基于岸基实测数据的FY-3A近红外通道海洋大气水汽反演

利用全自动太阳光度计(CE-318)野外定点长时间序列现场观测数据,验证传统大气水汽反演算法,结果表明,反演结果精度较低,不适于该研究区域大气水汽含量反演.因而给出了近红外波段大气水汽含量探测的原理,对自主卫星FY-3A中分辨率成像光谱仪MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)反演大气水汽含量算法作了推导、分析.基于长时间序列现场观测数据集,建立了局地化的FY-3A海洋大气水汽反演算法,并用于研究区实际大气水汽含量反演.通过双通道比值法和三通道比值法反演结果与现场实测数据比较,得出以下结论:模型受下垫面反射率影响较大;三通道比值法较双通道比值法反演结果精度更高,双通道比值法误差为16.1%,三通道比值法误差为14.3%;实测数据验证和改进后算法精度更高.     

棱镜色散成像光谱仪光谱辐射采集特性

棱镜色散成像光谱仪对景物光谱的采样不是等间隔的.为了研究非线性色散对成像光谱仪采集景物辐射能量的影响,首先推导出相应的计算表达式,据此,在可见近红外光谱范围内(VNIR)分析了以单棱镜或复合棱镜为色散元件时成像光谱仪辐射能量采集特性.结果表明:与等间隔光谱采样相比,对于采用单棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在光谱范围的短波(0.4～0.6 μm)部分较低,在中长波(0.6～1.0μm)部分较高;对于采用复合棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在整个光谱范围都比较均衡;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来.     

基于FPGA的干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原研究

对目标的实时探测与识别是当前干涉式红外成像光谱仪领域研究的热点问题,而光谱仪实时光谱复原是有效解决该问题的前提。利用可见光相机模拟干涉仪而得到干涉图信号,利用高速大容量FPGA芯片设计了一种干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原系统。系统主要由干涉图数据预处理、实时光谱复原以及光谱显示等模块组成,以流水线方式运行,能够实时输出目标的光谱信息,具有运算速度快、体积小、便于算法升级等优点,为光谱仪对目标的实时探测与识别研究奠定了良好的技术基础。     

基于FPGA的成像光谱仪多通道实时光谱识别设计

实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一,其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中,根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角,通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明,系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行,具有速度快、体积小、便于升级等优点,为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。     

机载高光通量双波段成像光谱仪的设计

分析了成像光谱仪常见结构的优缺点并给出了分析过程,对望远镜系统和光谱成像系统结构进行了合理选择,实现了单一成像光谱仪同时覆盖可见近红外(VNIR)和中波红外(MWIR)双波段。根据研究目标要求设计了一个大F数(VNIR波段F/3,MWIR波段F/2)机载双波段成像光谱仪。该光谱仪双通道共用一个同轴平场无遮挡Schwarzschild望远镜,用二向色分束器分开。双通道光谱成像系统均采用同心共轴的Dyson结构,VNIR波段和MWIR波段光谱分辨率分别达到5 nm和15 nm。为使设计的系统结构合理,介绍了光束分离结构和光谱仪的光束折叠方法。设计结果表明:该系统结构简单,效果良好,谱线弯曲分别小于1.2μm和0.5μm,谱带弯曲均小于0.5μm,偏振灵敏度小于4%,适用高光谱分辨率机载双波段成像光谱仪。     

多通道光纤SPR光谱成像实时监测系统

提出一种多通道光纤表面等离子体共振(SPR)光谱 成像实时监测系统,利用iHR550成像光谱仪和Synapse面阵CCD(1024pixels×256pi xels)并行采集多个独立检测通道完整的光谱信息,保持单通道SPR传感器高分辨率优势的 同时实现多通道检测。基于LabVIEW虚拟仪器,开发了控制iHR550成像光谱仪衍射光栅转台 转动,Synapse CCD分区域数据处理和SPR数据处理的实时监测系统。     

干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析

随着搭载干涉成像光谱仪HJY20-1-A的我国环境与减灾遥感卫星HJ-1A即将发射,我国干涉光谱成像研究也从实验室开始走向实用化.在干涉光谱成像过程中,切趾函数处理是干涉成像光谱仪光谱复原过程中的一个重要环节,对复原光谱的精度有着极其重要的影响.根据HJY20-1-A的参数设置,文中首先模拟了24种典型地物对应于HJY20-1-A和其它最大光程差设置的干涉成像光谱仪数据,在不同切趾函数作用下的复原光谱,结果表明Hanning函数是其中最有效、最为稳定的切趾函数,同时发现切趾函数的应用虽然可以提高复原光谱的精度,但与真实光谱仍存在一定差距,尤其对应HJY20-1-A,复原光谱的精度更加有限.在以上分析基础上,提出了基于仪器线型函数标准化的光谱复原改进算法,实验结果证实了该方法可以显著提高复原光谱精度,尤其适用于最大光程差较小的空间调制型干涉成像光谱仪.最后,就HJY20-1-A复原光谱对3种典型植被指数求解,进一步证明了该方法的有效性.     

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500 nm,全视场达23.9°。     

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。     

运动补偿下双通道星载高光谱成像仪图像配准

最新一代可见近红外（VNIR）和短波红外（SWIR）双通道星载高光谱成像仪,多采用视场分离器将VNIR和SWIR通道分离为多个子视场,同一时刻各子视场对地成像区域不同,在采用运动补偿技术提高图像信噪比时,各子视场对同一地物的观测角不同,导致图像间失配关系复杂,无法获取同一地物的VNIR-SWIR连续光谱。通过建立运动补偿下的严格成像几何模型,定量分析了双通道图像的畸变和失配规律,进而提出了各子视场分别几何定位再相位相关法配准的方案,并利用东天山区域运动补偿下星载双通道高光谱仿真数据进行验证。结果表明,传统的基于图像的配准方案精度为3.9像元,仍无法得到同一地物像元的VNIR-SWIR光谱曲线,文中方案配准精度提高到0.3像元,VNIR和SWIR重叠波段的反射率光谱重合度误差由41.5%降低到1.2%。     

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。     

成像光谱仪光谱定标

成像光谱仪是谱像合一的新型光学遥感器.成像光谱仪的光谱定标是辐射定标的基础,准确的光谱定标是获得地物正确光谱信息的必要条件.介绍了成像光谱仪光谱定标的原理和几种光谱定标方法,并对国内成像光谱仪光谱定标技术进行了展望.     

用于高光谱图像分类的归一化光谱指数的构建与应用

成像高光谱的近地田间应用为农业定量遥感的发展提供了新的契机。如何发挥其图谱合一的数据优势,尤其在解析土壤、阴影等背景地物对作物养分反演模型的影响需要关注。该研究借助可见/近红外成像高光仪,在近地田间采集小麦群体的成像立方体,根据影像中光照裸土、阴影裸土、光照叶片和阴影叶片的反射光谱特征建立了归一化光谱分类指数,并应用该指数提取大豆影像中不同类型地物的光谱,分析了背景土壤剔除前后的大豆植被归一化光谱与叶绿素密度的决定系数变化情况。结果表明:土壤和阴影叶片光谱去除后,反演叶绿素密度的敏感波段由红-近红外区间（727 nm,922 nm）向蓝、绿,尤其是红波段（710 nm,711 nm）移动。对叶绿素密度敏感的波段区间表现为可见光增加,近红外减少,且红边波段决定系数最高。由此说明,基于归一化光谱指数的植被光谱提纯对定量遥感反演研究具有重要意义。     

高光谱分辨率资料通道选择方法研究

从用经典物理法反演大气参数的误差分析角度出发,利用贝叶斯原理探究了通道特性、背景误差、观测误差和仪器噪声等在反演大气参数时对反演精度的影响,提出了一个定量衡量通道对反演大气参数精度的贡献指标。以此指标为准则,对用高光谱分辨率资料反演大气温度廓线时的通道选择方案进行了设计和论证。以欧洲中心在2012年发射的第二代红外大气探测干涉仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI)为对象,从8461个通道中选出了300个贡献指标最大的通道,并将它们与AAPP发布的应用通道作了比较。结果证明,本文选用的方法在选择反演大气温度廓线的通道时是有效可行的。     

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。     

近红外谱域显微干涉仪的位移传感特性研究

为研究近红外谱域显微干涉仪在近红外波段的位移传感特性,分析了条纹载频对位移量提取的影响,建立了测量光谱中心波长与干涉仪位移传感范围之间关系公式,讨论了光源可见光分量对近红外光栅光谱仪所记录条纹的串扰现象并提出抑制方法。构建近红外迈克尔逊型谱域显微干涉实验系统,单次测量位移量传感精度优于0.02 m。测量标准台阶板的台阶高度（其标称值为7.732 m）,测量偏差为0.044 m。采用近红外谱域显微干涉装置,无需轴向扫描即可实现位移量测量,将光谱仪记录的谱域干涉信号转换为随波数线性变化信号处理能有效提高位移传感精度,增大中心波长能够有效提高位移传感范围,在系统中加入短波截止滤光片则能有效抑制可见光分量对近红外光谱域条纹造成的串扰。     

高信噪比云与气溶胶探测仪成像系统设计

为获取高信噪比的气溶胶遥感数据,针对光谱仪成像系统链路分析了影响云与气溶胶探测仪信噪比的关键因素。结合光谱仪成像电路系统的响应模型,确定了电子学系统信噪比的表达式,针对可见探测器和红外探测器。提出了模块化的高信噪比成像光谱仪电路系统的设计方法,并描述了云与气溶胶探测仪成像电路系统从总体设计到模块设计的完整研制方案。对云与气溶胶探测仪进行辐射定标试验,试验结果表明:可见单机各通道在典型辐亮度条件下最小信噪比为50.9 dB,红外单机各通道在典型辐亮度条件下最小信噪比为62.3 dB,满足指标要求。针对可见探测器和红外探测器的成像电路系统设计方法对其他光谱仪电路系统设计具有借鉴意义。     

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.     

光谱编码计算关联成像技术研究

现有的多光谱成像技术通常采用光学分光的方式，使用多个探测器对成像场景的光谱图像进行采集，导致现有成像系统复杂，数据量大、效率低。针对现有技术的不足，提出基于正交调制模式的光谱编码计算关联成像技术。通过正交光谱编码矩阵融合Hadamard基图案构造投影散斑对宽带光源进行调制，单像素探测器收集成像物体与调制光源相互作用后的反射信号；应用演化压缩技术复原成像物体的混叠光谱图像；利用编码矩阵的正交性质解码出欠采样的光谱分量图像，对分离出的图像应用组稀疏压缩感知算法重构全采样的光谱分量图像，最后融合出成像物体的多光谱图像。通过数值模拟与实验两方面验证了所提方法的高效性。所提的技术简化了多光谱关联成像系统，降低了数据量。光谱编码方法可以扩展到更多的光谱通道，也可以应用在偏振关联成像、信息加密等领域。