干涉数据光谱反演方法研究

干涉光谱仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演,常规的方法是采用傅里叶逆变换反演光谱。文章由干涉数据的基本公式入手,推导出干涉数据的混合模型,给出一种基于干涉数据混合模型的光谱反演方法。利用干涉数据对该方法及傅里叶逆变换方法进行计算机仿真,对其光谱反演结果进行对比。由仿真结果可以看出,所提方法反演的光谱精度要优于通用的傅里叶逆变换方法反演的光谱,为干涉数据光谱反演提供新的思路。     

干涉光谱成像技术发展的回顾（特邀）

干涉光谱成像仪是基于现代光学技术、光谱技术、电子技术及计算机技术发展起来的一种用于精密光学测量的强有力工具。与色散型、滤光片型光谱成像技术相比较,干涉光谱成像技术因其具有高分辨本领、高灵敏度以及高波数准确度等优势,被广泛应用于农林水体监测、大气污染监控、国土矿产勘查以及天文目标观测等领域。本文按照光程获取方式的类型,从时间调制、空间调制以及时空联合调制三个方面综述了国内外干涉光谱成像技术的研究现状,并对每种类型的代表性研究成果进行了介绍和回顾。最后,对干涉光谱成像技术的未来研究趋势进行了展望。     

空间调制干涉成像光谱技术

介绍空间调制干涉成像光谱技术，提出基于实体迈克尔干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪，推导了这种仪器的基本几何参数公式与主要误差容限计算公式，总结了其主要特点。文中还归纳出高通量大视场干涉仪原理模型。     

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.     

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。     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪干涉图获取模式研究

基于自行研制的时空混合调制型偏振干涉成像光谱仪（TSMPIIS）,提出了一种新的干涉图和光谱的获取模式,分析了干涉数据的排列方式,详细阐述了不同时刻获得的一系列干涉图组合的方法,并由TSMPIIS获得了单色光和复色光的干涉图.理想的干涉图和复原光谱充分显示了这种探测模式的优越性,如宽场、高探测灵敏度和高通量等. 关键词： 时空混合调制 偏振干涉成像光谱仪 获取模式     

干涉成像光谱技术的新发展

干涉成像光谱技术在航天遥感、资源普查和大气监测等方面有着重要作用。介绍了近几年出现的空间调制干涉成像光谱技术的原理、特点、具有代表性的方案及国外的发展现状，并和以往的成像光谱技术进行了比较，由于这种成像光谱仪没有运动部件并具有实时、稳定、高通量等优点，因此成为成像光谱技术的一个发展方向，具有非常广阔的发展前景。给出了我们的实验结果。     

关于干涉反演光谱技术能否扩大F-P干涉仪光谱范围的探讨

本文从物理学的角度提出了Fredholm第一类积分方程数值解的可靠性概念,证明了在被称为Fabry-Perot干涉反演光谱技术中,当△σ=2/x,△σ=2/σ时,若取样点数为一个适当的奇数,那么积分方程的数值解是稳定的.但是进一步的计算机模拟实验表明,该数值解不是原积分方程的可靠解,因此,干涉反演光谱技术不能扩大Fabry-Perot干涉仪的光谱范围.理论分析表明,在前述条件下,积分方程数值解不可靠的根本原因在于该积分方程本身没有唯一解.     

多光谱真温快速反演方法

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍,它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度,人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度.基于这样的背景,Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论,如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等.20...     

基于CUDA的傅里叶变换成像光谱仪数据重建

为了达到傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)数据快速重建的目的,使用GPU并行计算技术设计了基于CUDA(compute unified device architecture)的成像光谱仪快速数据重建优化算法。采用CUDA下的CUFFT库和CUDA并行计算内核,以达到加快成像光谱仪快速数据重建。结果表明,基于CUDA的并行计算技术能有效调动GPU的硬件资源,可大幅度提高光谱重建处理任务的计算效率。如果将该技术应用到更多核的并行计算工作站上,那么单台计算机完成干涉成像光谱仪数据的实时处理任务将成为可能。     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

基于同步辐射的快速扫描X射线微束荧光成像方法

在上海光源硬X射线微聚焦光束线站(BL15U1)上, 基于EPICS软件平台, 集成运动控制, 光强探测, 荧光探测等功能, 实现了"飞行"模式 (on-the-fly) X射线扫描微束荧光成像方法. 用"飞行"扫描X射线荧光成像法获得了标准镍网, 以及微量元素Cu, Zn,K, Fe在样品老鼠脾内的分布图像, 结果显示该方法不但在速度上有了极大的提高, 而且获得的元素分布图像具有高质量. 关键词： 快速扫描X射线微束荧光成像 同步辐射 微量元素分布     

Resolution and uncertainty of Laplace inversion spectrum

Laplace inversion has been widely used in analyzing nuclear magnetic resonance data to obtain a spectrum of decay time constant, such as the T(2) spectrum. However, due to the ill-conditioned nature of such inversion, it is difficult to determine the reliability and error of the resulting spectrum. This article describes methods used to analyze resolution and to obtain bounds of integral quantities of the spectrum.     

基于改进非线性拟合的核磁共振T2谱多指数反演

核磁共振T₂谱多指数反演算法是开展复杂体系样品核磁共振(NMR)弛豫研究最重要的数学工具. 常用的T₂谱多指数反演算法一般都是事先给出弛豫时间T₂分布的布点, 然后转化为线性拟合问题进行求解. 在求解的T₂谱较为分散的时候, 反演得到的T₂谱精确度不高, 分辨率较低. 非线性拟合是解决这个问题的有效办法. 本文针对分散T₂谱反演利用非线性拟合时遇到的初值依赖及运算复杂问题, 利用线性回归最小二乘方法, 改进了其中的带非负约束非线性优化模型, 将搜索的反演参数从T₂, f 减少为T₂, 加快了收敛速度, 减少了对初值的依赖, 提高了反演精度, 使算法更加稳健. 通过用改进的Levenberg-Marquardt算法和差分进化算法进行计算机模拟反演及实验数据反演, 验证了改进方法在核磁共振T₂ 谱反演中的有效性.     

基于差分进化算法的核磁共振T2谱多指数反演

提出了一种基于差分进化(DE)算法的核磁共振弛豫信号多指数反演新方法. 将核磁共振T₂谱反演问题转化为带非负约束的非线性优化问题,不需要预先给定横向弛豫时间T_{2分布,直接利用差分进化算法进行反演计算. 在测量信号低信噪比的情况下,计算机模拟和实验数据反演都表明了该方法在分析处理NMR弛豫信号中的有效性. 关键词： 核磁共振 多指数反演 差分进化 岩心分析}     

Digital optical particle sizing instrument based on Chin-Shifrin inversion

In this paper, a new optical particle-sizing instrument is presented for determination of particle sizes from 1 to 100 μm. Based on the Chin-Shifrin inversion method and digital image processing, the new system gives very accurate results for a calibrated testing sample and industrial cement particles.     

氨气激光在线检测中浓度精确反演的研究

氨气是大气中含量最为丰富的碱性痕量气体,氨浓度检测是近年来环境和农业领域的一个重要研究方向。利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合波长高频扫描技术和多次反射池技术设计了氨气激光在线检测系统。通过激光中心波长锁定、背景基线拟合、吸收线型拟合、光强归一化和线性最小二乘拟合算法实现了氨浓度的精确反演。分析了系统性能,在24.32m光程下系统检测限为0.157mg/m3。使用该浓度反演方法实现了氨气的高灵敏、高精确在线检测。     

Weighted iterative inversion method for T2 spectrum in nuclear magnetic resonance

Abstract

In traditional nuclear magnetic resonance T₂ inversion methods, the components with long T₂ absorb the components with short T₂, especially for low magnetic field intensity. As a result, the true distribution of all components often cannot be reflected by their solutions, and thus obtaining short T₂ components is an important T₂ inversion problem. Herein, a weighted iterative inversion method for T₂ spectrum in nuclear magnetic resonance is proposed to solve this problem. The weight-based method is applied to ensure that the short T₂ components are not eliminated. The weight scheme is determined by two parameters: the number of weights and maximum weight. The number of weights is determined by the rate of decay, and the maximum weight is mainly determined by three parameters: signal-noise ratio, curvature, and slope of collected signal. To avoid the mutations of results caused by weights, the iteration process was adopted to obtain the optimal solution. The proposed method provides good results, and it was verified to be robust and accurate though simulations and experiments.     

用改进的基因算法求大气压强公式

提出了一种利用改进的基因算法求大气压强精确公式的参数反演识别方法,运用基因算法反演求出由多态方程推导所得大气压强公式中的大气比热比γ,从而得到大气压强精确计算公式,并与有关文献给出的大气压强公式进行比较。结果表明,用基因算法所确定的大气压强公式所得计算值与实测值更加吻合,说明基因算法在反演问题中具有很高的应用价值,同时经数据分析得出改进基因算法比传统基因算法精度高,速度快。