基于自由曲面的紧凑型宽波段成像光谱仪设计

针对基于传统光学元件的成像光谱仪,在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题,在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论,分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系,通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面,设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400～2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测,来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后,通过分束器将工作波段分为可见近红外（400～1000 nm）和短波红外（1000～2500 nm）,优化设计结果表明,光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm,成像质量良好,为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。     

宽波段高光谱成像技术在物证检验中的应用

高光谱成像技术在物证检验领域的应用具有非常重要的意义,其不仅能够记录物证的光谱特征用以分析物质成分,而且能够准确记录不同成分的空间分布情况,从而实现无损、快速、定位分析物证成分的功能。高光谱成像物证检验技术的光谱检测范围通常集中在可见-近红外区域,而现有基于高光谱成像技术的物证检测设备基本只能单独覆盖可见波段或者近红外波段,无法实现可见-近红外的宽波段检测需求。为了拓宽成像光谱仪的检测波段范围从而实现提高物证检验精度和增加物证检验种类的目的,首先分析了推扫式成像光谱仪的组成结构及工作原理,剖析了直接研制宽波段成像光谱仪的技术难度和高昂成本,最后提出了将短波段范围的400～1 000 nm可见高光谱成像仪和900～1 700 nm近红外高光谱成像仪相结合的方式实现宽波段范围的方法。通过2台高光谱成像设备线视场匹配将独立的2台设备联合作为1台设备使用,采用定标板辅助装调的方法实现2台高光谱成像仪线视场的像素级拼接,将设备拼接带来的误差降低到不影响输出结果的程度,最终研制出一种波段范围可达400～1 700 nm的可见-近红外宽波段高光谱物证检测设备。搭建实验系统,分别固定2台独立的短波段范围高光谱成像光谱仪,利用平移台带动检材沿着垂直于线视场的方向移动实现推扫,所获取的数据立方体具有400～1 700 nm的宽光谱范围, 400～1 000 nm的光谱分辨率为2.5 nm, 1 000～1 700 nm的光谱分辨率为4 nm。实验结果表明该方法的可行性,对于宽波段高光谱成像仪的研制具有指导意义,使高光谱成像仪在物证检验领域具有更高的应用价值和更广的应用范围。     

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。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

使用背照减薄型CCD的色散型超光谱成像光谱仪中近红外波段干涉条纹现象的研究与校正

使用背照减薄型CCD器件的色散型超光谱成像光谱仪在近红外波段会出现条带状干涉条纹,严重影响其在近红外波段附近的光谱分辨率。为解决该现象,建立了类似于法布里-珀罗干涉仪的多光束干涉模型,估算出700~900 nm范围内干涉条纹的强度分布并以实测数据对该模型进行了验证,分析了CCD光敏区厚度和干涉现象之间的关系。在此基础上,采用包括频域滤波在内的改进的平场校正算法,对干涉条纹的图像进行了校正,在751.83～1 010.04 nm的范围内,校正效率达到96.6%,试验结果表明,该算法可有效的消除超光谱成像光谱仪近红外波段上的干涉条纹现象,提高光谱分辨率。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

具有非罗兰圆结构的太阳极紫外正入射宽波段成像光谱仪光学设计

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40～47 nm、53～60 nm和66～73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18′,系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10^-4 nm。     

光纤光谱仪绝对光谱辐射定标新技术

在700 nm～900 nm波段范围内,用1 000℃黑体标定光纤光谱仪(200 nm～1 100 nm),获得其在该波段范围内的绝对光谱响应函数.通过测量光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的光谱响应,将700 nm～900 nm波段的响应函数推延至400 nm～700 nm波段范围,最终得到400 nm～900 nm波段内的绝对光谱响应函数.光纤光谱仪对不同色温下卤钨灯的5次测量结果表明:在550 nm～900 nm范围内,所获得的绝对光谱响应合成不确定度小于3.53%.     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

分子超光谱成像系统及其生物医学应用

设计出一种基于AOTF(acousto-optic tunable filters)的分子超光谱成像系统(MHSI).整个系统由显微镜、分光计、CCD镜头、数据采集卡和计算机等几部分组成.系统的光谱范围为550～1 000 nm,可采集225个波段,光谱分辨率优于2nm,空间分辨率达到0.3μm.由于系统的光源对样本的...     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

声光可调谐滤波器成像光谱仪实时预处理系统

为了快速实时地预处理声光可调谐滤波器（AOTF）成像光谱仪的数据,分析了AOTF成像光谱仪数据特点及预处理算法,采用数字信号处理器（DSP）作为核心器件代替传统的PC机处理平台,提出了一种基于两片ADSP-TS201的外部总线共享与链路口混合耦合的双DSP并行处理系统方案。结合实际需求,设计了流水线处理方式并合理分配预处理任务。用实验方法对系统的功能进行了验证,结果表明：双DSP并行处理系统完成一帧AOTF成像光谱仪数据的预处理仅需23.5 ms,比原有PC机处理速度提高了13倍左右,满足了实时性要求,促进了AOTF成像光谱仪系统化、模块化、小型化并兼具实时处理能力的发展。     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。     

消费级近红外相机的水稻叶片叶绿素(SPAD)分布预测

便捷可靠的作物营养诊断是作物科学施肥管理的基础,也是精准农业的核心。叶绿素含量是作物氮营养含量的重要指标。以水稻叶片为研究对象,用改造后的普通单反相机搭载滤波片的方式拍摄叶片的可见光和中心波长为650,680,720,760,850和950 nm多个波段的近红外图像,获取不同波段的相对反射率值,通过可见光与多个近红外波段结合的回归分析与比较,筛选出精度较高且稳定的模型。经过对比相机三个成像通道,R通道与叶绿素含量(SPAD值)的相关性要高于B和G通道。实验结果表明,植被指数GVI最能反映作物的生长状况,近红外波段760 nm对SPAD值的预测效果最好,最小二乘支持向量机法结合多个植被指数建模的预测精度R2为0.831 4,取得了较为理想的效果。同时使用高光谱成像仪采集水稻叶片的高光谱影像,对比消费级近红外相机成像方式下与高光谱成像方式下得到的植被指数多因子预测模型精度,两者相当。实验证明消费级近红外相机能够获得与高光谱成像仪相近的叶绿素含量估测结果。     

AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。     

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。