基于多目标极值优化法的多光谱真温反演

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。     

多目标普朗克极小值优化法的多光谱真温反演研究

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和光谱发射率。对于N个光谱通道可以构成N个方程,这N个方程中也包含一个真温、N个亮度温度和N个光谱发射率,其中亮度温度是已知量,真温和光谱发射率是未知量。由于方程组是欠定的,理论上存在着大量的解。为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型,使方程组未知数的个数降为N个,实现真温的求解。当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后,多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知,这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系,确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率,实现方程的求解。由于光谱发射率具有一定的不确定性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的,而且这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。为此,将优化的思想引入到了多光谱求解过程中,将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题,从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型,降低了系统的复杂性与难度。该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础,构造了六个目标函数,实现了真温的求解。新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高,仿真数据的误差都小于1%。借助于以往的真实测量数据,利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计.此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率.在光路中采用了光纤远传技术和光纤耦合技术,极大程度上解决了仪器核心部分的防震、防爆、防电磁干扰的问题.采用高速采集和多级放大解决了爆炸时间短、温度变化剧烈、信号难于采集的问题,同时采用无线远传的结构保证了工作人员的安全.     

温压炸药爆炸瞬态多光谱真温高温计的研究

温压炸药爆炸温度高且具有较强的破坏力,因而使其爆炸温度测试较为困难。为有效评估温压炸药的热温度毁伤效力,将多光谱温度测量系统应用到温压炸药瞬态高温测试中,利用二次测量法计算出爆炸火焰的发射率与真温。在数据采集系统中结合光纤线传感技术,在确保参试人员的安全前提下,可在500 m外测试仪器状态进行数据采集,实现了测量数据信息的远距离传递。测试结果表明,所设计的测量系统工作稳定、安全性高,具有良好的应用前景。     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制——现场实验与测量精度分析

研制了可用于大型爆炸现场的、 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计(量程为800~3 500 ℃,波长范围为0.6~1.1 μm)。测量原理进一步改进,加入亮温逼近法解决了二次测量法初值选取困难的问题,并应用此高温计在空旷场地对3 kg TNT炸药爆炸的全过程进行测量。通过实验结果的分析可知,此高温计可以测量爆炸火焰真温变化全过程,对波阵面瞬时温度与燃烧火球温度的测量均具有很好的效果。同时,分析了影响此高温计测量精度的各个因素,得出目前制约多光谱高温计测量精度提高的主要因素仍然为真温算法及标定方法的误差,这为今后研制高精度高温计明确了方向。     

用于固体火箭羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173 K(900 ℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700 K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173 K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法,并且创建了基于对数函数的900~1 173 K温区的温度标定方法,从而拓宽了高温计的温度测量范围。针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量,实验结果验证了该高温计的有效性。     

基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法

基于二次测量的多光谱辐射测温反演算法由于无需事先假设发射率模型而受到广泛关注,但需要较长的迭代时间,并且需要设定合适初始温度和发射率范围。为此提出了基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法。将二次测量法中发射率连续迭代转变为发射率偏差约束后迭代,拟合了光谱发射率偏差和温度偏差之间的函数关系,依据此函数关系确定每次迭代所产生的发射率偏差,从而迅速减小发射率搜索范围,提高计算效率。针对四种光谱发射率模型的仿真结果表明,与二次测量法相比,新算法无需设定温度初值范围,在保证反演精度的前提下,运算效率提高60%以上。     

可同时测量真温及光谱发射率的8波长高温计

基于提出的新的多光谱测温法的数据处理方法 ,研制了一种可以自动识别目标真温及光谱发射率的新型多波长高温计。其光路系统采用棱镜分光技术 ,克服了以往用光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波长的缺点 ;数据采集系统采用 SA6 8D2 2模块 ,可以实现数据的无线传输。基于提出的新的发射率假设模型 ,使得此多波长高温计可用于大多数工程材料的目标真温及光谱发射率的测量     

多光谱高温计有效波长标定方法研究

针对光纤式多光谱高温计波长标定中由于光纤耦合导致信号太弱而无法获得有效波长的问题,基于普朗克定律,充分结合不同标定温度点的标定值的比值,提出了一种由温度标定数据来确定有效波长的方法。相比于传统的有效波长标定方法,新方法避免了耗时复杂的波长标定过程可以快速获取有效波长。分别采用仿真和实验两种手段来验证新方法的可行性和有效性。仿真结果表明所提出的新方法可行并且具有一定的抗随机误差能力,所得有效波长计算的真温值与实际值的相对误差小于0.7%。实验结果表明提出的新方法能够得到各个通道的有效波长值,进一步验证了该方法的有效性。所提出的新方法也可应用于其他多光谱高温计,为多光谱高温计的研制和应用提供了理论基础。     

多光谱多点标定的CCD二维温度场重建方法的研究

以多光谱技术作为基础,针对CCD二维温度场测量的特点,提出了彩色CCD二维温度场多光谱真温在线多点标定系统。通过对多光谱辐射测温理论和CCD的测量模型的分析,推导出气体燃烧时的真温与CCD亮度之间的近似关系。使用多光谱多点测温技术计算出多点的发射率和真温并使用这些真温值完成CCD面阵上与之对应点的真温标定。将该真温标定系统应用于CO₂激光焊接火焰的二维温度场测量过程中,不但得到了波长与光谱发射率之间的变化规律同时也得到了CO₂激光焊接火焰的二维真温分布图。研究提出的多光谱标定技术具有实时性、灵活性的特点, 是一种可行的CCD在线真温多点标定与测量的方法。     

基于发射率模型约束的多光谱辐射真温反演法

温度测量是工业生产或科学实验中保证产品质量、降低生产成本和确保实验安全的重要因素之一。目前非接触的测温方法以辐射测温法为主,二次测量法是多光谱辐射测温中一种常用的方法。但是,二次测量法不适用于实时数据处理。针对此问题,基于多光谱亮度温度数学模型引入了发射率模型约束条件,提出了一种多光谱辐射真温快速反演法。对于非黑体,根据不同波长下的亮度温度的关系,得出当亮度温度在一个区间内是增函数或者常数函数时,发射率在该区间内是增函数;当亮度温度在一个区间内是减函数时,则发射率在该区间内满足一个关于发射率和波长的不等式。该发射率模型约束条件根据亮度温度的信息,将发射率假设值的构建由多类减少到一类,避免了不必要的发射率的构建。实验分别采用实际发射率随波长单调下降、单调上升、先下降再上升、先上升再下降和随机变化的具有代表性的五个被测目标,针对两个被测温度点进行了仿真对比分析。结果表明,与二次测量法相比,对于同一个被测目标,在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,新算法在保证精度的情况下,不仅所得结果相同,而且处理速度提升了19.16%～43.45%。     

基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法

多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息,通过普朗克公式反演获得真实温度。但是,通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组,是欠定方程组,即N个方程,N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ε_λi和1个待求真温T)。目前,多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型),假设模型与实际情况如果相符,则反演结果能够满足要求,如果假设模型与实际情况不符,则反演结果误差很大。但是,发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响,难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍,能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下,实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明,多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率,使得每个通道方程解得的真温都相同,如不相同则继续寻找合适的光谱发射率,直到每个通道解得的真温都相等。为此,提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题,即在光谱发射率0≤ε_λi≤1的约束条件下,通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率,带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后,计算温度反演值的方差,直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等,此时各个光谱通道的温度反演值方差最小,这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法,但为了满足Ax≥b的约束条件,将0≤ε_λi≤1分解为ε_λi≥0和-ε_λi≥-1的两个约束条件,从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下,直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象,以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性,利用Matlab的minRosen函数,选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值,提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明,新算法无需任何有关发射率的先验知识,对不同发射率模型反演结果均表现较好,在真温1 800 K的情况下,绝对误差均小于20 K,相对误差均小于1.2%,新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点,进一步完善了多光谱辐射测温理论,在高温测量领域具有良好的应用前景。     

实际气体分子间吸引相互作用对转换温度的影响

讨论了实际气体分子间吸引相互作用对焦耳汤姆孙效应转换温度和转换曲线的影响,并与 CO 2气体的实验值进行了比较。     

基于多光谱图像融合的掌纹识别方法

生物特征识别在信息安全领域发挥着重要作用,掌纹识别作为一种新型生物特征识别方式,具有低失真、非侵入性和高唯一性等优势。传统掌纹研究大多使用自然光成像系统以灰度格式获取,识别精度很难进一步提升。为了获得更多的身份鉴别信息,提出利用多光谱掌纹图像代替自然光掌纹图像。针对现有掌纹识别算法由于没有考虑到不同光谱的特性而导致纹理细节丢失,识别精准率低的问题,提出了一种基于多光谱图像融合的掌纹识别算法。该方法通过对不同光谱下的掌纹图像进行快速自适应二维经验模式分解（FABEMD）,将多光谱掌纹图像分解成一系列频率由高到低的二维固有模态函数(BIMF)和一个残余分量,残余分量可被视为该光谱图像低频信息的初步估计。图像采集过程中光照条件很难保持稳定,而近红外光谱图像在进行FABEMD分解时对光照变换敏感,容易导致分解后的BIMF背景信息过于冗余;因此对分解后的近红外掌纹图像进行背景重建及特征细化,在对背景冗余信息进行平滑处理的同时可以有效增强高频信息的特征表达。为避免直接融合处理后引发的图像过度曝光问题,提出对近红外特征压缩后再融合。此外,提出了一种结合了注意力机制的改进残差网络（IRCANet）,用于融合后的掌纹图像分类,在网络中引入分阶段残差结构,缓解了网络的退化问题,在学习过程中有效地减少信息丢失,对于融合后的多光谱掌纹图像,分阶段残差结构能够稳定地将图像信息在网络间传输,但对图像中的高低频信息区分效果不够显著,为了使网络关注更多区分性特征,利用特征通道间的相互依赖性,在分阶段残差结构中结合了通道注意力(Channel Attention)机制。最终,在香港理工大学（PolyU）多光谱掌纹数据集上进行的综合实验表明,该方法可以取得良好的效果,算法识别准确率能达到99.67%且具有良好的实时性。     

土壤光谱重建的湿地土壤有机质含量多光谱反演

土壤有机质是湿地生态系统的重要元素,利用多光谱遥感技术可大尺度、快速获取其含量信息,对保护湿地生态系统具有重要意义。然而,由于不同地物光谱混合给多光谱数据带来光谱畸变,影响湿地土壤有机质含量的反演精度。为了消除不同地物光谱混合,实现湿地土壤有机质含量的准确、实时监测,以闽江鳝鱼滩湿地为研究区,利用线性波谱分解技术对原始影像的像元进行分解,重建土壤光谱,分析原始光谱、重建光谱与土壤有机质含量的相关性后,建立土壤有机质含量的反演模型。结果表明：利用线性波谱分解技术可有效消除原始影像中的植被端元,减少大部分道路及建筑物的反射干扰,重建后的土壤光谱特征曲线更趋近于自然状态下土壤的光谱曲线,重建效果显著;通过两种光谱与土壤有机质含量的相关系数对比,重建光谱更能准确的反映土壤光谱与土壤有机质含量的相关性;运用重建光谱构建土壤有机质含量的反演模型,其预测精度优于基于原始光谱的反演模型,R2和F分别提高0.124和2.223,RMSE则降低0.106,1∶1线检验的预测值与实测值的拟合度更高,模型可行且有效。由此得出结论,利用线性波谱分解技术消除不同地物光谱混合,重建土壤光谱,一定程度上可实现在自然条件下湿地土壤有机质含量的大面积、准确检测,具有较好的实际应用价值。