宽场平谱面全息凹面光栅光谱仪的设计

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20nm/mm、空间分辨率小于25μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。     

结合多尺度空间滤波和层级网络的基于结构保持的高光谱特征选择

为了充分利用高光谱图像蕴含的丰富的光谱信息和空间信息,提出了结合多尺度空间滤波和层级网络的基于结构保持的高光谱特征选择算法.算法利用基于l2,1范数的数学模型,选出同时保存全局相似性结构和局部流形结构的特征子集;在多个尺度的窗口中使用双边滤波,自适应计算滤波核,自动在光谱数据中融入空间信息,增强了类内相似性和类间相异性,避免了参量选择;引入层级结构实现空间信息和光谱信息的深入融合,提高了分类准确度;讨论了层级数目和窗口尺度个数对分类准确度的影响.在Indian Pines和PaviaU两个数据集的实验表明,该算法在大部分地物种类上的分类准确度都有较大幅度的提升,总体分类准确度分别达到90.98%和94.20%,相比其他方法明显提高了地物分类准确度.     

干涉光谱结合偏最小二乘法反演热液CH4的研究

热液释放的高温甲烷气体经扩散作用先后进入海洋和大气，并对地球物理、化学和生物方面产生深刻影响。由于海洋溶解甲烷数据的缺乏，导致人们对深海热液释放甲烷的活动机制和环境效应还缺乏足够的认识。我们前期提出一种光学被动成像干涉系统OPIIS用于热液甲烷浓度、温度和压强的实时探测和长期观测。为了从OPIIS的干涉光谱中精确、稳定、快速的获取热液甲烷信息，采用将干涉光谱与偏最小二乘法相结合的方法处理OPIIS数据。首先分别建立三个甲烷浓度、温度和压强的单因变量预测模型，再利用干涉条纹与辐射光谱的关系，间接建立干涉光谱与甲烷浓度、温度和压强的PLS预测模型，提高了预测模型在实际应用中的抗干扰能力和稳定性。基于洛仑兹线型建立了不同于大气环境的深海气体辐射模型，并利用HITRAN2016分子光谱数据库的光谱参数，建立了深海甲烷在任意浓度、任意温度和任意压强下的辐射光谱数据库。挑选热液其他气体对甲烷探测干扰较小的甲烷泛频带1.64～1.66 μm内的六条谱线建立甲烷辐射光谱与浓度、温度和压强的偏最小二乘回归模型。另外，分析了训练集取样个数、取样间隔和主成分个数对提高预测模型综合性能的作用。利用不同训练集样本数，不同训练集取样间隔和不同的主成分数，分别建立96个浓度、温度和压强预测模型，并分别利用25组预测集样本对预测模型进行交叉验证。不同模型预测均方根误差和决定系数的对比表明，训练集取样个数、取样间隔和主成分个数等单一因素的改变并不能同时提高预测模型的预测精度、稳定性、适用范围和运算量等综合性能。经过平衡选取各项指标确定的最优回归模型的参数为：浓度、温度和压强的适用范围分别为5～375 mmol·L-1，580～678 K，10～34.5 MPa, 浓度、温度和压强的训练集取样个数分别为50组，25组，25组，采样间隔分别为5 mmol·L-1，2 K，0.5 MPa, 浓度、温度和压强预测模型的主成分数分别为2，2，5。浓度、温度和压强预测模型的预测均方根误差分别为3.082×10-6，0.977 0，5.052×10-3，决定系数分别为0.999 9，0.998 9，0.999 9。浓度、温度和压强的预测误差分别为±1.21×10-7，±3.63×10-3，±9.49×10-4，对应的预测精度分别为±45.4 nmol·L-1，±2.5 K，±3.3×10-2 MPa。结果表明，干涉光谱结合偏最小二乘法的反演算法可以精确、稳定、快速的获取热液甲烷气体的浓度、温度和压强信息。     

基于氧分子O2(a1Δg)O19P18发射谱线的平流层、中间层大气风场星载探测可行性探讨

提出并分析了以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O_2(a~1Δ_g,υ′=0)→O_2(X~3Σ_g,υ″=0)带的辐射传输模型,并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好,能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求,进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例,对以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析,结果表明40～70km高度范围内视线风速测量精度优于5m/s;适当放宽风速反演精度情况下,探测范围能够向40km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.     

一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术

为了改善光学成像中的成像质量和效率,提出一种基于压缩传感的超分辨光学三维成像技术.通过物镜、编码板、色散元件、准直镜、聚焦镜、探测器等组成前端成像系统,然后,利用稀疏重构算法在后端处理器上重构光谱数据,从而将成像运算量从前端转移到后端.同时,引入块重构、错位预处理、多帧重构技术,提高重构的准确度,减小后端处理内存,降低计算复杂度.通过仿真实验对原始数据和重构数据的光谱曲线、信噪比、光谱误差、分类识别效果等指标进行对比分析,结果表明,利用本文压缩传感技术可以实现超分辨光学三维成像,且成像质量较高,数据应用效果较好,可用于大幅宽、高分辨率、低功耗、动态目标的成像观测.     

全帧型CCD数码相机曝光时间的精确控制

提出一种全帧型CCD数码相机曝光控制方案.在测量机械快门机械延时的基础上,控制CCD触发脉冲TRG和机械快门的控制时序,使得带电子快门的CCD相机,在机械快门的配合下,CCD的感光区都能按各种设计要求的曝光时间精确曝光,从而有效的提高了照片的分辨率.该方法设计简单,不需要额外的硬件电路,可以广泛应用于带机械快门的CCD数码相机曝光时间的精确控制中.     

基于邻域分割的空谱联合稀疏表示高光谱图像分类技术研究

传统的高光谱遥感影像分类算法侧重于光谱信息的应用。随着高光谱遥感影像的空间分辨率的增加,高光谱影像中相同类别的地物在空间分布上呈现聚类特性,将空间特性有效地应用于高光谱遥感影像分类算法对分类精度的提升非常关键。但是,高光谱影像的高分辨率提供空间聚类特性的同时,在不同地物边缘处表现出的差异性更加明显,若不对空间邻域像素进行甄选,直接将邻域光谱信息引入,设计空谱联合稀疏表示进行图像分割,则分类误差较大,收敛速度大大降低。将光谱角引入空谱联合稀疏表示图像分类理论中,提出了一种基于邻域分割的空谱联合稀疏表示分类算法。该算法利用光谱角计算相邻像素的空间相似度,剥离相似度较低的邻域像素,将相似度高的邻域像素定义为同类地物,引入空谱联合稀疏表示模型中,采用子联合空间追踪算子和联合正交匹配追踪算子对其优化求解,以最小重构误差为准则进行分类。选取AVIRIS及ROSIS典型光谱影像数据进行实验仿真,从中可以看出,随着光谱角分割阈值的提高,复杂的高光谱影像分类精度和平滑区域的高光谱影像分类精度均逐步提高,表明邻域分割在空谱联合稀疏表示分类中的必要性。     

一种全帧型CCD航空相机像移补偿方法

提出一种全帧型CCD航空相机像移补偿的实现方法.应用全帧型CCD在机械快门不关闭的情况下连续曝光的特点,并根据不同的速高比控制暂停脉冲的个数和宽度,控制了CCD垂直转移的速度,使CCD在曝光的同时进行转移和读出,实现了全帧型CCD航空数码相机航向方向的像移补偿.实验数据表明：该方法能够实现全帧型CCD像移补偿的功能.