基于THz光谱成像的纸币真伪鉴别研究

根据纸币防伪特征区域载体材料与制作工艺的不同,利用透射式太赫兹脉冲成像技术对2005版真伪百元人民币的白水印和安全线两处防伪特征区域进行逐点扫描获取相应的太赫兹时域信号,然后对太赫兹波形进行数据处理获得时域显示模式成像及频域显示模式成像。将真钞和假钞的成像结果进行对比,发现白水印、安全线部位的真假钞成像结果区别明显,证实太赫兹脉冲成像技术能够真实、有效地对真假人民币进行多区域、多维度的准确鉴定。     

基于典型目标反射率的近红外场景仿真

利用积分球对近红外增强相机进行了可见、近红外波段的辐射定标,并采用该相机采集了典型目标的可见、近红外图像.利用便携式地物光谱仪采集了相同目标可见、近红外波段的光谱反射率曲线,并分析了目标在可见、近红外波段的光谱反射特性.通过寻找同一天气条件、同一时间段所拍摄的典型目标近红外图像灰度值与可见光图像灰度值及典型目标可见、近红外波段反射率之间的关系,提出一种基于可见光图像及目标反射率反演近红外图像的算法.在近红外图像反演过程中考虑了大气透过率的影响,反演结果表明,本文算法可以较好地体现典型目标近红外图像的全局特征,为后续不同天气条件下近红外场景仿真的实现提供参考.     

植物叶片可见与近红外光谱反射率数据库的建立与主成分分析

可见与近红外波段光谱反射率数据库是颜色科学与技术和遥感目标地物分类识别领域等研究与应用的基础数据。主成分分析(PCA)在光谱数据分析、光谱重建、高光谱数据降维以及遥感图像分类等方面有广泛应用。测量并建立了云南公园常见绿化植物柳树、樟、红花檵木、蓝花楹等48种植物150条叶片从可见光到近红外波段光谱反射率数据库,波长范围400～1 000 nm、间隔4 nm。并且分别对可见与可见到近红外两种波段范围进行PCA研究。结果表明：不同植物叶片按照红、绿、黄相同色相的光谱反射率曲线基本相似;但对于同一种植物,在可见光波段400～700 nm,因为体内叶绿素、叶黄素、叶红素和花青苷含量的不同,光谱反射率曲线有较大的差异;在近红外波段700～1 000 nm,所有植物叶片光谱反射率仅仅是大小不同,而同一植物光谱反射率基本不随波长变化。PCA分析表明：在可见光和可见与近红外波段前三个主成分的累积贡献率分别达到98.62%和94.97%。数据库及其PCA分析结果将为自然物体光谱重建、多光谱成像技术和遥感目标地物分类识别等领域应用提供支撑。     

应用高光谱成像技术鉴别绿茶品牌研究

应用高光谱成像技术,基于光谱主成分信息和图像信息的融合实现名优绿茶不同品牌的鉴别。首先采集6个品牌名优绿茶在380～1 023 nm波长范围的512幅光谱图像,然后提取并分析绿茶样本的可见近红外光谱响应特性,结合主成分分析法找到了最能体现这6类样本差异的2个特征波段(545和611 nm),并从这2个特征波段图像中分别提取12个灰度共生矩阵纹理特征参量包括中值、协方差、同质性、能量、对比度、相关、熵、逆差距、反差、差异性、二阶距和自相关,最后融合这12个纹理特征和三个主成分特征变量得到名优绿茶品牌识别的特征信息,利用LS-SVM建立区分模型,预测集识别率达到了100%,同时采用ROC曲线的评估方法来评估分类模型。结果表明综合应用灰度共生矩阵变量和光谱主成分变量作为LS-SVM模型输入可实现对绿茶品牌的鉴别。     

黄萎病棉叶光谱识别影响因素分析

通过开展光谱测试试验,对黄萎病棉叶光谱测试影响因素进行准确性分析,明确各因素对黄萎病棉叶光谱识别的影响程度,优化其光谱测试方法。结果表明:黄萎病不同严重程度下,棉叶病症部位反射率形状和大小在所有波段均高于正常部位,差异显著;白板做底板时棉叶光谱值在可见光波段略高于黑板,其他波段显著高于黑板;棉叶主茎叶影响较小,旁叶影响较大;相同或相邻叶位影响较小,不同叶位影响较大;正常叶叶位影响较小,病害叶叶位影响较大;棉叶背面光谱反射率在可见光波段高于正面,近红外波段呈先高后平再低的趋势,短波红外波段呈先高后低的趋势;不同测试时间,测试品种的棉叶光谱特征差异较小,单一条件下对病害识别的影响在可接受范围内;不同测试试验区的棉叶光谱特征差异很小,对病害识别基本无影响。各因素对黄萎病棉叶光谱识别的影响程度不同,结果可为作物病害光谱识别的研究人员提供参考。     

基于单叶反射光谱的转基因大麦光合特性分析

反射光谱分析可为植物叶片生理学过程、叶片表面及内部生化组分、结构特征等提供丰富信息。本文以转基因大麦及其原始栽培种为材料,基于单叶反射光谱检测研究了转基因大麦的反射光谱特征及指数的变化。研究结果表明,将不同大麦叶片反射率配对求得反射率比值曲线易于探查出不同大麦品系间反射光谱差异,且转基因大麦与传统对照差异较大的区域主要集中在650～700nm的红谷及红边位置附近,该波段的光谱反射率可能对外源基因的插入扰动反应敏感;而在550nm附近的绿峰及750nm以上近红外区的反射率基本无明显变化。反射光谱指数λRE,mND,SIPI,RRed/RGreen,PRI及NIRR800的差异性变化呈现出时间特性且取决于品系。如上述指数显著变化将意味着植物光合生理过程、功能及状态发生改变。     

基于近红外高光谱成像技术的干制红枣品种鉴别

为实现干制红枣的快速鉴别,提出了一种基于近红外高光谱成像技术的鉴别方法。采集四个品种共240个样本干制红枣的近红外高光谱图像(1 000～1 600 nm)。通过主成分分析法(principal component analysis,PCA)、载荷系数法(x-Loading Weights,x-LW)和连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)分别提取7个、8个和10个特征波长;基于灰度共生矩阵(gray level co-occurrence matrix, GLCM)提取第一主成分图像的纹理特征。分别以光谱特征、纹理特征、光谱和纹理融合特征作为输入,建立偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)、反向传播神经网络(back-propagation neural network,BPNN)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machines,LS-SVM)模型。结果显示,基于融合特征的模型鉴别率高于分别基于光谱特征或纹理特征的模型鉴别率;基于融合特征的BPNN模型的结果最优,对预测集样本鉴别正确率为100%。说明近红外高光谱成像技术可用于干制红枣品种的快速鉴别。     

有冰海区油膜光谱特征研究

近些年有冰海区石油的勘探、开发以及运输频度逐年上升,这增加了冰区溢油发生的风险。试验通过测量海水、碎冰、整冰等不同背景条件下轻柴油和原油油膜的可见光-近红外光谱反射率曲线,并与洁净的海水、碎冰和平整冰光谱曲线进行比较,得到能够有效识别冰区溢油的波段。测量结果表明：同一油种在不同背景下油膜的光谱反射率曲线有所差异,同一油种同一背景下由于分布形态不同光谱反射率曲线也有所差异。但同一油种的油膜仍呈现出许多区别于背景的共同特征：以海水、碎冰或整冰为背景的轻柴油油膜的光谱反射率曲线呈现“先低后高”、部分“相伴而行”的特点;海水、碎冰和整冰中原油油膜的光谱反射率曲线在750～770 nm区间出现楔状反射峰的典型特点。根据以上特点可以将溢油污染海水/海冰与洁净海水/海冰很好的区分开来,从而为遥感监测冰区溢油时的波段选择和溢油识别提供参考和依据。     

利用少量波段近红外光谱图像鉴定玉米种子纯度

为实现玉米杂交种的自动化快速分选,提出了应用少量近红外波段光对玉米种子进行成像,获取种子光谱图像并提取纹理特征来鉴定玉米杂交种纯度的方法。采集5个玉米品种的母本和杂交种在4个短波近红外波段的透射光谱图像和4个中波近红外波段的反射光谱图像,采用白板标定校正光谱图像,运用中值滤波、大津法去除噪声,从背景中分割出种子,应用灰度分布统计,灰度共生矩阵提取纹理特征,对同一粒种子拼接其在各波长处的特征数据,应用主成分分析和正交线性判别分析降维并获得子空间的最佳可分性,使用支持向量机建立透射和反射光谱图像纯度鉴定模型。透射和反射模型对5个玉米品种平均正确鉴别率均在85%以上。表明利用少量波段的近红外光谱图像鉴定玉米杂交种纯度是可行的。     

基于光谱技术的水稻稻纵卷叶螟受害区域检测

利用光谱技术探索了水稻稻纵卷叶螟虫害的检测。通过分析田间水稻稻纵卷叶螟受害区和对照区冠层反射光谱和一阶微分光谱特征差异发现,可见光区(400~700 nm),550 nm附近中度受害水稻冠层反射率明显低于对照冠层反射率值,重度受害水稻冠层反射率则高于对照区冠层反射率;水稻受害时,叶片受损及干枯导致叶绿素含量降低,对红光波段(600~700 nm)的吸收减小。近红外区(750~770 nm)范围内,受害水稻冠层反射光谱曲线均不同程度出现"尖峰"波动,且光谱曲线红边拐点发生"蓝移"。通过构建样本总体修正曲线,提供了直观判别广域水稻是否受稻纵卷叶螟虫害侵扰的依据。进一步探讨稻纵卷叶螟受害区定性检测参数发现,利用NIR-NDVI特征可以有效地区分对照区和受害区区域,经验证,准确率达70%。     

点钞机中夹版人民币的双波长反射比检测

提出了夹版人民币的双波长反射比检测方法。在点钞机中使用二组波长传感器来检测出一叠同版 10 0圆面额人民币中夹入的其它币种。经实测 ,其精度可达每 10 0张 10 0圆 (同版 )中夹入 2张其它币种点 2 0次 ,漏检不超过一次 ,这给金融行业点钞中的夹版鉴别带来了极大的方便     

基于荧光光谱法的钞票识别技术

以光栅光谱仪为基础,光电倍增管作为探测器,运用VC++语言设计了计算机采样界面,形成了荧光光谱分析的钞票识别光电系统。在紫光灯激发下,对钞票进行了荧光光谱特性分析,设计了基于荧光光谱分析的钞票识别光学系统、光电信号的检测和信号处理系统。测试结果表明：真假币的荧光光谱曲线有着明显的区别,它们的峰值分别为545nm和525nm。设计的荧光光电系统灵敏度高,可靠性好。     

Hyperspectral imaging of polymer banknotes for building and analysis of spectral library

The use of counterfeit banknotes increases crime rates and cripples the economy. New countermeasures are required to stop counterfeiters who use advancing technologies with criminal intent. Many countries started adopting polymer banknotes to replace paper notes, as polymer notes are more durable and have better quality. The research on authenticating such banknotes is of much interest to the forensic investigators. Hyperspectral imaging can be employed to build a spectral library of polymer notes, which can then be used for classification to authenticate these notes. This is however not widely reported and has become a research interest in forensic identification. This paper focuses on the use of hyperspectral imaging on polymer notes to build spectral libraries, using a pushbroom hyperspectral imager which has been previously reported. As an initial study, a spectral library will be built from three arbitrarily chosen regions of interest of five circulated genuine polymer notes. Principal component analysis is used for dimension reduction and to convert the information in the spectral library to principal components. A 99% confidence ellipse is formed around the cluster of principal component scores of each class and then used as classification criteria. The potential of the adopted methodology is demonstrated by the classification of the imaged regions as training samples.     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

基于光谱波段自相关的水稻信息提取波段选择

通过大田试验,使用ASD光谱仪测量水稻不同生育期的冠层光谱,将光谱以10 nm为步长进行合并,再将不同日期光谱的所有波段组合计算相关系数平方（R2）,生成R2矩阵,并绘制R2分布图。根据R2越大,光谱波段之间冗余信息越多,R2越小,水稻光谱波段信息含量越多的原则,在所有测量日期中选择出前100个R2最小值对应的波段,将这些波段进行统计分析。结果表明,可见光区域各个波段之间和红外（近红外和短波红外）区域各个波段之间都含有大量冗余信息。水稻信息量丰富的波段主要集中在可见光的长波波段,红边波段,近红外第一和第二峰值波段,以及短波近红外第一峰前区（1 530 nm附近）和第二峰值区（2 215 nm附近）。比较水稻与其他植被对于最优波段的选择,400～410,630～650和1 520～1 540 nm三个波段区间表现为水稻信息提取较为独特的波段。     

基于叶片高光谱特性分析的树种识别

高光谱遥感技术的出现将为解决森林树种的精细识别难题提供有效的途径。利用高光谱遥感技术进行树种鉴别时,光谱特征的选择及提取是个非常重要的过程。与多光谱数据相比,高光谱数据具有波段多、数据量大、冗余度大等特点。该文利用光谱微分法对原始光谱数据进行处理,分析不同树种原始光谱、光谱一阶微分和光谱二阶微分曲线图,从中选择差异较大的波段用于鉴别不同树种。最后利用欧氏距离对所选择的波段进行检验识别不同树种的效果,检验的结果显示选择的波段能有效地区分不同树种。区分不同树种的有效波段大都位于近红外波段, 并且差异最大的波段也是近红外波段,其分别为1 657～1 666和1 868～1 877 nm。     

基于马氏距离法的荒漠树种高光谱识别

地面实测地物光谱可提供细致的光谱信息,表现同种地物不同理化特性和不同种类地物光谱的微小差异,使利用光谱进行地物识别成为可能。使用美国HR-768型地物光谱仪,在塔里木河下游和吐鲁番沙漠植物园实测胡杨、柽柳、梭梭和沙拐枣高光谱数据,利用包络线去除、一阶微分和二阶微分法对原始光谱进行变换处理,使用马氏距离法确定所测树种原始光谱和变换光谱的差异显著波段,利用逐步判别法检验所选差异波段的识别效果。结果表明：马氏距离法可准确确定树种识别的最佳波段,且上述4树种光谱识别波段大多位于近红外区。原始光谱、包络线去除、一阶微分和二阶微分四种光谱对4树种的识别精度分别为：85%,93.8%,92.4%和95.5%;可见,原始光谱经变换处理可提高树种的识别精度。但不同研究对象、不同光谱处理方法,提高识别精度的效率不同。研究结果将为大尺度高光谱遥感影像用于荒漠植物分类与生境监测和评价提供依据。     

高光谱成像的垃圾分类识别研究

高光谱成像因光谱分辨率高、图谱合一、可实现快速无损检测等特点现已广泛应用于农业、医学、遥感等领域。现有的对可回收生活垃圾检测与分类的方法,都存在检测时间长,分类效率低,而大量多种垃圾无法同时快速分拣等问题。考虑到不同类别的生活垃圾由于其主要组成分子结构的差异,对不同波长的光有不同的吸收特性。高光谱图像在记录待分类垃圾的空间信息的同时,可以获得垃圾对不同波长的光的反射率光谱信息,通过建立识别分类模型对反射率光谱信息进行分析可以实现对高光谱图像中待分类垃圾的识别与分类。收集常见纸质、塑料、木质三种材料的可回收的垃圾样本,包括塑料瓶、食品包装袋、塑料玩具(饰品)碎片、一次性筷子、雪糕棒、木制家具碎片、木制包装盒、废旧课本、广告纸、办公用纸等多种物品共30个样本,进行清洗和裁剪处理,避免样本表面污渍对样本反射率产生影响。利用高光谱成像系统采集样本在近红外(780～1 000 nm)范围内的高光谱图像,其中18个样本做训练样本集,12个样本做测试样本集。对采集的样本图像数据做预处理,包括去噪声以及黑白校正反演反射率信息等处理;通过主成分分析(PCA)方法对训练样本集感兴趣区域(ROI)进行分析,提取到的特征波段为795.815,836.869,885.619,916.409,929.239,934.37,957.463,972.858和988.253 nm;在特征波段下分别提取这三种类别垃圾的参考光谱,通过光谱角度填图法(SAM)对测试样本ROI区域内提取的测试样本点集在特征波段下与参考光谱进行匹配,由匹配程度进行样本点归类,分析结果表明,测试样本集中纸制样本(A类别)、塑料样本(B类别)、木制样本(C类别)的分类准确度分别为100%,98%和100%,测试样本点集整体的分类准确度为99.33%;通过Fisher判别方法分析训练样本集得出判别函数式和判别准则,对测试样本点集分类,评价结果为A,B和C类样本分类准确度分别为100%,100%和97%,测试样本点集整体分类准确度为99%。通过SAM和Fisher两种判别方法对测试样本集的光谱图像进行目标物的检测与分类,结果表明,利用SAM判别方法在可回收垃圾的高光谱图像中实现检测与分类有更高的分类准确度,可达到99.33%。同时,也验证了使用高光谱成像进行可回收垃圾快速分类的科学性以及可行性,对未来系统化、机械化、智能化地解决生活中可回收垃圾的分类具有一定的实用意义。     

Active hyperspectral imaging with a supercontinuum laser source in the dark

An active hyperspectral imaging(HSI) system was built with a supercontinuum(SC) laser illuminator and a visible/near-infrared hyperspectral camera, which was used for object spectrum detection in the dark. It was demonstrated that the Gaussian-like distribution of the SC illuminator can still be used for accurate reflectance spectrum measurement once the illuminator was characterized in advance. The validity of active HSI results was demonstrated by comparison with passive results. Then, the active HSI system was used to acquire reflectance spectra of different objects in just one pushbroom measurement successfully. With algorithms of principal component analysis clustering and unsupervised K-means spectral classification, this active HSI system with high spectral and spatial resolutions was demonstrated to be efficient and applicable for specific spectrum detections.