多通道窄带滤光片光学特性的测试与修正

多通道窄带滤光片在多光谱成像领域具有重要应用,各通道中心波长、通带半高宽、截止带深度等指标是评价滤光片光学性能的重要参数,准确测试窄带滤光片的光谱特性对镀膜工艺及多光谱成像应用具有重要意义。针对多通道窄带滤光片光谱特性测试过程中存在的光谱串扰问题进行了分析,提出了基于显微镜和光纤光谱仪的多通道窄带滤光片光谱特性测试方法,介绍了测试原理和装置;研究了光谱分辨率对测试结果的影响规律,采用微分算子五点修正法对原始数据修正,并对修正前后的误差进行分析。文章解决了在多通道滤光片测试过程中存在的光谱串扰和光谱分辨率等问题,光谱修正结果可用于指导滤光片的生产以及为光谱成像提供准确的光谱信息。     

微型化多通道滤光片光谱串扰模型的建立和评价

多光谱成像可以从背景中凸显出目标物,但微型多通道滤光片在不同通道之间存在光谱串扰问题,影响目标的识别。通过光谱串扰分析,建立光谱串扰模型,提出光谱串扰系数,通过灰度值统计的方法定量评价光谱串扰。对已加工的一种光谱串扰程度约为16.74%的微型多通道滤光片获取的多光谱图像进行了对比分析,经过串扰模型处理后的图像与原始图像相比,其对比度有了显著的提高。实验分析结果表明,该模型对评价多通道微型多光谱滤光片的光谱串扰具有很强的针对性,对提高多光谱图像目标识别效果明显。     

多通道光谱采集系统滤光片设计方法研究

普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题,提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法,旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上,测得其透射率并转换成矩阵形式;采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分,标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能,利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明:采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合, 用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度,此外,改变目标场景颜色特性,其重建性能保持稳定。     

基于液晶可调滤光片的广角多光谱成像光学系统设计

基于液晶可调滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF)的分光原理,设计一种工作谱段为400~720nm,焦距4.5mm,视场角140°,F数为1.28的广角多光谱成像光学系统。该光学系统由前端光学镜头、LCTF和成像镜头组成,其中前端光学系统镜头将入射光束进行扩束,同时将入射光束的广角视场缩小至LCTF可接收角度范围内;LCTF利用液晶材料的电控双折射效应,实现对某一波长光信号的选择透过。根据多光谱成像系统的总体方案,对光学系统的各光学参数进行合理选取。设计结果表明,整个系统在120lp/mm的空间频率处轴上及轴外的调制传递函数MTF均大于0.4。     

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力, 快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法：(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。     

空间外差光谱仪中窄带滤光片的光谱特性研究

高光谱空间外差干涉光谱仪的光谱响应由窄带滤光片的光谱特性决定,由于窄带滤光片的制备水平与理论值存在差距,使得发生光谱展宽或波长漂移等现象,在空间外差光谱仪中形成高频和低频光谱混叠从而导致复原光谱失真。在分析滤光片对仪器光谱响应性能影响的基础上,通过在空间外差光谱仪核心干涉组件光栅的胶合过程中,根据窄带滤光片实测波长透过率曲线,利用可调谐激光器动态监测调整光谱仪基频波长的方法改善对其造成的光谱混叠。结果表明,通过实测滤光片特性调整光栅偏转角度来改变基频波长,可最大程度地有效利用仪器所能覆盖的光谱范围,根据干涉图的复原光谱信号可知试验装置的有效光谱范围从758~770.9 nm增加至756~770.9 nm。     

膜厚监控系统的光谱宽度对窄带滤光片性能的影响

讨论了膜厚监控系统的光谱宽度对波分复用窄带滤光片特性的影响,分析了监控过程中所出现的信号异常现象,其主要原因是控制光光谱宽度以及控制波长与滤光片中心波长不一致,所以控制光光谱分辨率必须小于单个法布里-珀罗滤光片最后2层膜折转点波长宽度的一半,即对100GHz的滤光片,监控系统的光谱宽度必须小于0．2nm。一旦产生中心波长偏离,就必定产生厚度控制误差。讨论了高折射率膜和低折射率膜的信号变化规律,发现当中心波长比监控波长长时,虽然信号变化规律正确,但判读到极值时的膜厚变薄。中心波长偏离越长,厚度将越薄。而当中心波长比监控波长短时,信号将出现反转。中心波长越短,反转量越大。最后指出了监控误差对滤光片Tmax和半峰全宽的影响。     

利用成像光谱技术的光纤光栅多传感器复用

根据光纤光栅多传感器复用时信号的光谱特征，提出了采用成像光谱技术对复用信号进行解调的方案。在分析了成像光谱复用方案原理、推导了其测量分辨率及复用能力等主要性能指标的基础上，给出了验证实验系统及相应实验的结果。     

小型线形可变滤光片分光的可见成像光谱仪及其特性研究

本文设计了一种使用线形可变干涉滤光片的小型成像光谱仪。使用CCD摄像头作图像传感器，通过微动平台带动线形可变干涉滤光片，横向扫描通过面阵CCD的每个像元，每扫描一步所得到的总体图像中不同列的像元是由不同波长的单色部分像元组成，随着扫描步进，这些单色部分像元的波长随之变化，最后采用图像重构的文教是到一系列单色图像（或见光波段400－700mm）。扫描间隔由所需的单色图像的光谱分辨率和各单色图像间的波长间隔来确定。经过试验证明，此成像光谱仪充分利用了线型干涉滤光片的性能，其光谱分辨率为16nm，同后者的光谱带宽相差无几，仪器的空间分辨率由成像系统和CCD来确定，论仪器装置具有结构简单，高空间分辨率，较主光谱分辨率，扫描速度快等特点，通过一个伪装识别试验，验证了仪器的性能指标。     

基于液晶可调谐滤光片的多光谱图像采集系统

多光谱遥感探测波段的细化和增加,要求提高图像的采集和传输速度,原有的波长调谐方法和接口规范已不能满足需要.提出了一种新的基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的多光谱图像采集系统.该系统的成像部分用液晶可调谐滤光片替代传统的机械转轮滤光片,这种滤光片是电可调谐的,能在 400～720 nm波长范围内快速准确地实现16个波长的任意调谐,其最快响应时间达 50 ms;系统的采集控制部分遵循支持高速数据传输的Camera Link接口规范和PCI总线标准,使得嵌入式计算机能通过程序实时控制波长调谐、相机曝光时间设置及图像采集和存储.系统具有体积小、功耗低、稳定性高、采集速度快等特点,能够在机载、艇载等平台上工作,可用于低空遥感、环境监测等领域的研究.     

基于多光谱成像技术的宫颈脱落细胞DNA定量分析研究

常用的宫颈癌筛查方法有TBS(the bethesda system)分类法和细胞DNA定量分析法两种,而同时利用多重染色方法在同一张细胞涂片上对细胞质进行巴氏染色和对细胞核进行Feulgen染色进行宫颈癌筛查的研究仍然是空白。多重染色筛查方法的难点在于非DNA物质的吸光度会干扰DNA物质的吸光度。因此建立了一套多光谱成像系统,并基于吸光度的线性叠加特性,利用多元线性回归方法建立了吸光度剥离模型,通过该模型成功地将DNA物质的吸光度剥离出来进行DNA定量分析,实现了两种常用方法的完美结合。通过一系列实验证明了,利用模型剥离出的DNA物质的吸光度与实测的DNA物质的吸光度在检验水平为1%的情况下在统计学上没有显著差异,而且实际应用测试中的统计数据也显示在置信水平为99%的情况下使用该分析方法筛查得到的四倍体细胞的DNA指数的置信区间与癌细胞的DNA指数判别区间没有交集,验证了这种基于多光谱成像技术的多重染色的DNA定量分析方法的准确性和可行性,在宫颈癌乃至其他癌症的早期诊断和筛查中有巨大的市场应用潜力与广阔的应用前景。     

基于CMOS图像传感器的微型无人机遥感系统设计

为了实现微小型无人机航空遥感,设计了一种基于CMOS图像传感器的微小型无人机的可见光遥感系统.系统采用CMOS图像传感器替代CCD,利用时序发生模块(Field-Prog Rammble Array,FPRA)实现了控制时序、数据缓存和硬件彩色插值,C8051F单片机作为主控核心,采用FLASH作为数据存储单元,设计了PAL制视频信号生成电路.介绍了所用CMOS图像传感器的特性,分析了Bayer颜色格式进行彩色插值恢复标准RGB颜色格式的硬件实现与软件算法.整个系统重量约20 g,功耗约2 W.在一款翼展800 mm的无人机上实现了遥感拍照,给出了处理后的拍照结果.     

低强度X射线影像系统的噪声分析及图像去噪处理

新型低强度X射线影像系统主要是由平板式单近贴静电聚焦X射线像增强器和CCD数据采集系统构成，根据系统的组成，分析了图像噪声来源，指出了它们的噪声整全为泊松分布规律的随机白噪声，局部也有正负脉冲干扰等特点，以此提出了处理该图像噪声的“多帧平均滤波＋极值中值滤波”的复合算法，即先根据随机噪声互不相关的特点，将多幅图像叠加平均，突出有效信息，压缩噪声。再在改进标准中值滤波基础上，采用极值中值滤波，更好地去除噪声，保留细节。通过对峰值信噪比的计算表明，该方法明优于任何单一算法，取得较好效果。     

基于运动估计和ROI编码的干涉多光谱图像压缩

根据干涉多光谱图像的谱间相关性和光谱分布特点,提出一种基于运动估计和感兴趣区域编码的干涉多光谱图像压缩方法.为了去除多光谱图像的谱间相关性,采用运动估计法,对补偿后的图像(即预测误差)进行小波变换及率失真优化截取内嵌码块编码.同时采用率失真斜率提升的感兴趣区域编码方法,更好地保护光谱信息,使图像在相同的光谱分辨率下具有更好的空间分辨率.实验结果与基于三维小波变换的压缩方法以及比特平面移位的感兴趣区域编码方法相比,本文所提方法能有效改善恢复图像质量,提高编码效率,更好地保护光谱信息.     

一种支持干涉多光谱图像ROI的压缩编码方法

提出了一种基于EBCOT(率失真优化截取内嵌码块编码)算法的矩形ROI(感兴趣区域)编码的干涉多光谱卫星遥感图像压缩方法.该方法不需要对小波域的系数进行提升,而是在码流组织时通过对多光谱区域的误差跟踪提高恢复图像的质量.误差的跟踪完全是自适应的,可以根据用户给定的恢复图像多光谱区域的峰值信噪比最低要求自动实现码流的组织,解码器不需要知道该图像是否存在ROI,而且该方法保留了EBCOT的优良特性.实验结果表明,这种编码方式在干涉多光谱卫星图像压缩中可获得非常理想的效果.     

基于垂直层叠结构的多光谱彩色传感器研究

基于垂直层叠的半导体结构是多光谱彩色传感器中的新技术,它具有抗色彩失真, 高空间分辨率, 无需彩色插值和低通滤波器以及更高的光能量利用率等优点。它的基本原理是利用不同波长的光在硅材料中穿透深度的非线性分布,即：短波长的蓝光主要在表面被吸收,长波长的红光则主要在更深的位置被吸收。目前国际上研究的结构中有使用标准晶态硅工艺制作的埋入式多pn结结构和使用PECVD方法制作的非晶硅系象素结构, 其中前者利用了标准的硅工艺, 而由于后者使用了光学性能更好的非晶硅系材料, 在结构设计上具有更大的灵活性。文章在综合了国际研究文献的基础上,对其光谱机理和象素结构进行了理论与实验分析,对性能做出了比较,并提出了下一步研究的主要方向。     

基于多光谱成像技术的水稻叶瘟检测分级方法研究

实时、可靠的植物病害检测是进行科学的植物喷药作业的基础,也是精确农作的关键技术之一。目前水稻稻瘟病害检测鉴定方法存在着专业知识要求高、花费大、效率低等缺点。文章提出了利用包含绿、红、近红外三波段通道的多光谱成像技术对水稻叶瘟病进行检测。研究目的是建立能够快速、准确分析稻叶瘟病情的检测模型,实时过滤掉背景噪声、自然枯叶等干扰因素,实现对水稻生长状况进行及时、有效、非破坏性检测。研究表明,利用多光谱成像技术提取水稻叶面及冠层图像信息,可以快速有效地检测稻叶瘟病情。通过实验建立的稻叶瘟病情检测分级模型,对于营养生长期的水稻苗瘟的识别准确率为98%,叶瘟的识别准确率为90%,为实施科学的稻叶瘟防治提供了决策支持。     

基于色差的均方误差与峰值信噪比评价彩色图像质量研究

在图像质量评价模型中加入人眼视觉系统特性能够提高其评价性能．彩色图像色差模型S—CIELAB是在考虑到了人眼视觉系统的空间模糊特性基础上得到两幅图像的色差，该文在S—CIELAB色差模型的基础上，提出了色差均方误差（CD-MSE）和色差峰值信噪比（CD—PSNR）彩色图像质量客观评价参量．对JEPG2000、加白噪音和图像传输中产生位错的三类失真共180幅彩色图像进行了CD-PSNR参量计算，并与国际上已经给出的主观评价结果进行了比较．实验结果表明其客观评价结果与平均主观评价分数具有较好的一致性．     

基于FPGA联合Sobel算法的实时图像边沿检测系统的设计与实现

边沿检测技术作为数字图像处理领域的重要一支,在目标匹配,交通管控,国防安全等多个领域有着广泛的应用,能够精确高效地实现边沿检测对于后续进行更高层次的图像识别以及图像处理有着密切的联系。为了实现实时有效的图像边沿检测提出了基于FPGA结合Sobel算法的实时图像边沿检测系统,硬件使用流水线结合并行处理的解决方案,能够有效提高图像处理的速度;算法设计采用Sobel算法,不但简化了运算同时获得了不错的检测效果。实验结果显示,系统可高效地达成实时图像边沿检测的设计目的,而且提升了图像的处理效率与边沿检测的效果,便于满足后续图像处理的要求。