地物光谱不确定性及光谱角制图算法适用性研究

地物光谱不确定往往使同种地物光谱之间存在一定程度的差异,影响了地物的识别精度,对光谱角制图算法的地物识别效果也会产生一定的影响。光谱角制图算法(spectral angle mapper,SAM) 是基于光谱曲线整体相似性的一种算法,在高光谱遥感信息分类中应用广泛,但在计算两条地物光谱曲线的相似性时并没有考虑地物光谱不确定性的影响,因此往往会不能正确识别出目标地物。针对地物光谱的不确定性,研究了光谱角制图算法的适用性,并对光谱角制图算法进行了改进。改进的基本思路为：设置测试光谱与参考光谱各波段的光谱差异量为一相同值,并根据同种地物光谱向量之间夹角最小的原则,利用求导的方法求出光谱差异量,以克服地物光谱不确定性的影响。为了验证改进效果,利用USGS的五种高岭石标准光谱,在考虑地物光谱不确定性的情况下,分别选择局部波段和全局波段计算高岭石标准光谱之间的光谱角,并对光谱角计算结果和光谱角制图算法的适用性进行了分析。通过USGS标准矿物光谱数据的实验证明：改进的光谱角度制图算法利用光谱差异量可以有效表征同种地物光谱的差异,能够克服地物光谱不确定性的影响并提高地物识别的精度,对地物光谱不确定性具有更好的适用性,并对基本符合光谱差异向量各维值相等的局部波段组合具有更好的效果。     

一种基于多特征融合的新型光谱相似性测度

光谱相似性测度是高光谱遥感影像定量化分析和精细地物直接识别的基础,光谱特征的选择和刻画方式是光谱相似性测度的关键.研究表明,利用光谱的单一特征无法全面反应地物光谱间的相似性,光谱识别时需要综合考虑光谱的多种特征.本文在几何距离、相关系数和相对熵的基础上提出了一种结合多种光谱特征的新型光谱相似性测度,即光谱泛相似测度(s...     

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。     

联合谱域与深度域光谱相位显微方法

提出了一种联合谱域与深度域光谱相位显微方法, 该方法利用谱域相位信息克服2π歧义, 并结合深度域相位信息, 以实现高动态范围、高灵敏度的相位检测. 首先通过理论推导和信号模拟, 进行了深度域相位和谱域相位的灵敏度比较, 证明了深度域相位在灵敏度上要高于谱域相位. 进而详细介绍了联合谱域与深度域光谱相位显微方法. 最后通过盖玻片和光学分辨率板实验验证了所提出的联合谱域 与深度域光谱相位显微方法能够在实现高动态测量范围的同时保持高相位灵敏度. 关键词： 光谱相位显微方法 动态范围 灵敏度     

基于小波包分析的光谱识别方法研究

光谱信号的自动识别技术是光谱分析技术中的重要组成部分, 是指运用模式识别方法,借助计算机技术,对相同测定条件下的光谱信号进行比较,根据信号之间的相似程度,从而得出两者之间化学组成关系的技术,主要应用于光谱的定性分析,也可用于光谱的验证。文章以符合朗伯-比尔定律的光谱信号为研究对象,简单介绍了光谱识别技术的基本原理和方法,随后为简化识别难度,进行了光谱信号的归一化处理,再在概述小波分析基本原理的基础上,提出了采用小波包分析的技术对光谱信号进行相关特征提取的方法,并根据统计学知识,得出了计算标准特征向量和允许误差向量的公式,然后运用二叉树分级判别的方法,实现了光谱信号的快速识别,最后举例对该方法进行了说明。     

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。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

超高分辨率光谱定标技术发展概况

介绍了高光谱分辨率光谱定标经常采用的几种技术手段,包括谱线灯法、单色准直光法、利用可调谐激光器和气体吸收池的方法等。通过对比几种国外高光谱分辨率大气痕量气体探测仪的光谱定标技术,阐述了不同光谱定标技术的原理、实施方法以及技术特点。针对大气痕量气体探测遥感器超高分辨率光谱定标的特点,指出定标设备的带宽应能达到0．001nm的水平,同时还应考虑采取优化定标算法、结合多种光谱定标方法等措施来满足高光谱分辨率大气痕量气体探测仪光谱定标的要求。     

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...     

Dynamic spectral imaging with spectral zooming capability

We report a dynamic spectral imaging system with spectral band zooming and selection capability that can adapt to different application requirements and significantly reduce the size of the captured spectral image data cube. It employs a diffraction grating to disperse the spectral information of the captured image and uses a dynamic spatial filter at the Fourier plane to select the spectral channel and spectral bandwidth for each spectral image. With a limited fixed spectral channel number, it can provide both coarse and fine spectral image viewing and capture. A prototype spectral imaging system with such spectral band zooming and selection features has been constructed. Spectral zooming from 9 to 50 nm resolution has been demonstrated.     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

基于视觉感知的光谱评估尺度

光谱颜色复现和色度精度是评价光谱重建算法准确的基础。简单而直观的评价指标对颜色复现控制是必不可少。该指标需要同时表征复现颜色的光谱差和色度差。在研究光谱匹配评估的方法基础上,提出基于颜色视觉感知的三种光谱评估指标,通过加权人眼视觉匹配函数,实现颜色光谱差与色度的评估。通过孟塞尔颜色系统的光谱数据,该论文分析与验证三种视觉加权的评估指标的有效性。通过孟塞尔颜色系统数据,这些指标在CIELab均匀色空间中分布均匀而稳定,从而证明加权算法的评估指标是既表征到颜色感知又反映出颜色的光谱相似度。实证结果表明,加权的指标可以实现同时表征实际人眼的颜色感知和颜色光谱差异。基于人眼视觉感知的评估指标解决了颜色的原始光谱和重建光谱的光谱匹配精度的定量评价问题。所提出评价指标通过一个简单而直观的数值实现对复现颜色光谱与色度评估。     

基于光谱特征的高光谱遥感影像检索

面向海量遥感信息管理中遥感影像检索的需求,以高光谱遥感信息为例对光谱特征应用进行了探讨,提出基于光谱特征的遥感影像检索包括基于点源示例的检索和基于面源示例的检索,检索中的关键问题是光谱特征提取与相似性度量。基于光谱曲线的相似性度量可以采用光谱角和光谱信息散度进行;基于光谱特征的检索可以通过提取反射和吸收光谱、光谱特征匹配的方法进行;而光谱曲线量化指标如中心矩、分维数和信息熵等的效果较差,不适宜应用于检索。     

苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法探讨

2008年和2009年,针对苹果花期冠层光谱进行了不同天气条件、不同探测时间、不同探头高度、不同探测角度条件下的冠层反射光谱探测试验,分析其对苹果花期冠层光谱特性的影响,探索规范化的光谱探测技术方法。结果表明,苹果花期冠层在不同条件下的反射光谱响应呈现出一定的规律性,特别是在760～1 350 nm近红外波段表现尤为明显。研究发现,随着光照强度的减弱,冠层光谱反射率降低,在晴天和少云时探测冠层光谱较理想;风速在2级以下时,冠层光谱较稳定;在10:00～15:00测定冠层光谱差异较小;探测高度以整个苹果树冠层充满光谱仪探头视场时光谱曲线较稳定;探头以垂直或近似垂直观测为最佳。在此基础上,提出了苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法,为苹果冠层光谱探测及信息提取提供了科学依据。     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

基于完全波形的反射和吸收特征的非线性光谱相似性度量与检索——非线性光谱角制图

提出了一种新的光谱相似性度量方法,即非线性光谱角制图。该方法一方面利用核主成分分析(PCA)方法实现非线性变换和去除波段间的强相关性;另一方面,在变换空间中合并光谱的反射特征和吸收特征。最后,用光谱角制图方法对合并后的反射和吸收特征向量进行相似性度量。实验表明该方法在光谱相似性度量和检索中是有效的。     

Spectral efficiency analysis of OCDMA systems

We discuss several kinds of code schemes and analyze their spectral efficiency, code utilizing efficiency, and the maximal spectral efficiency. Error correction coding is used to increase the spectral efficiency, and it can avoid the spectral decrease with the increase of the length. The extended primer code （EPC） has the highest spectral efficiency in the unipolar code system. The bipolar code system has larger spectral efficiency than unipolar code system, but has lower code utilizing efficiency and the maximal spectral efficiency. From the numerical results, we can see that the spectral efficiency increases by 0.025 （b/s）/Hz when the bit error rate （BER） increases from 10^-9 to 10^-7.     

中药关键质量属性快速评价(Ⅱ):NIR光谱解析策略例证

近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIR)作为目前中药关键质量属性快速评价热门技术,广泛应用于提取、浓缩、醇沉、纯化等中药生产过程质量控制领域。由于谱带严重重叠,谱峰较宽,吸收信号弱等特征,NIR需采用化学计量学建立模型。当前,光谱解析是NIR分析的研究热点,结合作者的研究成果,率先综述国内外NIR光谱解析的研究进展及主要方法。其中包括：物质吸收的光谱差异对特征信号提取的主成分分析法;光谱波段筛选,寻找物质特征吸收波段,解析物质结构与特征波段关系的偏最小二乘法;针对扰动(温度、浓度、压力等)引起的光谱变化,通过同步、异步光谱相关峰对光谱进行分析,解析引起光谱变化的特征基团的二维相关光谱法;用量子力学方法对物质结构的能量变化进行计算,解析分子能量变化与光谱变化关系的密度泛函理论法。最后,结合实例,考虑中药组分复杂性特点,从单一药效指标成分出发,采用氘代DMSO技术指认不同浓度的绿原酸NIR吸收特征,验证金银花提取过程中在线NIR模型绿原酸成分变量筛选的可靠性,阐明间隔偏最小二乘法筛选的特征波段与绿原酸光谱特征吸收的一致性,建立了一种中药NIR关键质量属性的光谱解析策略,为中药NIR关键质量属性快速准确评价提供支撑。     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。