曲线距离法的二维光纤光谱弯曲校正

多目标光纤光谱望远镜可以在一次观测中获得大量的不同天体的光谱数据。从天体探测到的光在通过光纤之后,再通过光谱仪狭缝,然后在CCD传感器中成像为二维光谱图;之后经过光纤光谱数据处理系统的一系列软件处理,最终输出可供天文界使用的一维光谱并存储起来。一维光谱是天文学家研究目标天体的主要手段,它是通过处理二维光谱图得到的。以LAMOST为例,望远镜系统在一次观测后首先会得到32幅由250条光纤光谱组成的二维光谱,然后经过一系列的处理得到一维光谱。在这个过程中,会有很多因素影响到最终一维光谱的精确度。比如由于望远镜使用时间的增加,某些元件会产生磨损、老化或变形,使得二维光谱中光纤形状会产生一定程度的弯曲,这种弯曲在二维光谱的两侧表现得尤为明显。在一幅常见的二维光谱中,纵坐标方向代表了抽取的一维光谱的波长方向,横坐标方向代表了抽取的一维光谱的流量方向,这种弯曲形变的产生会影响到之后的波长定标和流量定标,使得抽取的一维谱信息不准确。目前初步的解决办法是通过与定标灯谱的比对来尽量减少其影响。但这样不仅造成了时间和人力的浪费,而且准确率和效率不高。就这一现状,提出了一种基于曲线距离法的思想,将弯曲的二维谱线校直：首先采用灰度重心法将一幅二维光谱中的250条光纤中心轨迹进行定位,将异常点采用稳健的局部回归方法剔除;然后将中心轨迹进行曲线拟合,得到光纤中心轨迹的方程;通过模仿曲线变弯的逆过程,即保持轨迹上两点间的曲线距离不变,再将弯曲的光谱映射到竖直的法线上,完成校直过程。在整个过程中保持各个对应点的灰度值不变,通过边缘处理和插值运算解决产生的像素点稀疏问题。最后采用累加法进行一维谱抽取,并将校直后抽取的一维光谱与未校直抽取的一维光谱进行比对,比对后可发现校直前后在一维光谱的两端差别较大,其差值谱线也说明了这一点。该方法实现了二维光谱的自动校直,大大提高了抽取一维谱的效率和准确性。二维光谱的预处理和校直方法首先在LAMOST数据上进行验证,鉴于多目标光纤光谱望远镜系统原理的相似性,该处理方法也适用于其他的多目标光纤光谱望远镜系统,具有较好的参考和应用价值。     

成像光谱仪辐射测量一致性校正中插值方法选择

谱线弯曲破坏了色散型成像光谱仪光谱辐射能量采集的一致性,采用插值的办法对系统采集到的辐射能最数据依据无偏离波长定标数据重新采样,可以提高光谱辐射测量的一致性.选择恰当的插值采样方法尤为重要,直接影响校止后辐射能量偏差的剩余量,决定了校正效果的好坏.采用常用的线性、三点二次多项式、四点三次Lagrange、五点四次Lag...     

二维广义模糊熵图像阈值分割法

针对一维广义模糊熵不能有效处理含噪图像的分割问题,在二维灰度直方图上定义了图像的二维隶属度函数,提出了二维广义模糊熵阈值分割法.该方法不仅考虑了图像的点灰度值,同时考虑了图像像素的邻域平均灰度值,能更好地利用图像中的信息.为了提高二维广义模糊熵阈值法的运行速度、解决参量选取问题,结合粒子群优化搜索方法,设计了嵌套式的优化过程.实验表明,二维广义模糊熵阈值分割法对噪音图像有更好的适应性.     

二维广义模糊熵图像阈值分割法

针对一维广义模糊熵不能有效处理含噪图像的分割问题,在二维灰度直方图上定义了图像的二维隶属度函数,提出了二维广义模糊熵阈值分割法.该方法不仅考虑了图像的点灰度值,同时考虑了图像像素的邻域平均灰度值,能更好地利用图像中的信息.为了提高二维广义模糊熵阈值法的运行速度、解决参量选取问题,结合粒子群优化搜索方法,设计了嵌套式的优化过程.实验表明,二维广义模糊熵阈值分割法对噪音图像有更好的适应性.     

三维可逆混沌映射的图像加密算法

提出了一种三维可逆混沌映射图像加密算法。基于Line map二维混沌可逆映射,推导了该三维可逆映射的数学表达式。将灰度图像用一个三维矩阵数据描述,并按照所提出的算法将其组成一个二维的二进制图像。首先对此图像应用Line map二维混沌可逆映射进行像素置乱处理,然后再将置乱后的二进制图像还原成十进制的灰度图像,这样就得到了加密后的图像。所提出的方法可以通过一次三维可逆混沌映射同时实现图像加密的两个步骤,即像素置乱和像素混淆。仿真实验结果表明了该算法的有效性,且加密速度快、安全性高、简单易行。     

图像处理中二维经验模式分解的改进算法

对图像处理中二维经验模式分解(EMD)算法提出改进.在二维EMD中涉及到像素极值的选取和对极值点进行插值,在插值过程中会出现边界点变异现象.利用Delaunay三角剖分方法对选取的极值点进行分划,对不包含在Delaunay多边形内的边界像素采用对称处理,抑制了 3次样条插值过程中边界点变异现象.用改进算法对一幅图像进行EMD处理,计算得到重构图像与原始图像之间标准差为6.667X10-6,可见重构图像与原始图像之间的灰度值波动很小.实验结果表明重构图像与原始图像吻合非常好,论证了这种改进算法的准确性和可行性.EMD方法在图像压缩以及去噪过程中运用越来越广泛,因此本文的改进算法也将在基于EMD的图像处理中起到提高运算速度的作用.     

简易高斯灰度扩散模型的误差分析及适用性研究

为了验证简易高斯灰度扩散模型的适用性,与传统高斯灰度扩散模型进行了对比分析。将两种高斯模型做归一化处理,设定检验像素,分析检验像元灰度的归一化值的相对误差;进行星图模拟,得到4个不同高斯半径(σ)下灰度赋值相对误差与像点映射位置偏离值的关系曲线,整体上误差随σ的增大而减小;对星图模拟得到的系列星像点采用灰度重心法提取质心,质心误差随σ增大而减小,传统模型模拟像点的质心提取精度比简易模型高约2个数量级。无噪声条件下σ=0.671时,简易模型模拟像点最大质心误差仅为0.033pixel。仿真结果表明:单就像点外形仿真而言,当σ较小时,简易模型不再适用;但针对像点的质心定位及后续算法,简易模型带来质心误差量级可以忽略,运算量更小,适于应用。     

光谱多元分析校正集和验证集样本分布优选方法研究

分析了校正集和验证集样品数随性质分布不均匀性对光谱多元分析校正的不良影响,揭示了实际光谱多元校正中“均值化”现象,即性质值小的样本预测值结果偏大,性质值大的则偏小,提出了一种优选样品新方法—Rank-KS。其综合考虑光谱空间和性质空间对样本进行挑选,将性质空间平均分为若干小区间,在每个小区间内分别利用Kennard-Stone法和随机法进行校正集和验证集样本的挑选,这样得到的校正集和验证集可明显改善样本数随性质分布的均匀性。以红外光谱测定汽油中碳酸二甲酯(DMC)含量和近红外光谱测定二甲亚砜溶液二甲亚砜浓度为研究对象,分别采用Rank-KS、随机法、Kennard-Stone、浓度梯度法和SPXY等方法选择校正集和验证集样品,使用多元线性回归和偏最小二乘法建立模型,比较这些方法对光谱多元校正分析的影响,结果表明Rank-KS方法可改善校正集和验证集样品数随性质分布的均匀性;对于样本数分布中间局部样本多和两端局部少、或者局部没有样本的样本集,使用Rank-KS算法挑选校正集,无论使用MLR还是PLS1建立多元分析模型,均能明显改善其模型预测能力,使得到的模型的预测均方根最小。     

一种卫星平台振动光谱成像数据分块校正方法

卫星平台的振动会降低光谱成像数据的质量.以星载色散型成像光谱仪为例,介绍了其运动成像的退化机理.针对传统二维反卷积算法存在的问题以及推扫机理的特殊性,提出了一种光谱成像数据分块校正方法.该方法将分块处理、升维运算以及灰度渐变拼接相结合,将基于自然景物统计规律的图像去模糊算法运用于降质成像光谱数据的校正中.分别进行了不同目标的光谱成像退化校正仿真实验,实验结果表明,光谱成像数据质量在空间维和光谱维都有了明显提高,校正效果优于传统二维反卷积算法.     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

一种新的准确提取离散采样点光谱值的方法

在建立遥感信息反演模型中,是利用离散的采样点实测数据与相应的影像对应像元的光谱值建立关系,从而实现目标信息反演。准确提取光谱值是建立模型的关键,提取光谱值通常采用的方法是把目标点图层转化为感兴趣区ROI,然后保存ROI为ASCII。用ENVI软件依据原始坐标提取采样点光谱值,分析提取的坐标和光谱值发现,提取出的部分采样点的坐标和原始坐标不一致,即光谱值非本像元,以致基于此而建立的反演模型不能真实反映目标属性与光谱值的关系,即模型无意义。我们把像元均分为4个区域,总结规律发现只有采样点落在像元左上角区域时,提取的光谱值为本像元光谱值。在上述方法的基础上,深入研究其提取目标点坐标和光谱值的原理,并总结规律。介绍了实现提取采样点在遥感影像上对应像元光谱值的一种新方法,该方法首先是提取采样点所在像元的4个顶点坐标之一,通过对比原始坐标和提取坐标的经纬度差值判断采样点在像元中分布所属区域,采用对称原则进行调整采样点在像元中分布位置,最终使全部采样点均分布在所属像元的左上角区域,最后再次进行光谱值提取,经验证提取的光谱值准确无误。通过OLI,TM和ETM+影像验证,结果表明该方法能够有效准确提取离散点光谱值,同时原理清晰,操作简单可行,适用性较强,为遥感影像提取离散点光谱值提供了新思路。     

Analysis and study of the interlaced encoding pixels in Hadamard transform spectral imager based on DMD

The key innovation in Hadamard transform spectral imager (HTSI) introduced recently is the use of digital micro-mirror device (DMD) to encode spectral information. However, because the size of individual micro-mirrors does not match the detector pixel size or for other unavoidable errors in the optical design and the system assembling, an interlaced encoding phenomenon appears on some pixels of the encoded images obtained from the detector. These interlaced encoding pixels are not encoded based on Hadamard transform, so they should be processed specially in spectrum recovery. This paper analyzes the interlaced encoding phenomenon and proposes a positioning method and a decoding method for the interlaced encoding pixels on the encoded images. In our experiment, we direct a beam of laser into our HTSI and fill the entire field of view; by observing the column vector, which is made up of the gray values of a pixel on the encoded images from the detector in sequence, the interlaced encoding pixels can be distinguished easily and a coefficient is obtained simultaneously, which denotes the ratio of the area between the left part and the right part of the interlaced encoding pixel. By substituting the coefficient and the encoded gray values of the interlaced pixel into its encoding equation, we can recover the spectral elements of the interlaced pixel with ease. By comparing the spectral curve of the interlaced encoding pixels recovered by the method mentioned in this paper and the spectral curves of its two adjacent pixels, we find the decoding results are quite effective.     

A generalized von Karman interpolation formula

A parametrized family of three-dimensional angle-averaged spectral functions is proposed that well approximates existing formulas for the energy-containing portion of the spectrum (low-k) in free shear turbulence. The family includes the von Karman interpolation formula as a special case, and is based on it. Varying the parameter allows the height and width of the spectral peak to be varied smoothly, while maintaining the smooth interpolation between origin and inertial subrange behavior. The properties of this family of spectra are presented in a convenient non-dimensionalized form. As an example of the usefulness of the family of spectra, it is applied to the centerline turbulent energy of an axisymmetric jet in the far field to illustrate the effect of low-k spectral shape on the shift of the peak with Reynolds number (Re) when the energy is constant with Re.     

Spectral calibration in spectral domain optical coherence tomography

A novel spectral calibration method is developed for spectral domain optical coherence tomography system. The method is based on two measurements of interference spectra from two reference mirror positions. It removes the influence of dispersion mismatch, and hence accurately determines the spectral distribution on the line-scan charge-coupled device (CCD) for sequent precise interpolation. High quality imaging can be realized with this method. Elimination of the degradation effect caused by dispersion mismatch is verified experimentally, and improved two-dimensional (2D) imaging of fresh orange pulp based on the proposed spectral calibration method is demonstrated.     

基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪中交错编码像素点的研究

近年来在哈达玛变换成像光谱仪研究领域中最重要的技术革新在于数字微镜器件在这种光谱仪中的应用,但同时也带来了一些相应的技术问题需要克服。详细的描述和分析了由于数字微镜器件在哈达玛变换光谱仪中的应用导致的编码图像上的部分像素点出现的一种交错编码现象;这种特殊的像素点,编码过程不符合哈达玛变换,在光谱复原过程中需要特殊处理。针对这种交错编码像素点,提出了一种标识方法和解码方法。实验中,向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,在编码的激光图像中确定交错编码像素点的位置。然后变换编码模板上哈达玛编码码道的空间位置,采集两组针对目标的编码图像,通过观察编码图像上一个像素点的灰度值组成的列向量中非零常量与零元素的个数,可以分辨它是否是一个交错编码像素点。其中一组编码图像上交错编码像素点光谱曲线可以通过对另一组编码图像上相应位置的像素点进行哈达玛反变换得到。实线结果证明了这一方法的可行性。     

KCl晶体瞬态辐射谱时间分辨多道测量研究

报道了采用多通道光纤延迟和光学多道分析技术采集KCl晶体瞬态冲击辐射时间分辨光谱的新方法。多光纤延时耦合器由5条长度不等的光纤组成,光纤长度差决定延时时差,光纤出射光由透镜耦合进入多色仪,经色散后在面阵探测器上形成与信号光纤一一对应的光谱图形,经计算机处理获得该信号光的空间一时间分辨光谱。建立了实验装置,实现了KCl晶体冲击辐射谱时间分辨多道测量,时间分辨率达到20ns,谱强度分辨率1／18bit。     

基于拉曼成像技术的面粉中抗坏血酸添加剂定量检测研究

抗坏血酸是一种常见的面粉品质改良剂,用于改善面团的流变学特性及面包的烘焙品质。本研究以面粉中含不同浓度抗坏血酸的混合样品为研究对象,通过拉曼成像技术实现面粉中抗坏血酸的检测、识别和定量分析。分别采集面粉、抗坏血酸和面粉-抗坏血酸混合样品的拉曼图像,确定感兴趣区域及光谱范围,以抗坏血酸拉曼光谱中强度较高且区别于面粉的3处拉曼峰（631,1 128和1 658 cm-1）为依据对混合样品的平均拉曼光谱进行分析,结果显示其不能有效评估面粉中抗坏血酸含量,研究探索对图像中各像素点对应的拉曼光谱进行分析以实现面粉中抗坏血酸的有效检测。以混合样品图像中各像素点拉曼光谱作为校正集、面粉平均拉曼光谱和抗坏血酸平均拉曼光谱的线性组合光谱作为验证集建立偏最小二乘模型,模型的回归系数用于将混合样品的三维拉曼图像重建为二维灰度图像,通过阈值分割实现面粉中抗坏血酸的检测和识别,根据识别结果建立定量分析模型。结果显示,偏最小二乘模型的最高和最低回归系数分别对应于抗坏血酸和面粉的最强拉曼峰,所有回归系数应用于混合样品拉曼图像将其转换为灰度图像后面粉和抗坏血酸的像素点仍难以识别,阈值分割方法将灰度图像转换为用于分类面粉像素和抗坏血酸像素的二值图像实现了面粉中抗坏血酸的有效检测。通过分析各浓度混合样品对应子样品中识别到的抗坏血酸像素点数确定本研究对面粉中抗坏血酸的最低检测浓度为0.01%（100 mg·kg-1）,混合样品中抗坏血酸浓度同图像中识别到的抗坏血酸像素点在0.01%~0.20%范围内具有良好的线性关系,决定系数为0.996 0。研究结果可为面粉中抗坏血酸添加剂的定量检测提供方法支持,为大规模快速筛查提供了技术参考。     

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。     

一种中药荧光指纹图谱的光谱图像构建方法

利用液晶光谱仪通过光谱成像法对黄柏和人参总皂甙进行了荧光光谱图像检测,采用滤波器与像素点定位联用的方法提取有效像素点,获取它们的荧光光谱图像,绘制了相应的中药荧光指纹图谱.结合欧氏距离的判定方法,将滤波器与像素点定位联用法、像素点优选法和背景差分算法所得的荧光指纹图谱进行比较,三种方法的差异由小到大的排序为滤波器与像素点定位联用法,背景差分算法,像素点优选法.说明滤波器与像素点定位联用法所得荧光指纹图谱稳定性最好,谱线最优.实验结果表明该方法可以用于构建中药荧光指纹图谱,从而提出了一种新的用于中药指纹图谱构建中提取有效像素点的可行方法.