基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统

声光可调谐滤波器(AOTF)具有体积小、波长稳定性好、扫描范围宽、调制速度快等优点,在光谱成像中被广泛应用,但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。该方法首先通过分束镜将入射光分成两束,两束光分别通过两个AOTF,而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°,由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直,因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°,45°,90°和135°的光强,在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像,最终得到Stokes偏振信息中S₀(0°和90°光强和)、S₁(0°和90°光强差)和S₂(45°和135°光强差),结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度(DoLP)和线偏振角(AoLP)实现成像。再通过对AOTF的射频驱动进行扫频,实现对被测目标不同波长偏振成像,最终实现成像光谱偏振探测。并通过对500,550和600 nm偏振成像进行实验验证。该方法具有无运动部件、无需转动、一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。     

基于3PEMs和AOTF的光谱偏振成像系统及光谱修正

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多,AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统,压缩被测目标视场角,使其满足AOTF视场角要求,并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF,以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF,在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关,可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系,进而得到CCD像元与中心波长的关系,并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明,修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级,且成像清晰,提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。     

基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术

为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

利用AOTF多光谱成像系统实现伪装目标的识别

针对传统分光器件存在移动部件以及不能快速实时选择波长的不足,搭建了用声光可调滤光器(AOTF)作为分光器件的多光谱成像系统。系统由光学镜头、AOTF、AOTF驱动器、CCD摄像机和图像采集系统组成。本系统能够在(500~1000)nm的光谱范围内成像。通过对AOTF的控制可以任意选择系统的光谱,从而有目的地选择具有典型目标特性的不同波段的光谱波长,形成同一目标在不同光谱波长下的不同图像。采用迷彩布、头盔以及自然花草进行多次目标特性识别试验,得到了能突出目标特性的具有典型光谱特性的图像。证实了基于AOTF的多光谱成像系统灵敏度高、体积小、无移动部件,并且能够快速实时地改变和选择光谱波段,在所成的多光谱图像中能提高目标与背景的对比度,对伪装目标有明显的探测和识别能力,能将伪装目标与背景区分开。     

AOTF多光谱成像系统中色差分析及硬件补偿策略

针对声光可调谐滤光器(AOTF)多光谱成像系统中存在色差,使得不同波长下成像清晰所需焦距有所差异,即使在固定波长下,由于横向(衍射方向)光谱展宽,出现横线清楚竖线模糊的现象,本文对AOTF中的色差做了具体分析,指出了成像模糊的原因。根据AOTF多光谱成像系统成像特点,进一步提出了一种改进的SSIM算法作为图像的清晰度评价函数,原算法中目标为两幅图像(一幅为参考图像,一幅为待测图像),而此算法中将目标设定为一幅图像中的相邻行进行相似度分析,明暗变化边缘相似度小说明对比度大,从而图像较为清晰。使用以此算法为核心的自动聚焦对AOTF多光谱成像系统中由色差引起的图像质量进行补偿,计算量小,速度快。通过实验验证了此补偿策略的可行性和实用性,结果表明此策略能够有效解决AOTF多光谱成像系统中因色差引起的图像模糊问题,具有重要的应用价值。     

推扫型高光谱数据光串扰校正方法研究

串扰是成像光谱仪非理想成像特性中的一种,分为电串扰和光串扰,它广泛存在于现有的成像光谱仪之中。推扫型高光谱数据的光串扰使目标像元受到临近像元的影响,目标像元光谱曲线发生变化,图像的清晰度降低。基于推扫型成像光谱仪的成像原理,提出一种针对推扫型高光谱数据的光串扰校正方法。从高光谱数据中选取包含白色定标布地物的区域作为参考数据,通过行间差值方法得到所有白色定标布像元产生的总光串扰量;对总光串扰量进行拟合以抑制噪声,并通过递归方法计算单个白色定标布像元所产生的光串扰量;使用该串扰量对整景数据进行光串扰校正。选用三景不同地物类型的PHI数据进行光串扰校正,结果显示,校正后数据的光串扰现象得到明显的抑制,数据质量在光谱维和空间维均得到有效提升。在光谱维,由光串扰引起的光谱曲线变化得到校正;在空间维,图像清晰度提高50%以上的波段数占总波段数的83%。校正方法直接从高光谱数据本身提取光串扰量,并对数据光串扰现象进行校正,不依赖于其他外部数据,且适用于不同的地物类型。该光串扰校正方法亦对实验室测定成像光谱仪的光串扰量具有借鉴意义。     

陆基高光谱成像用于核驱动模型测量与地物分类

高光谱成像是一种先进的图像获取技术，其在获得地物空间信息的同时还可以获得地物的光谱信息，得到“图谱合一”的三维图像数据。其光谱分辨率高，光谱曲线近似连续，可以有效探测用多光谱成像技术中无法探测的地物，在目标检测、地物分类与图像压缩等领域取得了广泛的应用。地物分类的分类结果是专题制图的基础数据，在军事、农业、地质等领域有重要地位了良好的效果。地物分类是指将图像中的像元赋予类别标签，即将同类地物赋予相同标签，不同类地物赋予不同标签。根据分类前是否已经获取目标的光谱信息，地物分类分为监督分类、半监督分类和无监督分类。然而，地物光谱受成像条件的影响较大，特别是陆基成像，不同成像条件的地物光谱会发生一定的改变，不再具有严格的唯一性，因此无法根据未知成像条件下的地物光谱数据进行准确分类。但是同种地物的散射系数(由特定算法获得的散射占比)具有唯一性，与成像条件或探测方向无关，不受二向反射特性的影响，只与地物类型及波长有关，是一种反映地物本质属性的物理量，因此可以作为地物的分类依据。基于陆基成像条件下测量了多种地物的散射系数，详细描述了散射系数的测量过程并且验证了核驱动模型的拟合能力。通过对比发现不同...     

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应,研制了用于可见光波段光谱调谐的大口径液晶可调滤光片,透过光谱测试表明,该滤光片在可见光波段(420~700 nm)以20 nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统,并在实验室内对若干样品进行了测试,结果表明,该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像,具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力,在生物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。     

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器（AOTF）的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5～6,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128128像元,TeO2晶体尺寸为10 mm10 mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。     

大视场声光可调谐滤波器成像光谱仪光学设计

为了在15视场角范围内获得工作谱段范围在400 nm~ 900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的二维空间信息以及一维光谱信息,设计了一种应用于AOTF 成像光谱仪的光学系统。介绍AOTF的工作原理,根据AOTF 成像光谱仪总体方案,对前置系统及后置成像系统进行了设计。设计中前置系统采用倒置的伽利略望远镜结构,后置成像系统采用改进的库克三片式结构。最终完成了一个焦距为19.311 mm,F数为12.3,在34 lp/ mm 的空间频率下各视场调制传递函数( MTF) 均值大于0.5的光学系统。     

结合光谱图像技术和SAM分类法的甘蓝中杂草识别研究

杂草自动识别技术是实现变量喷洒、精准施药的关键,更是制约其实现的瓶颈,因此,准确、快速、无损地实现杂草自动识别已成为精准农业的一个重要研究方向。利用高光谱成像系统采集甘蓝幼苗及小藜、稗草、牛筋草、马唐和狗尾草等五种杂草在1 000～2 500 nm波长区间的高光谱图像数据,在ENVI中经过MNF变换对数据降噪、去相关,并将波段维数从256维降到11维,通过提取感兴趣区域获得标准光谱,最后利用SAM分类法识别甘蓝与杂草,光谱角弧度阈值为0.1弧度时,分类效果良好。在HSI Analyzer中选择训练像元获得标准光谱后,利用SAM分类法识别甘蓝与杂草,并利用人工分类图与SAM分类图比较定量度量杂草的识别正确率,结果表明,当参数设置为5点平滑、0阶导数和7度光谱角度时,分类效果最佳,杂草识别率为80.0%,非杂草类识别率为97.3%,总体识别率为96.8%。应用光谱图像技术与SAM分类法相结合的方法进行杂草检测,充分利用了光谱和图像的融合信息,该方法应用空间的分类算法来建立光谱判别方法的训练集,在像素级别上考察光谱矢量之间的相似性,融合了光谱和图像两者的优势,同时兼顾了准确性和快速性,并且在整场范围内(行间和行内)改善杂草检测范围,为农业精确管理中需要植物精准信息的应用领域提供了相关的分析手段和方法。     

宽光谱AOTF匹配网络对光谱衍射效率影响的研究

基于声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)光谱成像分析仪在可见至红外光谱的多个谱区内广泛应用,对AOTF的光谱带宽及衍射效率提出了更高的要求。超声换能器作为AOTF的核心部件,其3 dB工作带宽决定AOTF的光谱衍射范围,故在同一声光介质上制作两片厚度不同的换能器来提高AOTF光谱带宽。由于超声换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法把功率最大限度的传递给超声换能器,从而使AOTF光谱衍射效率降低,影响光谱成像清晰度。通过射频电路先进设计系统(ADS)仿真及实验测试,设计了一种新型宽带阻抗匹配网络,在60～200 MHz带宽范围内,阻抗匹配网络功率效率达到90％以上,光谱衍射效率最高达90％,提高了在420～1 150 nm波段内的光谱灵敏度。     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

AOTF成像光谱仪声光晶体光谱传递函数的研究

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理,利用光学域光谱透过函数,推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数,在工作波段为400 nm~900 nm内,计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数,并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析,最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明:在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下,当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时,相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪,光谱传递函数提高了68%;当工作中心波长不相等时,双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型,存在临界值。