基于DMD的Hadamard编码模板改进设计与光谱数据修正方法研究

介绍了一种基于DMD的Hadamard变换成像光谱仪的物理模型。以7阶S矩阵为例进行论述,通过改进编码模板的设计方案,使所有色散光谱都能被严格编码为7段。提出了一种针对复原后光谱图像的修正方法,以7阶的S矩阵编码,最终可以获得6幅质量较高的光谱图像。如以n阶的S矩阵编码,最终可以获得n-1幅质量较高的光谱图像。实验结果证明了该方案的可行性和有效性。     

基于Dyson结构的新型快照式分光成像系统光学设计

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求.快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结...     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。     

基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化

数字微镜器件(DMD)的灵活性有助于实现并行共焦成像。设计并搭建了基于DMD的并行共焦成像系统,分析了DMD光点阵列对轴向分辨率、横向分辨率和图像对比度的影响,得出了最优光点阵列参数。结果表明:光点越小,则横向和轴向分辨率越高;当光点间距大于光点大小时,增大光点间距对成像的横向分辨率无明显改善;对于1×1微镜,光点间距为光点大小的4倍时对应的图像对比度最高,即1×1光点大小、4倍光点间距为最优光点阵列。对数值孔径为0.25的物镜而言,最优光点阵列对应的横向分辨率优于512lp/mm,轴向分辨率可达7.82μm,均达到衍射极限。基于最优光点阵列的三维体光栅成像比宽场成像具有更高的分辨率和明显的层切效果,与激光扫描共焦成像相比无较大差距。基于DMD的并行共焦成像系统在保证高速成像的前提下,实现了高分辨率和高图像对比度的光学层切成像,在实时成像和三维成像中有一定的优势和应用前景。     

基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法

光谱偏振成像技术可同步测量目标的空间信息、光谱成分和偏振特性分量,在天文物理研究、大气成分的探测和生物医学等领域具有巨大的发展潜力。偏振信息的同步获取通常牺牲光谱成像的空间分辨率,为避免光谱成像空间分辨率的降低,提出基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法。利用双矩形干涉器实现双通道剪切干涉,两个通道分别进行高分辨率干涉光谱成像以及基于微偏振阵列的光谱偏振成像。分析了双通道剪切干涉以及基于微偏振阵列调制的傅里叶变换光谱偏振成像原理,论述了光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法。搭建了实验装置,对实际场景目标进行光谱偏振成像实验,获得了目标的高空间分辨率光谱图像和偏振分量信息。研究表明,该高光谱偏振成像技术可同步进行偏振成像测量和高分辨率光谱成像测量。     

自适应多光谱光声成像技术研究

光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术.在传统光声成像中,由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降,从而降低诊断的准确性.为了克服这一影响,本文提出了一种自适应多光谱光声成像技术.该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响,提高系统成像分辨率与图像对比度.此外,该系统还融合了多光谱成像技术,可在多种波长下对目标成像,从而更好地进行组织结构识别、组分分析等.实验结果表明,该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像,可极大地增强光声成像性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景.     

成像光谱仪一体化设计

随着超光谱成像技术的发展,超光谱成像光谱仪的要求也随之提高,小型化、高光谱分辨率和高空间分辨率成为发展趋势,这就要求设计者在进行仪器设计的过程中不断完善和优化设计。提出了成像光谱仪一体化设计的方法,即不单纯地进行光谱仪分光系统的设计,而是将光谱仪分光系统置于整体结构中进行整体系统设计和优化,从而实现超光谱成像光谱仪的最佳设计结果,并以近年来应用较为广泛的凸面光栅成像光谱仪为例,较为详细地阐述了成像光谱仪一体化设计方法在系统研制过程中的应用,并通过对该凸面光栅成像光谱仪的测试验证了该方法的正确性。     

基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机

基于稀疏约束的鬼成像光谱相机,能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处,使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题,提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统,实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导,得到了系统的关联函数,并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时,基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率,实现可控的信噪比。此外,还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵,从而提高图像恢复质量。     

基于数字微镜成像系统的响应曲线标定方法研究

高动态范围成像技术是当前光学成像领域的研究热点。基于数字微镜器件(DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,设计了一种DMD相机,可提高成像系统的动态范围。同时,为了合理有效地编码控制DMD,根据该成像系统的结构及成像特征,利用数学分析方法先后标定了DMD调光响应曲线和CMOS图像探测器的响应曲线,并在此基础上提出基于DMD相机的响应曲线标定方法。实验表明,该成像系统突破了普通数字相机动态范围的限制,动态范围可提高至96dB以上。同时,还完成了DMD相机响应函数的快速标定,为实现DMD掩模的自适应调整提供了重要依据。     

用于农田土壤监测的高光谱成像仪

土壤光谱分析技术具有分析速度快、成本低、无危险、无破坏、可同时反演多种成分等特点,基于高光谱成像技术可以快速获取土壤性质及其空间分布特征。本文针对农田土壤监测的需求,设计了一种无人机载高光谱成像仪,选择Offner凸光栅光谱成像系统实现了无谱线弯曲和无色畸变的设计结果。400～1 000nm波长范围内的衍射效率为15%～30%,对地成像效果清晰,在3 km飞行高度可以获得覆盖宽度为0.6km、地面分辨率为0.6 m的地物目标高光谱图像,可提供0.4～1.0μm波长范围内120个谱段的高光谱图像,光谱数据准确、稳定。结果表明,该高光谱成像仪满足设计要求且可以快速获得高精度成像光谱信息,适合用于对农田土壤的监测。     

数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低,光能利用率高及无运动部件等优势,逐渐成为光谱仪领域的研究重点。研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题,对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。首先,导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。然后,提出了两个过程来解决谱带混叠,一是通过调整DMD编码条纹,使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。最后,通过对谱线曲率半径为5.8×104,7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正,拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。结果表明： 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后,分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、并且方法简单、有效。     

基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪中交错编码像素点的研究

近年来在哈达玛变换成像光谱仪研究领域中最重要的技术革新在于数字微镜器件在这种光谱仪中的应用,但同时也带来了一些相应的技术问题需要克服。详细的描述和分析了由于数字微镜器件在哈达玛变换光谱仪中的应用导致的编码图像上的部分像素点出现的一种交错编码现象;这种特殊的像素点,编码过程不符合哈达玛变换,在光谱复原过程中需要特殊处理。针对这种交错编码像素点,提出了一种标识方法和解码方法。实验中,向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,在编码的激光图像中确定交错编码像素点的位置。然后变换编码模板上哈达玛编码码道的空间位置,采集两组针对目标的编码图像,通过观察编码图像上一个像素点的灰度值组成的列向量中非零常量与零元素的个数,可以分辨它是否是一个交错编码像素点。其中一组编码图像上交错编码像素点光谱曲线可以通过对另一组编码图像上相应位置的像素点进行哈达玛反变换得到。实线结果证明了这一方法的可行性。     

光谱分辨率可调的新型干涉成像光谱技术研究

针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题,提出了一种光谱分辨率可调的静态双折射干涉成像光谱技术.该技术的创新点之一在于,仪器的光谱分辨能力可调,且调节范围较宽.对于不同的探测目标,利用这一技术,只获取有用的光谱数据,既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要,又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用,有效缩短数据处理时间,提高系统信噪比,从而使仪器总体性能达到最优.本文给出了新技术的具体实现方案及理论模型,对核心元件—横向剪切量可调的新型双Wollaston平行平板分束器进行了光线追迹,给出了其横向剪切量的精确理论计算公式,深入分析了其分光及横向剪切量调节原理.在此基础上,研究了新技术的光谱分辨率调节特性,给出了其光谱调节范围,并对其光谱调节原理进行了实验验证.     

空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像仪

简要叙述了色散型阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,指出其存在空间信息与光谱信息的错位和光谱分辨率受阿达玛编码模板码元宽度制约的缺陷.提出空间调制干涉型阿达玛变换光谱成像技术原理及仪器,利用横向剪切干涉仪获得所有阿达玛编码光信息在不同光程差处的干涉信号,对干涉谱进行傅哩叶变换和阿达玛变换得到目标的光谱.理论分析表明,干涉图的调制度不受阿达玛模板形状、大小等因素的影响,光谱分辨率与阿达玛模板的尺寸无关,不但避免了色散型阿达玛变换光谱成像仪中空间信息和光谱信息的错位,而且高能量通过率、高空间分辨率和高光谱分辨率成像容易同时实现.     

面向生物过程的阿达玛变换近红外光谱仪

对生物过程中营养物质的消耗进行监测,有利于控制微生物的生长环境,使其始终处于最佳生长条件,从而使目标产物的产量最大化。针对酵母培养液中甘油、甲醇和葡萄糖含量的监测需求,研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform,HT)技术的近红外光谱仪。该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集,采用数字微镜(digital micro-mirror devices,DMD)进行阿达玛模板的编码调制,配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件,实现了培养液中营养物含量的实时监测。给出了光谱仪的光路设计、近红外原位探头改进设计、硬件电路和软件模块的设计。通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%,波动率为±4.28%。利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模,实验结果表明该仪器测量准确,能够满足生物过程监测的要求。     

阿达玛变换光谱成像仪光谱混叠分析及修正

叙述了阿达玛变换光谱成像仪的原理及仪器构成,对阿达玛编码模板引起的光谱混叠现象进行了分析研究.从理论上导出了光谱混叠公式,并提出了光谱修正方法,仿真实验结果表明该方法简单有效.修正后光谱图像的分辨率取决于偏离光轴最远处的码元对应的空间分量.     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽...     

量子点光谱成像技术与重建仿真

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求,克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、成本高的不足,提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前,利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制,使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型,采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、能量利用率高、体积小、光谱范围宽和成本低等优势。分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响,以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。分析得出谱段间隔越低,光谱分辨率越高;重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低;适当的提高谱段间隔,可以提高重建的准确性。将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比,可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好,验证了该技术的可行性。量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径,在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

可获得高分辨率谱线信息的新型太阳极紫外成像仪

极紫外光谱观测和诊断是研究太阳大气基本物理过程的最重要手段之一。但因为波长短,很多可见光仪器的设计方案不再适用,且极紫外观测只能在太空中开展。国际上现有卫星上的太阳极紫外成像仪和光谱仪都有各自的不足,比如极紫外成像仪不能获得高光谱分辨率的谱线信息;狭缝式光谱仪通过扫描可得到活动区域的信息,但扫描时间过长,对于研究剧烈变化的太阳活动有很大的局限性。这些不足制约了对日冕物质抛射(CME)和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究：无法看到CME在内日冕的加速过程,而且无法将可见光看到的CME现象同极紫外看到的日面源区直接联系;缺少观测目标的视向速度信息,难以识别CME的触发过程。采用多级衍射成像方式的一种新型太阳极紫外成像仪,除实现传统极紫外成像仪功能外,还可以在太阳活动变化过程中同步获得全日面各区域的光谱信息。新型成像仪可以得到高光谱分辨率数据,用于反演低日冕的等离子体视向速度,获得全日面的速度分布,与同时得到的高空间分辨率图像相结合,可以识别太阳活动现象对应的物质运动, 为空间科学研究提供数据;因为没有狭缝和运动部件,可以实现对大视场的太阳活动区域的高时间分辨率成像,有利于捕捉日面活动的快速变化。新型成像仪采用无狭缝光谱分光成像的设计理念,即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上,此过程可以看成是从某一个角度将空间和光谱数据立方体投影到一个面上,然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。多级光谱成像的光学设计与传统光谱仪最大的不同是其不存在逐行扫描的狭缝,这使得其能够同时获得大视场内太阳的空间信息和光谱信息。因为极紫外波段的特殊性,以及本仪器面向卫星遥感应用,不可能像可见光波段或者医用CT机一样实现很多衍射级的同时成像。因此,新型极紫外成像仪光学系统由反射镜、色散光栅和五个探测器组成,入射的太阳极紫外辐射经过光栅色散后分别由五个级次的探测器接收,其中四个探测器分部接收±1和±2衍射级图像,另外一个接收0级图像。空间信息可以直接从0级图像得到,而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。介绍了光学系统的设计以及反演算法,并分析了反演算法的误差。光路基于变间距光栅设计,可实现空间分辨率1.8 arcsec·pixel-1, 光谱分辨率7.8×10-3 nm·pixel-1,同时减小了体积和重量,适合空间应用。