基于数字微镜器件的Hadamard变换编码模板设计及空间光谱调制分析

研究了利用数字微镜器件生成 Hadamard光调制编码模板的方法,深入分析了利用该编码模板进行光调制的工作原理及设计中应注意的技术细节。采用原型样机光谱仪对入射激光进行编码成像实验,光谱反演后提取图像上样本区域内少量像素点的光谱曲线,发现其光谱峰值恰好在激光波长所在的光谱通道内,反演后的图像中只有激光波长所在光谱通道的光谱图像有能量分布。实验结果表明运用数字微镜设计的Hadamard编码模板达到了理想的空间光调制效果。     

红外高光谱成像仪的系统测试标定与飞行验证

红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段,由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因,红外谱段的高光谱成像系统并不常见,目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪,它在8.0~12.5μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息,光谱分辨率优于44 nm,光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°,空间分辨率优于1 mrad,噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定,并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验,获取了指定区域的红外高光谱图像,处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率,反演的发射率曲线可以用于地物识别.     

基于MOMES的Hadamard编码模板的设计方法

长期以来Hadamard变换成像光谱技术一直受到编码模板的制约而发展缓慢,然而随着微光机电系统(MOMES)的出现,基于数字微镜器件设计Hadamard编码模板为Hadamard变换成像光谱技术的发展提供了新的契机。介绍了一种基于数字微镜器件(DMD)的Hadamard变换成像光谱仪的物理模型及其Hadamard编码模板的设计方法,该方法控制DMD将光谱仪的光谱响应范围对应的色散光谱的宽度按照S矩阵的阶数等分,在空间上形成循环变化的Hadamard编码模版。实验表明光谱仪原理样机取得的光谱曲线与辐射度计取得的光谱曲线相似度很高,有力证明了基于DMD设计的编码模板对色散光谱的良好调制作用。     

长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术,对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。采用自行研制长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置(简称CHIPED-I)进行验证,用黑体对实验装置进行了两点线性定标,将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱,采用亮温法算出标定后的亮温光谱。结果表明,这种辐射定标方法用于长波红外高光谱成像光谱仪方法可行,这对进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义。     

基于面阵凝视扫描成像的声光光谱成像系统及其图像拼接验证试验

可见---近红外波段(400~1000 nm)成像光谱仪是光谱探测的重要组成部分。基于地基可见-近红外成像光谱仪的实际应用要求,提出了一种采用面阵探测器的凝视扫描成像光谱仪。该光谱仪还采用了一种新型分光器件声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)。其特点在于光谱的选择和施加在它上的射频信号频率相关;通过程序控制射频信号,就可以控制光谱。利用设计的光谱成像原理样机进行了地基月球观测实验。基于实验的特点,在光学设计的基础上增加了另一路共轴辅助光学,以进行粗定位。在获取成像结果之后,进行了辐射定标和尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transformation, SIFT)图像拼接处理。结果表明,利用二维指向机构和面阵凝视成像系统,结合SIFT图像拼接算法,可有效获取宽幅高分辨率光谱图像。     

双通道衍射计算成像光谱仪系统

常规衍射光谱成像系统采用单通道方案,主要针对简单图形目标或光谱特征已知的气体目标进行模拟仿真和光谱成像实验。而当目标为自然场景等复杂景物时,成像系统的光谱解算效果和精度难以保证。针对复杂景物成像,设计了一套双通道可见近红外衍射计算成像光谱仪系统,在常规单通道衍射成像光谱仪系统的基础上,增加一路全色相机成像,可以为衍射成像通道提供复杂景物的全色信息和先验知识。将两个通道的数据进行联合处理,提升最终的光谱数据反演效果和反演精度。介绍了系统组成和基本原理,分析了系统性能,利用仿真程序模拟了系统成像过程。在实验室搭建了可见近红外衍射计算成像光谱原理验证装置。对实验得到的450~800 nm的可见近红外混叠光谱数据进行光谱复原。利用海洋光学光谱仪测试色板的光谱曲线作为标准谱线,与复原得到的光谱数据进行对比,反演的光谱数据平均精度优于90%。通过衍射计算成像原理分析、模拟仿真和原理实验,验证了双通道衍射计算成像系统原理的正确性,能够反演得到精度优于90%的复杂景物光谱数据,提升了衍射成像光谱系统应用潜力和应用价值。     

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。     

偏轴式扫描三光栅单色仪

为了获得宽波段高分辨率的单色光,对成像光谱仪进行了波长标定,设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构,针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题,创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法,通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移,有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构,通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出,保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率;并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描,使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明,仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm,波长重复性分别为0.094、0.186、0.372 nm,波长准确度分别为0.096、0.191、0.382 nm,达到了设计目标,满足成像光谱仪波长定标的使用要求。     

红外高通量干涉成像光谱仪的设计与验证

介绍了静态高通量干涉成像光谱技术的原理,针对红外波段目标辐射能低、系统易受自身辐射影响等特点,提出了基于分体式Sagnac干涉仪的红外高通量干涉成像光谱仪方案。分析了Sagnac干涉仪的设计方法,特别是分光镜对光线的偏折作用引起的横向剪切量和光线的折射光程不同带来的附加光程差。根据采样定理,计算了成像光谱系统对探测器和后置成像系统的要求。使用长波热像仪(光谱范围7.7~9.3μm)搭建了实验装置,实验结果表明,这种成像光谱系统能够准确测量出样品的光谱,验证了该方案的原理和设计。     

利用图谱特征解析和反演作物叶绿素密度

地面成像光谱仪可对作物个体及群体信息进行图谱同步解析,因此在农业定量化研究中具有巨大的应用潜力。利用可见-近红外成像光谱仪采集不同生育期玉米和大豆的冠层图谱数据,在逐步提取影像中光照土壤、阴影土壤、光照植被、阴影植被四种组分光谱的基础上,通过选取的敏感波段构建光谱植被指数和叶绿素密度进行波段自相关分析,探讨各个分量对作物叶绿素密度反演的影响。研究发现:当植被与土壤混合存在时,对叶绿素密度敏感的波段基本在红光与近红外波段;当植被光谱提纯后（剔除土壤光谱）,对叶绿素密度敏感的波段范围增大,表现在蓝、绿波段;当阴影叶片光谱剔除后,对叶绿素密度敏感的波段表现为可见光波段增加,近红外波段减少,红边波段决定系数最高。上述变化特征在不同作物中有相同的趋势,为探索地面成像光谱仪图谱协同反演作物生化参数进行了有意义的探索。     

采用步进系数校正基于DMD的Hadamard变换光谱数据

数字微镜器件（DMD）代替移动式机械模板作为空间光调制器是Hadamard变换光谱技术的最新发展方向。在实际的工程设计中,投射到DMD上的色散光谱无法被所构造的Hadamard编码模板完美地按照S矩阵进行编码,这一现象将会给光谱反演带来误差。文中提出了一种采用步进系数校正光谱图像的方法,根据像素点在图像上空间位置的不同,在其相应的S编码矩阵中引入一个步进系数进行校正,实验结果表明通过该方法反演得到的光谱图像逼近目标的真实光谱。     

互补S矩阵在DMD光谱仪中噪声改善的研究

提出一种对数字微镜进行互补S矩阵编码调制的新方案,经理论分析,互补S矩阵本身具有的优良性质,可将噪声改善度较S矩阵提高约2倍。通过对光谱信号建模,详细推导分析了互补S矩阵应用中的噪声改善理论,证明方案实现的过程中具有削减杂散光和暗电流噪声的作用。最后将其应用于DMD光谱仪中进行实验验证,结果表明:63阶互补S矩阵编码方案较同阶S矩阵编码方案,信噪比提高了1.69倍,与理论分析吻合。     

Radiometric calibration of hyper-spectral imaging spectrometer based on optimizing multi-spectral band selection

Hyper-spectral imaging spectrometer has high spatial and spectral resolution. Its radiometric calibration needs the knowledge of the sources used with high spectral resolution. In order to satisfy the requirement of source, an on-orbit radiometric calibration method is designed in this paper. This chain is based on the spectral inversion accuracy of the calibration light source. We compile the genetic algorithm progress which is used to optimize the channel design of the transfer radiometer and consider the degradation of the halogen lamp, thus realizing the high accuracy inversion of spectral curve in the whole working time. The experimental results show the average root mean squared error is 0.396%, the maximum root mean squared error is 0.448%, and the relative errors at all wavelengths are within 1% in the spectral range from 500 nm to 900 nm during 100 h operating time. The design lays a foundation for the high accuracy calibration of imaging spectrometer.     

基于DMD的近红外光谱仪的研究

数字微镜器件（Digital Micromirror Device,DMD）作为一种新型的空间光调制器,具有分辨率高、生产成本低、加工效率高等优点,使用起来非常灵活,因此实验室搭建了基于DMD的近红外光谱仪。首先,介绍了DMD近红外光谱仪的基本工作原理。其次,对该光谱仪进行了波长标定,提出基于同一样品吸光度曲线相关系数的方法对其进行了波长台间差标准化,使得波长的台间差在理论上小于0.1 nm,在模型转移时符合要求。又通过在强光与弱光条件下对其噪声与信噪比的测试实验对比得出DMD近红外光谱仪不同编码模版的选择准则:在强光条件下扫描方法优于阿达玛方法,在弱光条件下相反。最后,利用该光谱仪对实际样品汽油和柴油进行检测,测试结果表明该光谱仪性能稳定。该DMD近红外光谱仪检测波长范围为1 330~2 500 nm,吸光度偏差小于等于0.000 4 AU。     

4 K低温辐射计的吸收腔吸收率测试技术研究

为了实现低温辐射计工作温度4 K条件下吸收腔吸收率的测量,研究了变温条件下吸收腔吸收率的测量方法。通过在低温辐射计布儒斯特窗口前设计反射监测组件,并控制低温辐射计工作在10?6 Pa的真空环境下,调节低温辐射计制冷温度,分别测量室温条件和不同温度条件下低温辐射计吸收腔在632.8 nm处的反射信号,结合利用传统积分球法在室温条件下低温辐射计吸收腔632.8 nm处反射率的测量结果,通过计算可精确得到不同温度条件下低温辐射计吸收腔的吸收率。实验测量吸收腔在室温条件和4 K温度条件下的吸收率,分别为0.99976和0.99971,对4 K条件下低温辐射计吸收腔吸收率的测量不确定度进行评定,得到的结果显示其相对扩展不确定度为0.005%（k=2）。     

基于DMD的小型近红外光谱仪原理及优化分析

数字微镜器件小型近红外光谱仪器具有检测速度快、灵敏度高、无损伤检测、仪器小型化等优点,广泛应用于化学成分分析和质量检测。然而,作为仪器设计的前提,整个光谱范围的光学优化设计是系统的难点。文中研究了基于数字微镜器件小型近红外光谱仪的光谱成像系统的理论设计方法。该方法采用双配消像差透镜,结合几何像差理论,对小型数字微镜器件近红外光谱仪的设计进行了优化,以降低整个系统的像差。然后,利用光学仿真软件对准直接成像系统进行光学仿真。最终达到设计仿真要求。仿真结果表明,该分光计的整体尺寸小于150 mm×150 mm×150 mm,在工作波段1000~1700 nm范围内,其分辨率优于15 nm。因此,该方法能满足设计要求,在实际应用中具有广阔的应用前景。     

Hadamard变换光谱成像仪光谱复原矩阵修正算法

提出了基于数字微镜阵列(DMD)的Hadamard变换光谱成像仪编码模板的修正算法。利用原理样机获得了目标的光谱数据立方体,在分析DMD结构特点的基础上,建立了一种Hadamard变换光谱复原矩阵修正算法,用于修正DMD狭缝及像元尺寸与DMD尺寸不匹配对相关区域光谱数据产生影响。实验结果表明,修正算法提高了光谱图像的成像质量,同时保证了受影响区域复原光谱与未受影响区域复原光谱相似度达到98.88%以上。     

Offner型消热差中波红外成像光谱仪设计

为了满足中波红外光谱分析的需要,设计了Offner型中波红外成像光谱仪。在分析红外系统消热差方程的基础上,明确通过选择不同热特性材料的合理组合可以设计出合理的消热差光学结构;在分析Offner结构原理的基础上,建立了一种简化的初始结构求解过程以及采用光学仿真软件进行优化的设计方法。最后,利用该方法设计了工作波段为3~5 m的推扫式成像光谱仪,并进行了一体化消热差设计,工作温度范围为-40~100℃,全视场范围内的弥散斑小于30 m,调制传递函数值在空间截止频率16.7 lp/mm处均大于0.35,光谱分辨率小于15.6 nm,具有较好的光谱分光性能。     

无成像镜全反射傅里叶变换成像结构光谱检测的机理研究

全反射傅里叶变换成像光谱仪在航空航天遥感等领域具有重要的应用。专门设置的柱面镜和准直系统，使得光路结构复杂，不仅增加了成像光谱议光学设计和安装调试、维护的难度，同时也增加了成像光谱议的重量和光能的损耗。提出了一种无成像镜实现成像光谱检测的结构，对其检测机理进行了研究。对波长632.8nm、940nm和3000nm进行光谱检测的仿真实验表明，其光谱测量误差小于1%。