基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制:其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率.以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪(M AX-DOAS)进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低.另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建.过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的...     

被动差分吸收光谱技术测量电厂烟羽中CS2的研究

CS2气体对人类健康和大气循环有重要影响作用,最近有研究表明:工业燃煤可能是城市大气中CS2的另一个重要来源.提出一种以太阳散射光作为光源的被动差分吸收光谱(passive DOAS)对点源排放气体进行遥测的方法;介绍了其基本原理和测量系统;讨论了CS2的光谱分析方法,包括参考光谱的选择问题,及降低Ring效应对光谱反演影响的方法等;并利用该技术埘电厂烟羽中CS2进行扫描测量,成功反演出烟羽中CS2的柱浓度;证实了燃煤可产生一定的CS2,为城市大气中CS2污染源的研究提供直接、有利的依据.     

超光谱成像差分吸收光谱系统烟羽测量研究

研究一种测量污染气体(如SO2,NO2)二维分布的光学遥感方法,即采用超光谱成像差分吸收光谱(DOAS)系统在扫描转台上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分吸收光谱处理方法对采集到太阳散射光谱进行处理获得柱浓度,结合转台扫描,最终实现污染气体的二维成像解析.着重描述了基于成像差分吸收光谱仪、紫外镜头及扫描转台的超光谱成像差分吸收系统,并利用该系统对热电厂烟羽排放进行了外场测量,该技术为污染源实时成像测量提供了一种简便的方法.     

多轴差分吸收光谱断层扫描重建烟羽空间分布

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建, 建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量。首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理。接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序。然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较。最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验。数值模拟的结果显示：MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差。外场试验的结果显示：重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况。研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性。     

基于改进的多轴差分吸收光谱层析技术的烟羽浓度峰重建

建立了被动多轴差分吸收光谱层析系统,实现烟羽气体的时空浓度分布测量,分别采用传统的同步迭代重建算法(SIRT)和改进的SIRT对测量数据进行了重建分析,克服了一些实际测试中不能获 取大量投影数据或投影分布不均匀、存在噪声的问题,精确地重建出大气痕量气体的二维空间分布．在不同的模型及评价指标下,通过数值模拟对两种重建算法的效果进行比较,改变改进的SIRT算法中的松弛因子,在5500次的迭代过程中,指标d从0.435降到了0.044,指标r从0.376降到了0.044,改进的SIRT算法具有更好的重建效果．外场重建试验中成功重建了大气痕量气体的二维空间．     

车载二氧化硫差分吸收激光雷达系统

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05nm和301.50nm.光源采用两台Nd…YAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后,通过光电倍增管转换为电信号,然后被数据采集卡采集,最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验,结果表明,在0.8~3.0km范围内,当晚二氧化硫浓度在20μg·m-3上下波动,气象部门地面仪器结果为18~22μg·m-3,实验结果与仪器结果具有可比性.     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

基于块稀疏贝叶斯的生物发光断层重建

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。     

基于主动差分吸收光谱系统获取大气颗粒物光学特性研究

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础,在干净大气环境条件下,结合参考光路设计技术,开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性,建立了解析颗粒物光学厚度模型,获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验,获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度,然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数,以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性,获得监测区域的颗粒物平均水平,更具有代表性和进一步应用价值.     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学CT技术因其对生物组织体的无损性,在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究,已提出许多方案,意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍.本文简述了基于扩散方程近似的光学CT正向问题有限元解法,提出采用直接搜索优化算法-Rosenbrock坐标轮换法求解时间分辨光学CT中的图象重建问题,给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果,证实了该方法的可行性.     

光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学 ＣＴ技术因其对生物组织体的无损性，在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究，已提出许多方案，意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍．本文简述了基于扩散方程近似的光学ＣＴ正向问题有限元解法，提出采用直接搜索优化算法一Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ坐标轮换法求解时间分辨光学 ＣＴ中的图象重建问题，给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果，证实了该方法的可行性．     

非侵入式散射介质内多光谱重建

近年来许多方法被提出以实现透过散射介质的聚焦和成像,然而,在非入侵且无波前整形技术的情况下,透过散射介质的目标光谱重建仍极具挑战.提出了一种非侵入式散射介质内多光谱重建的新方法.该方法通过非侵入式的探测手段,利用随机散斑照明隐藏目标,成像光谱仪记录目标的光谱信息和空间信息,并结合非负矩阵分解算法对目标混叠谱进行解析,从...     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

基于近红外差分吸收光谱技术的大气中水汽柱浓度反演

基于近红外被动差分吸收光谱技术(IR-DOAS)反演了大气中水汽柱浓度。从Hitran数据库中获取高分辨率截面,利用Voigt线型进行不同温压条件下的线性展宽,获得不同反演吸收截面。以仰角为90°的光谱作为参考谱,对光谱进行反演,获取垂直柱浓度。通过与太阳光度计(CE-318)进行对比发现,结果具有很好的趋势一致性,线性相关系数为0.99,且IR-DOAS的反演值与CE-318结果的差值在IR-DOAS反演误差范围内。将其应用于水汽斜柱浓度的空间分布获取发现,垂直方向水汽斜柱浓度随仰角的变化呈梯度变化,水平方向水汽斜柱浓度随观测方位角的变化几乎不变,分布均匀。     

D2受激拉曼散射产生的紫外激光用于O3差分吸收激光雷达的研究

脉冲Nd∶YAG四倍频激光(266nm)泵浦D2的受激拉曼散射第二级斯托克斯光(316.39nm)用作O3差分吸收激光雷达的λoff。为研究D2的受激拉曼散射效应和定量解释其物理机制作了一系列的实验。通过调节泵浦能量和气体压强,得到了各级散射光的能量转换效率,找到了第二级斯托克斯光的优化条件。     

基于自编码器的荧光分子断层成像快速重建

多激发点荧光分子断层成像(FMT)重建过程中生成的系统矩阵规模较大,导致计算复杂度高,重建时间长。为了加快重建速度并保证其准确性,基于人工神经网络理论,通过降低系统矩阵规模,提出了一种快速FMT重建方法。具体来说,采用的降维方法是自编码器,即一种典型的人工神经网络,训练数据为由系统矩阵和表面荧光测量值组成的矩阵,然后使用自编码器网络的编码部分得到原始矩阵在低维空间上的表示。为了测试所提方法的性能,设计了一系列数值模拟实验,包括非匀质圆柱体实验和数字鼠实验。实验结果表明,该方法能有效缩短重建时间,得到较高的重建精度。     

基于大气吸收带的超光谱成像仪光谱定标技术研究

超光谱成像仪是谱像合一的新型光学遥感仪器,其光谱定标的主要任务就是确定超光谱成像仪各通道中心波长和光谱带宽.利用超光谱成像仪光谱采样间隔和大气吸收带中明显的吸收峰对超光谱成像仪进行光谱定标,并通过与定标好的光纤光谱仪结果进行比对,结果显示利用该方法对超光谱成像仪进行光谱定标的定标精度可达1 nm.该方法用于棱镜色散型超...     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

光学分层热成像法重建火焰三维温度场分布的研究

本文提出了用光学分层成像法（Optical Sectioning TOmography,OST）重建火焰三维温度场分布的理论和方法。用一个固定位置CCD摄像机分别聚焦火焰的不同截面,得到一系列的叠加火焰图像,对该组图像建立模型,采用图像反演算法,可以重建火焰不同截面的辐射分布。该测量方法实验设备简单,有一定的空间和时间分辨率。     

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。