果只有0.1%的误差。对两景机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)高光谱数据进行水汽反演,得到水汽含量分布图,并用其对辐亮度数据进行大气校正,得到反射率数据。水汽含量分布图变化平缓,无亮/暗点出现,反射率数据在水汽吸收波段的光谱曲线没有过/欠校正现象,这表明水汽反演方法有效。     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

导心轨道模拟中对磁场计算方法的改进

在导心轨道的计算中,用离散傅立叶变换对二维磁场信息沿角向进行变换,得到各阶谐波分量随极向磁通变化的拟合公式,用此生成磁场。数值模拟结果表明,该方法在精度上和传统的样条插值一致,可以在角向和极向上求任意阶导数,为磁岛和撕裂膜的计算提供了便利.     

Computing the angular dependence of the radiation of a planetary atmosphere

The numerical methods used for solving the transfer equation for a planetary atmosphere often give the specific intensity at a predetermined set of zenith angles, often the Gauss quadrature points. Since these ordinates are not always the ones at which the intensities are needed, some form of interpolation is needed. First, we show that the intensities computed from the moments derived from the spherical harmonics method are identical to those computed from the discrete ordinates method at the Gauss quadrature points. After a discussion of the various contributions to the errors, we compare three interpolation schemes. By far the most accurate way to interpolate the intensity curve is to use the integration of the source function method. We show how this method can be used with a minimum of computational effort. Although less accurate, interpolations are much faster. Not surprisingly, we find that Lagrange interpolation can produce very inaccurate values of the intensities and should not be used. Spline interpolation, on the other hand, always produces reasonable intensities. The accuracy of the spline interpolation can be improved greatly by supplementing the intensities at the Gauss points with values computed by the integration of the source function method at a few key ordinates.     

Combining Cubic Spline Interpolation and Fast Fourier Transform to Extend Measuring Range of Reflectometry

The reflectometry is a common method used to measure the thickness of thin films. Using a conventional method,its measurable range is limited due to the low resolution of the current spectrometer embedded in the reflectometer.We present a simple method, using cubic spline interpolation to resample the spectrum with a high resolution,to extend the measurable transparent film thickness. A large measuring range up to 385 m in optical thickness is achieved with the commonly used system. The numerical calculation and experimental results demonstrate that using the FFT method combined with cubic spline interpolation resampling in reflectrometry, a simple,easy-to-operate, economic measuring system can be achieved with high measuring accuracy and replicability.     

星载痕量气体差分吸收光谱仪1级数据质量评价

星载痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)是我国第一台用于监测对流层和平流层痕量气体的高光谱分辨率成像光谱仪。为了充分了解载荷的特点,更好地利用1级数据进行痕量气体反演,本研究对EMI实测的辐照度和辐亮度数据进行了综合评价。研究表明EMI紫外2波段（UV2）和可见光1波段（VIS1）的狭缝函数都表现出明显的行依赖性,其随行波动的标准差是OMI和TROPOMI的6倍以上。对不同行采用不同的狭缝函数,可以提高辐照度光谱的定标精度,进而提高痕量气体反演精度。EMI辐照度和辐亮度数据都有波长漂移现象,平均漂移量分别为0.015和0.03 nm,有明显的行依赖性。目前的波长漂移量满足设计指标(0.05 nm)的要求,但在痕量气体反演过程中仍需进行波长精校准。EMI辐照度数据与OMI和TROPOMI同一天测量的辐照度以及参考太阳光谱高度一致(r>0.95),绝对偏差小于4.3%;通过对比在洁净太平洋地区无云像元的平均辐亮度数据发现,EMI与OMI和TROPOMI也有很好的一致性(r>0.93),平均偏差小于13.2%;说明EMI数据辐射定标精度较高。研究表明当前EMI载荷数据质量能够满足痕量气体反演的要求,可为后续国产载荷的研制和数据质量评估方案提供参考。     

基于白光干涉测量色散补偿薄膜的群延迟色散

为精确测量超快激光色散补偿薄膜的群延迟色散,提出了一种基于窗口傅里叶变换和样条插值去噪算法的新型白光干涉测量方案。计算机模拟表明此方法测试精度可达0.58fs2。分析了高斯噪声和光强平均效应对测试精度的影响,并使用此方法对实验制备的Gires-Tournois干涉反射镜和啁啾镜进行了测试,在宽光谱范围内测试误差小于10fs2。该方法相比其他算法可以更快速、更精确地实现薄膜相位信息的提取,具有更高的测试精度和实用性。