基于室内高光谱激光雷达的典型树种叶片光谱观测和分类

高光谱激光雷达综合了高光谱和激光雷达特征,可为植被生理生化参数提取提供更加精确的遥感探测,但其应用潜力尚未得到充分挖掘。以北京10个典型树种的单叶为样本,开展室内高光谱激光雷达的叶片观测试验,并进行树种分类研究,为未来高光谱激光雷达的林业应用提供基础。首先进行可调谐高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)叶片高光谱测量,并完成与ASD地物光谱仪所测数据对比实验;其次,应用随机森林方法实现10种叶片的分类研究,其输入的特征指数为融合全部波段、部分敏感波段的光谱指数。结果表明:(a)HSL在波段650～1000 nm (71个通道)内观测的叶片高光谱和ASD光谱一致(R~2=0.9525～0.9932,RMSE=0.0587);(b)只用原始波段反射率分类精度为78.31%,其中分类贡献率最大波段的是650～750 nm,使用此波段进行分类精度为94.18%,表明利用红边波段(650～750nm)进行树种分类是十分有效的;(c)对树种敏感的波段为680 nm、685 nm、690 nm、715 nm、720 nm、725 nm、730 nm;(d)结合敏感波段光谱指数与植被指数分类精度82.65%。该研究结果表明在单叶级别,利用高光谱激光雷达能够准确地反映目标叶片的光谱特征并且能有效进行树种分类;未来将可能在野外应用中精确提取目标的生理生化参数。     

基于高光谱的草地可燃物含水率估测方法

用美国ASD公司的FieldSpee Pro FRTM光谱仪获得了防火期内含水率不同的草地可燃物的光谱数据,用烘干称重法获得了样品的含水率数据,并用包络线去除法处理样品的光谱反射率曲线.将1400 nm附近范围作为水分吸收特征波段,计算出了样品的光谱吸收指数、吸收深度指数、曲线长度和曲线面积指数等特征参数,然后对其与实...     

不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比

为对比分析不同光栅常数下Offner光栅和Dyson光栅光谱仪的性能差异,推导了两种光谱仪结构的衍射角公式,获得其衍射特点,并在F数为2.5,工作波段为8～12 m,光谱分辨率15.6 nm,光栅常数分别为100 m、50 m下,借助ZEMAX软件对这两种结构进行了优化设计。结果表明:较大光栅常数下,两者都能理想成像,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,质量约为Dyson的1/13;较小光栅常数下,Dyson光谱仪仍可理想成像,而Offner必须加入二次非球面镜并进行离轴,才能满足系统对像质及光谱分辨率的要求,此时,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,重量约为Dyson的1/11。设计结果表明,两种同心结构在加工难易度、体积、重量方面各有优劣,在光谱仪选型工作中,可根据具体情况进行取舍。     

基于空间光调制器的光谱可调光源定标

基于空间光调制器的光谱可调光源是一种新型的定标光源,旨在实现定标光源与观测场景光谱匹配的定标新模式,进一步提高光谱定标和辐射定标精度。针对空间光调制器非光敏的特点以及这种新型光源特殊的工作模式,采用“激光光源+光谱仪”进行了光谱预定标和光谱精细定标,采用“标准灯-参考板+光谱仪”进行了辐射定标,实现了对该光源系统470~945 nm范围的光谱及辐射定标。不确定度分析结果表明,波长定标的不确定度优于0.2 nm,辐射定标的不确定度优于3.1%（k=1）。     

不同尺度的微分窗口下土壤有机质的一阶导数光谱响应特征分析

使用高光谱仪ASD Field Spec在波长范围400～1000 nm内采集有机质含量不同的土壤反射光谱数据并作对数变换处理;之后在不同尺度的微分窗口下求取其一阶导数(一阶导数光谱)并进行小波阈值去噪;从一阶导数光谱中提取特征参数表征有机质含量变化.结果表明,微分窗口尺度w=1 ～5时,土壤一阶导数光谱中含有大量噪声...     

同步荧光结合神经网络同时测定3种抗生素

为了更快速、简便、准确地同时测定多种抗生素混合物,采用同步荧光光谱结合径向基神经网络的方法,对3种氟喹诺酮类抗生素（乳酸环丙沙星、乳酸左氧氟沙星、盐酸左氧氟沙星）的同步荧光光谱进行研究。选择3组分浓度均为1.67ng/mL的混合溶液,测量其3维同步荧光光谱;分别测量39种不同浓度的混合溶液样本的同步荧光光谱;选取其中35种作为训练组,其余4种作为预测组,将训练组样本对应的光谱数据作为输入,建立和训练径向基神经网络;在发射波长与激发波长的差Δλ=194nm条件下,利用训练好的神经网络对预测组中各组分的浓度进行预测,得到3种组分浓度预测的平均相对误差分别达到3.59%,3.47%,3.09%。结果表明,当Δλ设定为194nm时,3种抗生素的同步荧光峰差异最为明显、区分度高,该方法能实现对3种抗生素混合物中各组分的同时测定。这为多种抗生素混合物同时测定提供了一种快速、简便、准确的方法。     

光谱配置对最优波段组合算法预测土壤有机质和电导率的影响

可见光和近红外(Vis-NIR)光谱仪是一种实用的工具,可用于替代土壤物理和化学分析以评估土壤性质.最佳波段组合算法是一种通过考虑波段之间的相互作用信息来提取光谱变量的有效方法,但是对于实验室Vis-NIR光谱数据,该方法易受"维数灾难"的影响.提出一种适当地降低光谱配置(减少光谱带的数量和粗化光谱分辨率),以提高计算效率且不会显著影响预测精度的方法.首先,构建了6个光谱配置,即光谱波段的数量从2001个减小到19个,光谱分辨率从3 nm增加至100 nm,并且光谱采样间隔等于光谱分辨率(均匀间隔采样).然后,通过偏最小二乘回归结合最佳波段组合算法预测不同光谱配置下土壤有机质(SOM)和电导率(EC)的最佳光谱参数.结果 表明:直到光谱分辨率为60 nm时(每个光谱32个波长),最佳波段组合算法与全波段光谱数据相比,可以提高预测精度.最佳波段组合算法在1～20 nm光谱分辨率下,预测精度没有显著差异(约为2％);SOM[(决定系数R2v等于0.77,均方根误差(RMSEP)等于0.325％,性能四分位数范围的比率(RPIQv)等于3]和EC(R2v等于0.70,RMSEP等于6.88 dS·m-1,RPIQv等于2.21)分别在20 nm和10 nm的光谱分辨率下获得了最佳预测性能.     

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。     

应用光谱重建理论的傅里叶变换光谱仪

本文将重建光谱仪的光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪中，使光谱仪可以兼具重建光谱仪高光谱分辨率优势以及傅里叶变换光谱仪固有的高光通量优势。利用构建的简易空间外差傅里叶变换光谱仪实验装置在520～530 nm光谱范围内进行验证实验。使用实验装置采集的不同单波长入射光光斑图像进行光谱校准实验，证明了傅里叶变换光谱仪可满足光谱重建理论必需的光斑与波长间唯一的一对一映射关系。随后，使用用于光谱校准的光斑图像进行光谱重建实验，实现了0.10 nm的光谱分辨率，相比通过傅里叶变换光谱仪原理得到的～5.65 nm光谱分辨率有明显提高。最后，使用额外采集的波长525 nm入射光光斑图像进行光谱重建实验，重建光谱中存在重建误差，且525 nm处光谱信号峰的半峰全宽（FWHM）～0.30 nm。光斑图像相关性分析显示，光谱重建受光斑图像采集过程中噪声和相邻波长入射光光斑图像高相似性的影响。尽管如此，重建光谱仍然可以反映入射光的光谱信息，且信号峰的FWHM小于傅里叶变换光谱仪原理得到的光谱，验证了将光谱重建理论应用于傅里叶变换光谱仪的可行性和高光谱分辨率优势。     

声光可调谐滤波器的成像光谱技术

声光可调谐滤渡器(AOTF)是一种新型的分光器件,能够从复色光中衍射出带宽很窄的单色光,和传统光谱仪相比,基于AOTF的光谱仪在工作机制和仪器设计上有其自身的特点.通过分析AOTF器件的工作原理、衍射方式和参数指标,搭建了基于AOTF的成像光谱系统,利用标准单色光源进行光谱定标,并进行室外实测实验以验证系统功能.与ASD公司光谱辐射计(FieldSpec Pro FR)的同步测量结果表明:该仪器通过经验线性法获得的550-1 000 nm植被光谱曲线和光谱辐射计获得的曲线较为一致,能够满足高光谱成像探测的要求.     

星载臭氧垂直探测仪地外太阳紫外光谱测量

介绍了国内外星载太阳紫外光谱辐射计的研究进展,对我国自行研制的星载臭氧垂直探测仪的结构和功能进行了简介。它是一种小型化、高精度的紫外-真空紫外光谱辐射计,可在轨测量获得160～400nm地外太阳绝对光谱。给出了星载臭氧垂直探测仪实测的地外太阳紫外光谱并对其精度进行了分析。误差分析表明,160～250nm地外太阳绝对光谱的测量不确定度为±6.4%;250～400nm为±5.2%。将臭氧垂直探测仪在轨观测结果与国际同类仪器进行了比对,一致性优于±5%。     

大气痕量气体浓度反演中的谱对准偏差研究

在大气痕量气体浓度反演中,对测量光谱和计算得到的参考光谱做最小二乘拟合是常用的方法之一。但在获取光谱过程中,由于仪器光栅位置的不准确、温度等环境因素的变化、以及二者光谱分辨率的不同,均会导致在现场工作的监测设备所测得的光谱与计算的参考光谱之间存在谱对准偏差,即存在光谱在波长上的漂移、拉伸或压缩。这种不对准会给浓度反演带来很大的影响,介绍了在反演过程中校正谱对准偏差的算法,计算了不同光谱分辨率下由谱漂移造成的浓度反演误差。     

嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法

利用自主研制的地表反射自动监测光谱仪 (ARMS) 和可见-短波红外光谱辐照度计 (HIM), 实现了嵩山遥感 定标场内三种灰阶靶标反射率的自动测量, 并与使用ASD便携式光谱仪人工测量的靶标反射率开展了比对。两种方 法的比对结果表明： 在400～1600 nm范围内, 自动化测量与人工测量的反射率数据在非大气吸收波段的相对偏差优 于 ±2%。进一步基于自动化设备的观测数据, 分析了2019 年10 月至2020 年11 月场地内的靶标反射率。分析结果表 明, 受环境变化的影响, 嵩山场内灰阶靶标的反射率也会发生变化, 且反射率的变化趋势与波长范围及测量区域有 关。在整个波段范围内, 反射率的标准偏差在 ±2.5%以内。该工作的开展为基于嵩山遥感定标场的自动化、高频次在 轨辐射定标提供了有力的技术支撑。     

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。     

一种改善成像光谱仪光谱检测能力的新方法

为了改善成像光谱仪的检测能力，在不改变硬件结构的情况下，采用光谱细化最优化的新方法，利用液晶可调谐滤光片式成像光谱仪，取得了入射光近似光谱数据，进行了理论分析和实验验证。结果表明，在3组数值仿真数据中，相较于成像光谱仪测量光谱，该方法得到的近似光谱与入射光真实光谱的光谱强度差的标准差分别减小了79.3%，68.3%和58.8%；在两组实验数据中，标准差分别减小了84.4%和60.7%；求解得到的近似光谱与入射光真实光谱的近似程度得到了显著提高，较好地分离了相隔较近的光谱峰。这一研究改善了成像光谱仪的光谱检测能力。     

基于高光谱的苹果树冠层磷素状况估测模型研究

利用高光谱技术估测了苹果树冠层的磷素含量。先用ASD Field Spec3型地物光谱仪测定了春梢停止生长期苹果树冠层的高光谱反射率,并对光谱数据进行了多种变换处理。然后对其与磷素含量进行了相关分析,找出了与磷素相关性较显著的光谱参量,并通过逐步回归分析建立了磷素估测模型。结果表明,近红外波段是苹果树冠层磷素的敏感波段;808 nm、921 nm、1195 nm、1272 nm及其组合的归一化红外光谱指数与苹果树冠层磷素高度相关。在构建的估测模型中,以808 nm、921 nm、1195nm、1272 nm及其组合的归一化红外光谱指数为自变量构建的高光谱估测模型的估测效果最佳。该研究实现了苹果树冠层磷素含量的快速估测,同时也为苹果的实时营养诊断提供了理论依据。     

基于矩阵的Sagnac干涉仪光谱复原理论研究

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱,该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响,进行了干涉图切趾处理,但这会降低复原光谱的光谱分辨率.为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度,文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法.该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵,对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱.利用多种物质的光谱进行仿真实验,测试两种光谱复原方法的光谱复原精度,结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1％～3％,而傅里叶变换法的复原误差在3％～7％的范围内.因此,和傅里叶变换光谱复原方法相比,基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高.     

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.     

新型等效斜楔设计

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差,并且对被测光的空间相干性要求较高,进而影响光谱反演的准确性和复杂性问题,提出了一种新型等效斜楔干涉具,该等效斜楔由两种折射率不同的材料构成,两个反射面完全垂直,干涉的两束光是由同一束光分开而得,因此对光的空间相干性无太高要求,并且可以实现零光程差。理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式和光谱反演公式,并且设计了该等效斜楔,其最大光程差可达168.3 m,对光谱测量过程进行了仿真分析,结合最大光程差和所测光谱波段分析了线阵CCD的像元数要求。采用532 nm单纵模激光器和632.8 nm氦氖激光器进行了实验分析,实验结果得到中心波长误差小于0.2%。