非均匀采样干涉数据光谱反演技术研究

干涉光谱成像仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演才能够得到目标光谱数据,傅里叶变换方法是常规的光谱反演方法。由于干涉数据中存在非均匀采样问题,若忽略光谱混叠,直接采用快速傅里叶变换会导致反演光谱的失真,难以满足实时处理需求。针对非均匀采样干涉数据的光谱反演需求,将插值及非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法应用到光谱反演处理中,对过采样及部分欠采样情况下的非均匀采样干涉数据,提出了相应的光谱反演方法,并分析了方法的适用性。最后对过采样及部分欠采样情况下的光谱反演方法进行计算机仿真,过采样情况下采用NUFFT方法反演光谱的精度要明显高于插值方法,而部分欠采样情况下插值方法反演光谱的精度要明显高于NUFFT方法,并对欠采样造成的光谱混叠有一定的修正,验证了方法的有效性。     

基于小波变换的干涉光谱信号检测与校正方法

傅里叶变换光谱仪通过获取待测光的干涉信号来反演光谱信息,是重要的光谱测试与分析仪器。受光电探测电路不稳定、干涉模块装调不到位等因素的影响,傅里叶变换光谱仪获得的干涉光谱信号会出现漏采点、过饱和点、噪声点等无效数据点,导致反演的光谱信号出现失真。为此,研究了一种基于小波变换的干涉光谱信号检测方法,该方法能够快速有效地定位干涉信号中多种无效数据点的位置;在此基础上,研究了干涉光谱信号的校正方法,根据无效点所在区间段的信号特征,通过样条插值方法进行数据拟合,校正干涉光谱信号。通过仿真验证了本方法的可行性;搭建了近红外波段傅里叶变换光谱实验系统,并基于该系统进行验证性实验,对获得的干涉信号进行检测与校正,提高了反演光谱信号的准确性。     

空间调制型干涉光谱成像仪数据处理方法

干涉型光谱成像技术是一种新型的光谱成像技术,近些年来发展迅速。干涉成像光谱仪获得的是间接数据干涉图,不能被用户直接使用,需要进行干涉数据反演处理,包括数据预处理(干涉图修正)、切趾、相位修正、傅里叶变换、光谱辐射定标等一系列复杂的处理,目前国内外尚未有文献对干涉数据处理技术进行全面的分析,文章基于作者单位对此技术多年的研究,针对空间调制型干涉光谱成像仪的数据处理方法,结合环境与灾害卫星超光谱成像仪的数据,提出了一套有效的数据反演方法和流程,获得了很好的数据反演结果。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

激光单稳频指标的激光计量红外光谱仪精度分析

在傅里叶变换红外光谱仪中,采用激光计量光程差可提高光谱的测量精度。激光波长作为光程差测量的基准单位,其线宽和稳频特性直接决定了光程差的误差,进而影响光谱的测量精度。根据光谱仪的干涉原理,通过傅里叶逆变换和误差分析方法,建立了光谱测量相对误差与激光单稳频指标之间的理论模型,并对该模型进行了仿真计算。结果证明,该模型可作为设计激光计量光程差光谱仪系统的理论依据。     

基于相位相关性的傅里叶变换光谱数据的相位误差修正方法

 相位误差的校正是傅里叶变换成像光谱仪数据处理的重要环节之一。针对干涉曲线的对称性特征,利用相位相关性计算方法,提出一种新的傅里叶变换光谱数据的相位校正的方法。将相位相关性拟合为Sinc函数,计算亚像素的偏移量,采用离散余弦变换转换到光谱域。使用标准光谱库中的源光谱数据作为原始数据,将通过离散余弦变换仿真的干涉数据与该方法得到的结果进行比较和验证,并与Mertz方法进行了对比。结果表明：该方法精度优于Mertz方法,并且计算简单。     

基于自适应差分滤波的干涉图基线校正方法

基线校正是傅里叶变换成像光谱仪光谱反演的重要环节,因为干涉曲线切趾、相位校正等光谱反演预处理步骤均需要在基线校正完成后进行。提出了一种用于基线校正的自适应差分滤波方法。该方法使用迭代算法动态调整加权均值滤波窗口。仿真结果表明,该滤波方法对直流趋势项的滤除更为彻底。利用实验室仪器获取的紫外潜指纹残留物光谱数据进行分析,结果说明,在仪器工作光谱范围内,使用该方法进行基线校正后得到的光谱曲线与有效光谱曲线基本一致。该方法无需提前选择滤波窗口,具有自适应性。并且基于均值滤波算法的自适应差分滤波方法计算流程简单,迭代效率较高。     

弹光调制非等相位干涉信号的快速光谱反演算法

在弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)中,由于调制光程差的非线性,不能直接采用快速傅里叶变换(FFT)进行反演光谱,且直接计算开销过大。首先在Matlab软件中用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)对PEM非等相位干涉信号进行了软件仿真,其次设计了以TMS320C6713高性能浮点数字信号处理器(DSP)芯片为核心的光谱信息处理系统,实现了硬件上的光谱实时处理。研究表明,算法对光谱反演具有速度快、精度高等优点,1024点光谱反演的速度较直接运算的速度提高20多倍,反演精度可达0.78%。     

空间外差光谱仪相位校正方法的研究

空间外差光谱仪在应用的过程中由于各种测量原因使采集的干涉图存在相位误差。对此提出了一种改进的相位校正方法,该方法在提取单边变换光谱进行傅里叶逆变换求取干涉图相位曲线的基础上,通过拟合相位斜率求出相位误差,然后计算相位校正函数,将变换光谱与相位校正函数进行卷积来实现光谱相位校正。把该方法应用于实测单色谱与仿真水汽光谱的相位校正,实验结果显示该方法能有效的去除单色光谱边缘的低频假信号,提高干涉图的周期性和对称性;对于叠加了相位误差的连续光谱,使其校正前后的光谱与原光谱的标准偏差由0.47降为0.20,提高了光谱的准确性。     

空间外差光谱仪干涉图数据处理

空间外差光谱技术是一种新型的超分辨光谱技术。介绍了空间外差光谱仪的基本原理,并针对其特点提出了干涉图数据处理的方法。首先通过一阶差分对干涉图进行去基线处理,然后使用三角函数作为切趾函数对干涉图进行切趾,并对傅里叶变换光谱进行相位校正,最后采用已知双线光源对空间外差光谱仪原理试验装置进行波长定标。文章以Na双线与Hg谱线进行波长定标,得到了波长定标曲线。通过以上的方法对空间外差光谱仪干涉图数据进行处理,能有效地提高干涉图反演光谱的精度。     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。     

干涉光谱数据处理技术研究进展

干涉光谱成像技术是一类同时具有成像、光谱测量功能的新型信息获取技术,由于干涉光谱成像仪获取的数据是目标的干涉数据,是一种中间数据,不能为用户直接所用,必须通过数据处理技术进行处理才能得到高质量的光谱数据,最终为用户所用.文章将干涉光谱数据处理技术分为通用型和专用型两大类,首先介绍了通用型干涉光谱数据处理技术的发展历程,然后针对干涉光谱成像技术的分类,介绍了不同类型干涉光谱数据的提取方式,对近些年来国内外专用型干涉光谱数据处理技术的发展进行了分析介绍.最后,对干涉光谱数据处理技术的发展趋势进行了展望.     

基于图像二维小波多尺度分解傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶变换轮廓术测量物体三维面形时,当被测物体形状复杂或是被噪声严重污染时,导致频谱分布展宽,发生频谱混叠现象,基频提取困难,无法准确恢复物体的三维面型.提出了基于小波分解的傅里叶变换轮廓术,采用小波变换的方法对变形条纹图进行二维多尺度分解,重构被测物的背景图像,滤出图像的零频成分,得到相对变形条纹.运用小波变换与傅里叶变换轮廓术相结合的方法,只需拍摄一幅变形条纹图,将被测物体与背景分离,不受背景成分的影响,且易于基频信息的提取,降低了对滤波器的要求.实验证明该方法较好地防止了频谱的混叠问题,提高了测量范围与解相精度.     

An Interferometric Method for Detecting a Moving Sound Source with a Vector-Scalar Receiver

The paper discusses the conditions imposed on the spectrum of an emitted signal for which the interferometric method of detecting a moving sound source in shallow water is applicable for vector-scalar receivers. It is shown that a normalized spectrogram representing a two-dimensional Fourier transform of the interferometric pattern is identical for all four acoustic field components and combinations thereof. Results of a field experiment in which a vector-scalar receiver was applied are presented. The interference immunity of the method is considered for different field components in the case of isotropic interference.     

X-ray interferometric Fourier holography

An X-ray interferometric Fourier holography was proposed and theoretically investigated. X-ray Interferometric Young fringes and the reconstruction of an object image were investigated by the Fourier transform method. It was shown that on the output surface of the analyzer crystal (the third plate of the interferometer) the interference pattern of two slits gives X-ray interferometric Young fringes. An expression for the period of X-ray interferometric Young fringes was obtained. The subsequent reconstruction of the slit image as an object is conducted by means of the Fourier transform method of intensity distribution on the hologram. Three methods for reconstruction of the function of complex transmission of the object are presented: an analytical one–the approximate method, the iteration method and the step-by-step approach. As examples a recording of X-ray interferometric Fourier hologram and the reconstruction of the function of complex amplitude transmission of a beryllium circular cylinder are given.     

Comparison of results of interferometric phase extraction algorithms for three-dimensional flow-field tomography

A comparison of the results of interferometric phase information retrieval and subsequent tomographic reconstruction from deformed wavefront projections by phase unwrapping is presented. In interferogram processing, conventional fringe tracking and Fourier transform methods have been utilized for comparison. With these methods by injecting carrier fringes, the projection data of any axial cross section can be extracted in all projection directions to implement three-dimensional tomographic reconstruction. The results of experiments of a simulated temperature field prove that the phase extraction based on the Fourier transform method produces tomographic reconstruction much superior to the conventional fringe tracking technique.     

基于线性调频Z变换的差分吸收光谱数据处理方法研究

差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)是一种常用的污染气体监测方法,对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声,但该算法本身会引入误差。提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform,CZT),通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化,能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上,对算法的误差进行补偿,从而进一步提高反演精度。实验配置了SO₂及NO₂进行浓度反演,结果表明,直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定,线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。模拟了SO₂和NO₂混合气体实验,频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、削弱等问题,CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。     

Interferometric Direction Finding by a Vector-Scalar Receiver

A method for interferometric direction finding of a broadband sound source in an oceanic waveguide by a single vector-scalar receiver is presented. The method is based on the double Fourier transform of the interference pattern formed during motion. The efficiencies of the proposed direction finding method and the method based on measuring the delay times of signals arriving at spaced scalar receivers are compared based on the natural experiment results. The noise immunity of the interferometric direction finding method is considered.     

Noninvasive hemoglobin measurement based on optimizing Dynamic Spectrum method

An optimizing Dynamic Spectrum method based on short-time Fourier transform for noninvasive hemoglobin measurement was proposed. A total of 187 volunteers’ spectral data and blood samples were prepared for the calibration (167 samples) and prediction (20 samples) sets. Data processing with optimizing dynamic spectrum method was set as experimental group, while control group was with classical method based on fast Fourier transform. The model for hemoglobin prediction was established with partial least square regression. In the experimental group, the average prediction correlation coefficient was 0.8399, while that of the control group was 0.6686. The results demonstrate that the optimizing method has a good accuracy improvement for noninvasive hemoglobin measurement. The optimizing dynamic spectrum method combining statistical characteristics analysis as a modified analytical method has a promising application prospect of application in noninvasive blood component measurement field.