基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为：将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明：与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。     

空间外差光谱仪光谱降噪方法研究

空间外差光谱仪是一种新式的超高分辨率光谱仪,可用于大气监测、卫星遥感等领域。为了减少空间外差光谱信号中的噪声,提出基于提升小波变换结合中值滤波方法来实现信号的降噪。改进的提升小波变换融合了一种双因子的阈值函数、分层阈值选取。与小波变换的软、硬阈值对比发现,它能提取空间外差光谱,减小峰宽和保留重要的细节特征,降噪效果优于小波变换的软、硬阈值法。最后用信噪比和均方误差两项定量指标来衡量算法的效果。实验结果表明:该算法比软阈值法在处理氙灯和积分球时信噪比提高了24.6%和31%,均方误差减少了43.2%和51.5%;与硬阈值法相比信噪比提高了21.5%和30.6%,均方误差减少了40.2%和51.2%。因此,算法在空间外差光谱降噪方面具有可行性。     

基于FFT奇异值分解的光谱信号去噪算法

微型光谱仪在采集光谱信号过程中,光谱数据经常受到来自仪器光学系统和电子电路中的干扰出现噪声和光源特征峰,严重干扰了真实光谱信号的图谱特征,因此需要使用合理的预处理方法保留光谱信号中有用信号并尽可能过滤噪声信号同时将光源特征峰滤除,从而提高光谱信息定量分析的稳健性和准确性。并且在线检测系统要求尽可能减少人为参数选择对去噪效果的影响,奇异值分解经常应用于由系统电路引起的噪声去噪,奇异值降噪阶次的选取对提高信号信噪比十分关键,但是往往参数选取主要依赖经验调试和实验验证。因此,提出了一种基于奇异值重构信号分量频率的光谱信号去噪算法。该算法首先重构原始光谱信号单个奇异值分量信号,然后对每个奇异值分量信号作快速傅里叶变换,得到每个奇异值分量信号快速傅里叶变换结果中振幅最大所对应的频率值,最后按照奇异值递减方式对相应分量信号频率值进行一阶滞后差分,得到频率差分谱,研究表明,差分谱第一个谱峰值在大于设定阈值处所对应的奇异值即为奇异值分解降噪的有效阶次。结果表明：对包含多种重金属离子的溶液在线测量的紫外可见光谱信号,添加不同强度的随机噪声,并进行去噪处理,使用信噪比和均方根误差两个性能指标进行对比。所提算法相较于SG滤波算法和小波变换去噪算法信噪比分别提高了22.05%,10.88%,均方根误差分别降低了74.28%,41.29%。所提算法完全基于数据驱动,在处理真实紫外可见光谱信号中不仅抑制了噪声影响,而且将微型光谱仪的光源特征峰有效滤除,在紫外可见光谱信号的定量分析中具有较好的应用前景。     

新型傅里叶变换光谱探测系统相位误差校正方法

为了降低基于MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的傅里叶变换光谱探测系统复原光谱仪的畸变,提高复原光谱的质量,减小系统相位误差的影响,提出了一种系统相位误差的修正方法。首先分析了基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱探测系统中相位误差的主要来源,分析结果表明：该新型傅里叶变换光谱探测系统的相位误差来源于光程差的零点漂移,该相位误差可以通过改进该系统干涉仪的结构引入过零采样并利用Mertz乘积法进行修正。搭建了光谱探测系统的实验平台,对该相位误差校正方法进行了实验验证,实验结果表明：采用了改进干涉仪并利用Mertz乘积法校正误差后的光谱探测系统所测得的复原光谱质量得到明显改善,去除了原复原谱畸变产生的负峰,且旁瓣得到明显抑制。该相位误差校正方法能够很好的降低相位误差对系统性能的影响,能够有效地提高系统的光谱探测性能。在提出的基于MEMS微镜的新型傅里叶变换光谱探测系统的基础上,分析了该系统相位误差的来源,提出了一种系统相位误差的修正方法,提高了系统的光谱探测性能。     

空间外差光谱仪干涉条纹调制度影响分析

空间外差光谱仪(SHS)所获取的干涉图像需经过傅里叶变换才能得到光谱信息.频域光谱的信噪比和光谱信号的质量很大程度上取决于干涉条纹调制度.针对干涉条纹调制度的影响因素进行了定量理论分析,包含分束器分束特性、光学系统像差(干涉组件面形误差、准直镜头输出面形误差及成像镜头调制传递函数曲线)、扩展光源及像元大小等.实验证明,空间外差光谱仪样机复原光谱实测结果与理论计算一致性较好,对干涉条纹调制度的定量分析为干涉型光谱仪各功能组件的设计提供了理论依据.     

空间外差光谱仪干涉图非均匀性校正研究

空间外差光谱仪在研制加工过程中,由于加工误差及胶合误差会使CCD接收到的干涉图存在光强分布不均匀现象,降低了变换光谱的准确性。基于对空间外差光谱仪干涉图光强非均匀性的产生机制与特点分析基础上,提出了一种干涉图非均匀性校正方法,该方法通过对实际干涉图进行单调分解、分段归一化及重新组合过程求解出光强分布函数,然后将变换光谱与光强分布函数倒数的傅里叶变换结果进行卷积来获得非均匀性校正后的光谱,最后将校正光谱进行逆傅里叶变换从而实现干涉图的非均匀性校正。将此方法应用于空间外差试验仪的近红外实测单色光干涉图的非均匀性校正,结果显示,该方法可以有效改善干涉图光强分布的非均匀性,抑制变换光谱的边频信号,通过与仿真的理想光谱对比,1 571和1 572 nm光谱校正前后噪声的减小率分别达到40.7%和24%,提高了光谱信噪比和准确性。     

FTIR被动遥测信号中的线形函数建模及补偿方法

被动遥测红外信号的精确解译,对远距离、非接触获取污染云团信息具有重要意义。然而,测量过程中的光谱畸变阻碍了这一目的的达成。针对遥测信号中的谱线畸变问题,提出了一种利用线形函数模型自适应补偿傅里叶变换红外光谱仪光谱线形函数的方法。通过对傅里叶变换光谱仪线形函数的成因分析,结合实际仪器设计参数,从理想线形函数、固有线形函数和相位误差三个方面构建线形函数模型;在此基础上,以实测畸变光谱与理论仿真光谱的均方误差作为代价函数,利用迭代优化方法实现了对实际线形函数关键参数进行估算的算法流程;将重构得到的线形函数应用于理论光谱补偿,显著减少了理论仿真光谱与实测光谱之间的差异。分析结果表明,理想线形函数主要影响谱线展宽及旁瓣幅值;固有线形函数造成向低频方向的非对称展宽;而相位误差则会造成谱峰非对称。必须在理论仿真光谱中综合考虑三种来源线形函数的贡献,才能有效建立测量光谱和待反演云团参数之间的联系。实际线形函数畸变参数的获取和补偿应用,有助于提高红外遥测信号的定量解译水平。     

非对称空间外差光谱仪自适应频率跟踪处理方法

非对称空间外差光谱技术是一种新型的超高分辨率遥感探测技术,要求后期的数据处理技术也具有相应的超高准确度.从数字信号处理的角度,提出了一种自适应的频率跟踪处理方法,根据信号的空间频率来插值补偿信号的相位偏移,并且递归迭代出最接近真实值的相位信息.经仿真实验对比验证表明,在噪声干扰强度不大的条件下,相较于传统傅里叶变换方法,本文算法对信号频率和相位提取的准确度提高了约100倍以上,能够有效降低非对称空间外差光谱技术的系统误差.     

利用2DCOS进行多组分混合气体傅里叶变换红外光谱分析中同分异构体谱峰的辨别

在利用傅里叶变换红外光谱进行混合气体定量分析中,针对烃类尤其是同分异构体等构成的混合气体其谱图特征相似、吸收峰严重交叠,不易进行特征吸收成分的判别和特征变量选择的问题,为增强谱峰分辨力,采用广义二维相关光谱和傅里叶变化红外光谱对烃类混合气体分析中同分异构体进行辨别,以异丁烷和正丁烷的红外光谱及受浓度扰动组成的光谱组为例进行二维相关红外光谱分析。通过观察全波段和主吸收峰波段单组分气体的傅里叶变换红外光谱,可知其谱图相似,吸收峰严重交叠,如果混合在一起,将基本无法辨别何种分子结构及成分。通过广义二维相关光谱的变换,其二维相关光谱的同步谱和异步谱可以清晰地辨别出异丁烷和正丁烷的特征吸收峰及其各自强度,实验结果可知,异丁烷在2 893,2 954和2 977 cm-1,正丁烷在2 895和2 965 cm-1具有强的吸收特征谱线。分析结果初步验证了二维红外相关光谱在多组分混合气体傅里叶变换红外光谱定量分析中谱分辨率增强方面的应用。     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

基于模拟退火的傅里叶变换成像光谱仪干涉图相位修正

相位修正是傅里叶变换成像光谱仪光谱复原的关键技术之一,针对现有算法对带有噪声的干涉图相位修正不足的问题,文章提出了一种基于模拟退火算法求解相位误差的修正方法.该方法通过控制相位下降函数,利用相位区间内产生的随机相位值修正干涉图数据得到同标函数值,依据Metropolis准则判断目标函数增最以确定相位最优解.该算法仿真结...     

辣木籽的傅里叶变换红外光谱鉴别研究

利用傅里叶红外光谱仪对辣木籽、松子和火麻子进行傅里叶变换红外光谱和二维相关红外光谱研究。结果显示,辣木籽、松子和火麻子的FTIR光谱在1 800~700cm~(-1)范围有差异,光谱主要由油脂、碳水化合物和蛋白质峰构成。二维相关红外光谱在960~1 300cm~(-1)范围,辣木籽有6个自动峰,松子和火麻子有2个自动峰,自动峰强度差异较大。在1 400~1 780cm~(-1)范围,三者的同步谱中自动峰的数量、强度和位置都不同。结果表明傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱能够有效的区分辣木籽、松子和火麻子。     

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%。     

光纤傅里叶变换光谱仪光谱复原技术研究

光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)干涉图的采样方式一般有两种,即单边采样方式和双边采样方式.详细介绍了在两种不同采样方式下的光谱复原技术,给出了数学表达式和计算过程,比较了两种算法的优缺点,并对单边复原算法进行了改进,提高了使用乘积法进行相位校正的效率.对研究结果进行了实验验证,用两种算法计算得到的复原谱与标准谱线进行比较,二者基本重合,证明了算法的有效性.     

空间调制傅里叶变换红外光谱仪分束器楔形误差分析

由于空间调制傅里叶变换红外光谱仪中分束器加工精度的限制,分束器基片会存在一定的楔形误差。通过对光束在分束器中传播特性的分析,计算得到楔形误差的楔角引入的光程差改变,进而获得干涉光强和复原光谱与楔角之间的函数关系;通过数值仿真发现,楔形误差会导致复原光谱中谱线向低频方向发生频移,并且会降低光谱的分辨率。通过理论分析,得到波数精度与光谱分辨率所对应的楔角误差容限。针对于楔形误差导致的干涉图像光强分布变化,提出了利用离散光谱序列解线性方程组的光谱校正方法,取得了满意的光谱校正效果。     

瞬态信号的小波变换波达方向估计

针对瞬态信号方位估计问题,提出了基于连续小波变换的多重信号分类测向算法(CWT_MUSIC)。首先由信号特征确定小波尺度参数,构造Morlet小波,对信号进行小波变换,利用获得的小波变换系数建立多分辨时频阵列信号模型,并据此模型设计基于子空间的MUSIC算法以实现瞬态信号的波达方向估计;然后对该算法的多分辨与误差性能进行分析,最后仿真实验和实际爆炸试验验证了所提出的CWT_MUSIC算法能有效地提高空间谱的分辨率和DOA估计性能。     

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。     

基于联合变换相关器的像移测量仿真分析

对基于联合变换相关器的像移测量数学原理进行了说明,介绍了面阵CCD的安装位置以及输入图像的获取方法,分析了低信噪比输入图像、相对转动位移对测量精度的影响。应用MATLAB对输入图像进行傅里叶变换得到联合功率谱,对二值化处理的功率谱进行傅里叶变换得到相关输出,用质量中心算法计算出像移量。分析得出,输入图像信噪比大于5dB,测量均方误差小于0.05像素;输入图像相对转动位移在0.1°的范围内,转动位移对测量精度和峰噪比的影响可以忽略不计。综合分析表明像移测量均方误差小于0.05像素。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

不同海拔保山小粒咖啡的红外光谱鉴别研究

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二维相关红外光谱(2D-IR)对云南保山四种不同海拔的小粒咖啡进行分析,结果显示咖啡的主要由为脂质、蛋白质、多糖和咖啡因的峰组成。不同海拔咖啡样品的FTIR光谱在整体上无明显差异,二维相关红外光谱在2 800～3 800 cm^-1范围内自动峰的数量和强度存在明显差异,高海拔咖啡自动峰数量比低海拔咖啡的要多。研究表明傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱能够快速、有效地鉴别不同海拔小粒咖啡。