哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。     

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。     

基于衍射理论的哈达玛编码光谱成像数据重构

哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下,通过多通道复用的方法增加光学系统光通量,使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术.本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题,建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型,提出以Lucy-Richardson (L-R)算法为核心的重构数据修正算法,提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度.通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验,数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程,并验证了本文所采用修正方法的有效性.经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296,图像相似度评价因子优于0.85,相比修正前的重构数据质量有较大提升,表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.     

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。     

压缩感知光谱测量局部哈达玛矩阵的构造与性能

针对压缩感知光谱测量中随机矩阵作为测量矩阵无法获得高质量重建精度问题,提出了一种测量矩阵构造的新方法。介绍了局部哈达玛矩阵的构造方法,以随机测量矩阵为比较对象,通过仿真实验对局部哈达玛矩阵在压缩感知光谱测量中的性能进行分析。实验结果表明,相对于随机矩阵,新型局部哈达玛矩阵下的重建光谱与原始光谱重合度大大提高,在100%采样率时,定量指标MSE为3.2,实现了光谱的精确重建,25%采样率的MSE指标水平已经与随机矩阵100%采样率时相当,局部哈达玛矩阵可以有效的改善光谱重建的精度;光谱重建时间大约缩短到1/3,系统具有更好的信噪比特性。     

微型DMD哈达玛变换近红外光谱仪

提出并设计了一个应用数字微镜(DMD)的哈达玛变换近红外光谱仪。以光栅为分光元件,用DMD代替传统的机械式哈达玛编码模板进行光学调制,用In Ga As单点光电二极管探测调制后的光谱信号。综合考虑分辨率、能量利用率、像差和体积等因素,合理选择狭缝长和宽、光栅入射角及透镜焦距,采用光路分段优化法进行光学设计,通过DMD面阵上的狭缝像和探测器上的点斑尺寸等分析设计结果。模拟分辨率优于4 nm,探测器上点斑尺寸小于3 mm,光学系统尺寸为75 mm×25 mm×85 mm。为提高光谱仪对弱光谱信号的探测能力,在系统前加入了一种集光结构,使从光纤出射的光能的利用率理论值提高24.2%。实验结果表明,该光谱仪的光谱分辨率优于6 nm,通过添加集光结构可以大大提高光谱仪的能量利用效率。该光谱仪具有分辨率高、能量利用率高、体积小、成本低等优点,有广阔的应用前景。     

水生植物与水体混合像元的反射高光谱特征分析

研究了水生植物与水体混合像元的反射高光谱特征,并设计了一个3因素2水平的正交试验,F检验表明:对于单因素,波段和混合像元面积比均对混合像元的反射高光谱影响显著,而探测角不显著;对于交互作用,则波段与混合像元面积比、探测角与混合像元面积比也均对反射高光谱影响显著,而探测角与波段不显著。本文对影响混合像元反射高光谱特征的因素及其交互作用进行了定量分析,为混合像元的深入研究提供了一种新的方法。     

基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题,提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率,被调制的短脉冲结构光照射场景,单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域,使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案,可采集图像细节,多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明,采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。     

哈达码变换光谱成像仪数据复原算法

从哈达码变换光谱成像仪成像原理出发,对其光谱成像过程进行数学建模,分析了哈达码模板调制引起光谱信息混叠和空间信息混叠的原因,提出了一种根据光谱偏移量去除混叠的算法.采用自行研制的哈达码变换光谱成像仪进行了目标数据采集,用提出的去混叠算法对目标数据进行复原,得到目标的三维数据立方体,有效去除了空间信息混叠和光谱信息混叠,验证了算法的正确性.     

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.     

阿达玛变换光谱仪狭缝衍射的编码修正

根据阿达玛变换光谱仪的原理与狭缝衍射特性,分析了光谱仪入射狭缝衍射对阿达玛变换光谱仪测量结果造成影响,对衍射情况下的阿达玛变换光谱仪的仪器结构矩阵进行了研究,得出了衍射情况下阿达玛变换光谱仪的编/解码方法,通过对入射光谱的还原分析,验证了编码/解码的正确性。该方法对阿达玛变换光谱仪的高精度光谱测量具有重要意义。     

基于数字微镜技术的阿达玛变换近红外光谱仪

构建了一个基于数字微镜技术的新型阿达玛变换近红外光谱仪.光学信号采用光纤引入,以光栅作为分光元件,利用数字微镜代替传统的机械式阿达玛模板进行光学编码调制,使用单点InGaAs红外探测器检测调制后的光信号,通过快速阿达玛解码还原出原始光谱.通过实验检验了光谱仪的分辨率、信噪比、稳定性以及谱图获取速度等指标.实验结果表明,...     

MOEMS微镜面阵光谱仪的优化设计与实验

MOEMS(micro optical electronic mechanical system)微镜面阵光谱仪主要利用微镜面阵分时选通实现单个探测器光谱测量,具有无需斩波器实现脉冲信号输出,无需机械模板实现哈达吗调制,象元分辨率高,体积小,成本低等优点.针对MOEMS微镜面阵光谱仪设计中,狭缝尺寸与光通最之间的矛盾,...     

Analysis and study of the interlaced encoding pixels in Hadamard transform spectral imager based on DMD

The key innovation in Hadamard transform spectral imager (HTSI) introduced recently is the use of digital micro-mirror device (DMD) to encode spectral information. However, because the size of individual micro-mirrors does not match the detector pixel size or for other unavoidable errors in the optical design and the system assembling, an interlaced encoding phenomenon appears on some pixels of the encoded images obtained from the detector. These interlaced encoding pixels are not encoded based on Hadamard transform, so they should be processed specially in spectrum recovery. This paper analyzes the interlaced encoding phenomenon and proposes a positioning method and a decoding method for the interlaced encoding pixels on the encoded images. In our experiment, we direct a beam of laser into our HTSI and fill the entire field of view; by observing the column vector, which is made up of the gray values of a pixel on the encoded images from the detector in sequence, the interlaced encoding pixels can be distinguished easily and a coefficient is obtained simultaneously, which denotes the ratio of the area between the left part and the right part of the interlaced encoding pixel. By substituting the coefficient and the encoded gray values of the interlaced pixel into its encoding equation, we can recover the spectral elements of the interlaced pixel with ease. By comparing the spectral curve of the interlaced encoding pixels recovered by the method mentioned in this paper and the spectral curves of its two adjacent pixels, we find the decoding results are quite effective.     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪。该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统。理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性。结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1 nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms。适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测。     

阿达玛变换在核磁共振成象中的应用

阿达玛变换应用到核磁共振成象技术中,能提高成象技术的灵敏度。本文阐述了阿达玛变换在线扫描核磁共振成象中应用原理,推出了合成的激发信号相位与阿达玛编码关系。得到频率合成的激发信号相位表,据该表合成的激发信号产生多个自旋回波,能使核磁共振成象技术速度快、灵敏度高。文中还对该方法作了深入的讨论。     

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正研究

在阐述一般成像系统中CCD象元响应非均匀性校正的原理与算法的基础上,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题.     

Stochastic excitation and Hadamard correlation spectroscopy with bandwidth extension in RF FT-EPR

The application of correlation spectroscopy employing stochastic excitation and the Hadamard transform to time-domain Fourier transform electron paramagnetic resonance (FT-EPR) spectroscopy in the radiofrequency (RF) band is described. An existing, time-domain FT-EPR spectrometer system with a Larmor frequency (L(f)) of 300 MHz was used to develop this technique by incorporating a pseudo-random pulse sequence generator to output the maximum length binary sequence (MLBS, 10- and 11-bit). Software developed to control the EPR system setup, acquire the signals, and post process the data, is outlined. The software incorporates the Hadamard transform algorithm to perform the required cross-correlation of the acquired signal and the MLBS after stochastic excitation. To accommodate the EPR signals, bandwidth extension was accomplished by sampling at a rate many times faster than the RF pulse repetition rate, and subsequent digital signal processing of the data. The results of these experiments showed that there was a decrease in the total acquisition time, and an improved free induction decay (FID) signal-to-noise (S/N) ratio compared to the conventional coherent averaging approach. These techniques have the potential to reduce the RF pulse power to the levels used in continuous wave (CW) EPR while retaining the advantage of time-domain EPR methods. These methods have the potential to facilitate the progression to in vivo FT-EPR imaging of larger volumes.