星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

不同傅里叶近红外仪器间(积分球漫反射测量)的模型传递及误差分析

模型传递是近红外光谱分析技术中一个关键的共性基础技术问题,通过在同一工作原理的两台仪器之间寻求可行的数学方法, 使得在一台仪器上建立的模型能够应用于另外一台仪器样品光谱响应的预测,对近红外技术的实际应用具有重要意义。以150份烤烟作为试验样品,以两台布鲁克公司MPA近红外光谱仪,一台热电公司Antaris近红外光谱仪作为研究对象,通过积分球漫反射检测技术获得光谱数据。采用一阶导数(first-order derivative,1st Der)和标准正态变量变换(standard normal variate, SNV)对光谱数据进行处理分析,计算不同仪器间光谱的残差值、残差一阶矩、残差信号概率密度和最大信噪比等参数,并采用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)建立烤烟总糖含量数学模型,检验模型传递效果。结果表明,一阶导数具有降低残差一阶矩,将仪器偏差信号转换为标准高斯分布的优点,但同时会降低信噪比。标准正态变量变换同样可以降低一阶矩,同时可大幅度提高信噪比,但无法将仪器偏差信号转换为标准高斯分布,需要进一步的信号处理。一阶导数与SNV相结合可保留两种方法的优点,同时在一定程度上弥补每种方法单独处理的缺点,是一种可以消除以积分球漫反射作为光谱测量方式的因仪器厂家或型号不同、使用年限不同等原因所产生的噪声的处理方法,可实现傅里叶型近红外光谱仪之间的模型传递效果的明显改善。     

光谱分辨率对黑土有机质预测模型的影响

高光谱遥感以其高光谱分辨率适于反射光谱特征复杂的地物识别与参数反演,但对于反射光谱特征平滑的地物,高光谱数据可能存在数据冗余问题。本研究对实验室测定的黑土高光谱反射率进行重采样,基于统计分析方法研究了光谱分辨率对黑土有机质预测模型精度的影响,结果表明:黑土有机质含量高,土壤有机质的光谱作用范围宽(445～1 380nm);黑土有机质光谱预测模型精度随光谱分辨率降低,呈现先增后减的趋势,最优模型的光谱分辨率为50nm,低于高光谱遥感波段设置,略高于多光谱传感器波段设置;黑土有机质光谱预测最优模型以倒数对数微分为自变量,模型决定系数R2=0.799,RMSE=0.439,研究成果为土壤有机质遥感反演、光谱速测仪器的研制,以及传感器波段设置提供理论基础与技术支持。     

Spectrally-resolved white-light interferometry as a profilometry tool

Phase-shifting interferometry and white-light interferometry are reliable techniques for surface analysis in which the optical path difference has to be changed by some transducer to evaluate the phase. We present here a different procedure in which optical path modulation is completely avoided. This technique is based on the spectral analysis of white-light interferograms. By means of a spectroscopic device, a non-visible interferogram is split into its monochromatic components and absolute, unambiguous values of the phase are obtained along the spectral axis. Only one interferogram is required to obtain the profile of one-dimensional surfaces with nanometric resolution.     

基于子谱分析的白光频域OCT

为了提高频域OCT系统轴向分辨率和信噪比,提出了一种采用白光光源的频域OCT系统,研究了所用的CCD相机的横向像素数、白光光源的光谱与系统轴向分辨率之间的关系,建立了一种基于子谱分析的白光频域OCT系统。通过选择所需的白光光源及其接收频段,既能保证最大探测深度和高轴向分辨率,又能提高信噪比。实验结果验证了所提出的光源的相干长度和系统及图像轴向分辨率测量方法,证明了白光频域OCT的可行性。     

局部k最近邻加权线性回归的光谱反射率重建

现实中很多场景都需要精确的颜色表示,如纺织、印刷、艺术品扫描存档、在线商品展示等。光谱反射率是决定物体颜色的本质属性,如果知道了光谱反射率,就可以重现物体在任何光照和观测条件下的颜色。采用专业仪器测量光谱反射率有成本高、分辨率低、测量时间慢等问题。随着数码成像设备的普及,基于相机RGB响应值的光谱反射率重建算法具有重要现实意义。光谱反射率重建的目的是建立低维RGB响应值到高维光谱反射率向量的映射关系,回归方法在这一领域已取得广泛应用。由于光谱反射率向量所处的空间是嵌在高维欧氏空间中的一个低维子流形,在训练样本有限的条件下,传统的全局回归方法不能有效地学习该流形结构,往往导致过拟合,使得学习出来的模型泛化能力较差。局部线性回归方法虽然可以改善全局回归过拟合的问题,但是局部学习方法易受例外点的影响,导致拟合不足。针对这一问题,提出一种基于局部加权线性回归的光谱反射率重建方法,这种方法在一个k最近邻范围约束内,给每个局部训练样本赋予不同的权重,从而有所侧重地利用局部训练样本来估计光谱反射率。实验结果表明,基于局部k最近邻加权线性回归的方法能更有效地利用局部信息,缓解过拟合和拟合不足,更准确地重建光谱反射率。     

基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究

基于液晶调谐滤光片(LCTF)的光谱相机由于体积小、功耗低、集成方便,适合多种搭载平台,同时通过光谱反射率来识别目标物,可以有效解决同色异谱的问题,在伪装识别、精细农产品产值估计等方面有很好的应用前景。比较测量法因其能有效排除光照条件和场景背景条件的影响,重建效率较高,在光谱相机的光谱反射率重建中被普遍采用。比较测量法通常采用标准白板作为参考物,但实际应用中,经常会遇到目标场景空间位置不便放置标准白板的情况。针对这种情况,研究采用LCTF光谱相机采集的目标场景中亮度高的颜色作为参考的比较测量法进行目标物的光谱反射率重建来解决上述问题。实验以美国X-Rite的Gretg Macbeth Color Checker(MCC)色卡作为目标物,分别参考亮度高的五个不同色块,运用比较测量法完成红、绿、蓝三个色块的光谱反射率重建。将重建后三个色块的光谱反射率与采用台式分光光度计(X-Rite Color Eye7000A)测量的标准光谱反射比进行比较。结果显示,重建后的红、绿、蓝三个色块的光谱反射率曲线与用分光光度计测量的标准光谱反射率曲线的形状基本相似,每组曲线的均方根误差均小于0.05;重建的蓝色色块的光谱反射率以参考与其光谱反射比接近的蓝绿色重建的效果最好;重建的红色和绿色色块的光谱反射率以除白色外亮度最高的黄色为参考重建的效果最好;二者均比参考标准白板的反射率重建效果好。实验结果说明采用目标场景中亮度高目视效果明显的色块作为参考对象可被用来进行LCTF光谱相机的光谱反射率重建。该方法有效扩大了比较测量法以及液晶调谐光谱成像系统的应用效率。     

Aesthetic laser marking assessment using luminance ratios

In this paper, a luminous ratio was applied to evaluate four types of material surfaces; anodized aluminium, stainless steel, poly-butylene tetra-phthalate (PBT), and phenol formaldehyde, marked using a Nd:YAG laser. The luminous ratio was based on the spectral reflectance readings obtained from a spectrophotometer and computed for the case of scotopic (low illumination) and photopic (normal illumination) viewing. The method of using luminous ratios was able to produce quantitative results that determined visibility differences under photopic and scotopic viewing for stainless steel and phenol formaldehyde. The method revealed optimal marking speeds for all the materials studied; with the optimal speed found to be highest for PBT and lowest for stainless steel. By comparing the absolute luminous ratio differences at the respective optimal marking speeds, the method also revealed that markings on phenol formaldehyde and anodized aluminium had the highest and lowest visibility, respectively.     

空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究

空间外差干涉光谱技术是近年发展起来的新型静态超分辨光谱分光技术,仪器线型函数是其基本性能参数之一,代表了仪器的光谱分辨能力,需要精确表征。在分析仪器线型函数影响因素(切趾、有效视场角与离轴像元效应)以及测量方法与测量光源等特殊性要求基础上,提出了一种可调波长单色面光源的全新测量方法,并利用可调谐激光器与消散斑积分球等设备搭建了测量实验装置。在仪器线型函数测量实验中,通过选取光谱范围内的典型谱段进行高光谱(0.1 nm步长)扫描,经过干涉数据误差修正、光谱复原以及坐标归一化等数据处理过程,获取了仪器线型函数的能量分布形式。此外,利用全光谱范围内扫描的干涉数据,得到仪器线型函数的全峰半宽随波长的变化规律曲线。最后,将本方法获取的实测仪器线型函数与模拟光谱(LBL计算)进行卷积获取理论谱,并与地基探测实验获取的实测大气CO₂吸收光谱进行比对分析,两者吻合一致,验证了本方法获取的仪器线型函数具有较高的精度。     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

铝漫反射板200～300 nm相对双向反射分布函数的实验研究

选择了合适的测量方式．建立了铝漫反射板的相对双向反射向反射分布函数的测量装置。通过实验研究铝漫反射板的相对双向反射分布函数在不同情况下的性质表明：不同表面粗糙度的铝漫反射板相对双向反射分布函数随入射角度的变化趋势有所不同;表面镀A1 MgF2膜反射率可增大约1．5到3倍;相对双向反射分布函数在200～280nm之间不随波长改变,波长大于280nm时,随波长略有增加,最大13％。根据实验数据绘出的二维等值线图反映了光辐射以不同角度入射、观测角度固定情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的变化,对实验数据拟合得到在该情况下的铝漫反射板的相对双向反射分布函数的较精确的数学表达式。     

A novel variable resolution global spectral method on the sphere

A variable resolution global spectral method is created on the sphere using High resolution Tropical Belt Transformation (HTBT). HTBT belongs to a class of map called reparametrisation maps. HTBT parametrisation of the sphere generates a clustering of points in the entire tropical belt; the density of the grid point distribution decreases smoothly in the domain outside the tropics. This variable resolution method creates finer resolution in the tropics and coarser resolution at the poles. The use of FFT procedure and Gaussian quadrature for the spectral computations retains the numerical efficiency available with the standard global spectral method. Accuracy of the method for meteorological computations are demonstrated by solving Helmholtz equation and non-divergent barotropic vorticity equation on the sphere.     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性;且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型...     

琅琊山景区不同指标浓度下水质光谱差异分析

高光谱技术已广泛运用于水质检测领域。探讨不同指标浓度下水质光谱变化规律及其光谱特征,能够为水质指标遥感光谱精准识别与定量提取提供理论基础。选取琅琊山景区不同水体景观共47个典型站位进行水质指标与光谱同步测量,提取每个检测点的7个水质指标及350~950 nm波段,探讨不同浓度水质指标光谱特征变化规律,分析水质指标与光谱反射率、反射率一阶微分、任意两波段反射率比值及差值之间的关系。结果表明： 各水质指标光谱曲线变化趋势一致,但各有差异,区分度最大的波段在可见光范围;不同盐度、溶解性总固体、电导率含量的水质光谱曲线变化较为接近,含量最高的样本光谱反射率最高,且变化最显著;浊度含量较高的水质样本光谱反射率变化较显著,700~950 nm波段不同浊度含量的水质样本光谱反射率区分不明显;溶解氧浓度为4~4.9 mg·L-1的水质光谱反射率在350~900 nm波段内明显低于其余样本;在350~380 nm波段范围,光谱反射率不随叶绿素含量变化而变化,叶绿素含量接近0的样本在400~950 nm波段低于其余样本;不同蓝绿藻藻蓝蛋白含量的样本光谱曲线相比其余水质指标在350~730 nm波段变化较大,交叉点较多。此外,水质指标与原始光谱反射率相关性较低,光谱一阶微分、差值指数、比值指数与各水质指标相关性整体有所提升。该研究可为水质高光谱遥感检测提供一定的理论基础。     

A non-standard auxiliary integrating sphere and correction method for the realization of diffuse reflectance

To realize spectral diffuse reflectance scale in 0/d geometric condition at National Institute of Metrology in China (NIM), a facility based on a non-standard auxiliary integrating sphere method with special structure has been built up and a correction method for the influence on the thickness of PTFE (polytetrafluoroethylene) coating at the port of auxiliary integrating sphere is mainly discussed. The uncertainty of spectral diffuse reflectance in NIM is approximately 0.25% (k = 2) in 380–800 nm. This facility has been used to establish China diffuse reflectance scales in the VIS–NIR part of the spectrum. This system and correction method presented in this paper can be easily implemented on most commercial spectrophotometers with a lower cost.     

Recovery of Surface Reflectances Using Video Camera Image Signals under Unknown Illuminations

Estimation of surface spectral reflectance functions and colorimetric values of object colors was carried out for the image data captured by video camera under unknown illuminations. The estimation method is based on the finite-dimensional linear model of illuminants and surfaces using a single reference reflectance with known surface spectral reflectance in a scene. Experimental results showed that recovered surface spectral reflectance functions are the almost same for different illuminations. This method is useful for the colorimetric calibration of the devices, since any set of orthonormal basis vectors to represent illuminations and any set of eigen vectors derived from principal component analysis on the data set of a color chart to express surfaces of different objects can be applied to the estimation. The recovered surface reflectances were evaluated by color differences in CIE L*a*b* color space.     

基于主成分分析的光谱重建训练样本选择方法研究

训练样本构成是影响光谱重建精度的一个重要因素,针对学习型光谱重建算法中训练样本选择问题,提出了一种基于主成分分析的训练样本选择方法。为了保证训练样本与重建样本的相似度,首先根据欧式距离最小原则从待选样本集中选择与重建样本相机响应值相似的样本,并去掉其中的重复样本;然后进行主成分分析;设定阈值筛选各主成分系数较大的样本作为训练样本,最后得到与主成分个数相同的训练样本子集。为验证该方法的有效性,通过在镜头前加载宽带滤色片搭建多通道图像获取系统采集多通道图像信息,将得到的各样本子集用作训练样本,利用伪逆法重建光谱信息,最后将重建的光谱精度与常用的训练样本及训练样本选择方法得到的重建光谱精度进行比较。实验结果表明：提出的方法显著提高了光谱重建的色度精度和光谱精度,优于常用的样本选择方法,能较大程度满足高精度颜色复制要求。     

Broadband near-infrared fibers dispersion measurement using white-light spectral interferometry

A new technique for an experimental determination of the effective refractive index, group refractive index and dispersion of fibers in a broad near-infrared spectral range is presented. The method is based on a white-light spectral interference which utilizes an unbalanced Michelson interferometer. The effective refractive index is obtained by a direct fitting the cosine function to the spectral interference pattern recorded by a low resolution spectrometer. The method has been tested in the spectral range of 1000-1700 nm both with standard telecommunication fibers and a sample of a photonic fiber. The accuracy of dispersion measurement () exceeds those from the previously reported near-infrared white-light spectral interference methods.     

仪器分辨率对氧气A带被动测距的影响分析

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心,其精度直接影响到被测距离的精度,而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响,选用氧气A带为研究对象,采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率,利用随机Malkmus模型计算被测目标距离,从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。为此,搭建了被动测距实验系统,通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量,验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。首先,介绍氧气A带透过率的计算方法,计算理论值;以卤素灯为光源,利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线,计算实测大气透过率,分析光谱分辨率对单谱线的影响;然后,在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上,对透过率计算模型进行拟合、校正,验证光谱分辨率对带模型的影响。对于单条谱线,仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大,而对带平均谱线,相同波数点的光谱信号取平均,获得平均效应,使得被测谱线几乎没有变化;分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、不同的精度要求选择合适的分辨率。实验结果表明：分辨率对单谱线的透过率影响较大,随着分辨率的降低,被捕获的光谱信息点取值越少,被测目标距离相关系数越小;分辨率对带平均透过率的计算影响较小,不同分辨率下测得的目标距离,几乎重合;而仪器分辨率越高则测量时间越长,当使用带平均透过率计算被测目标距离,在精度要求范围内,可以适当降低仪器分辨率,从而极大地提高测量速度,并达到测量实时性,同时降低系统搭建的成本。该结论可为透过率测量的应用提供依据。     

用于计算机配色的反射光谱数据质量评估方法研究

基础色样的反射光谱数据质量是影响计算机配色结果的重要因素之一。目前评价配色反射光谱数据质量的方法有反射光谱检测法和K/S检测法,但这两种方法需检测每种基础色样和各个波长的反射率与K/S值,检测过程过于复杂,故不适用于光谱数据质量的快速直观检测。本文使用45°/0°和d/8°几何条件的分光光度计测量以铜版纸和银卡纸为基材的胶印油墨基础色样反射光谱数据,基于光谱检测法优化获取基础色样反射光谱数据的几何条件,提出了一种明度色度对比检测法；并对比分析了反射光谱检测法,K/S检测法和明度色度对比检测法。结果表明,45°/0°和 d/8°几何条件均可用于铜版纸基础色样反射光谱数据的测量,但45°/0°几何条件不符合银卡纸基础色样反射光谱数据的测量要求；而对于d/8°分光光度计,在包含镜面反射时,银卡纸为基材的透明白反射率小于各基色墨反射率,且青墨与品红墨反射率分别在浓度为60%开始出现异常交叉,从而导致高浓度区域光谱质量较差；而在明度色度对比检测图中,青墨与品红墨样条与参考铜版纸基础数据偏离更加明显。故须选择大于或等于各基色墨反射率的透明白,基础色样中需约束青墨与品红墨的最大浓度；以漫反射特性较好的铜版纸作为配色基材时,明度色度对比检测法检测效果较现有两种检测法更为直观。