基于LCTF的大幅面高分辨率多光谱仪光学系统设计

将液晶可调滤光片（LCTF）应用到真彩色多光谱图像采集中,设计了一款大面阵、高分辨率、轻小型的多光谱成像系统。系统利用LCTF 空间分辨率和光谱分辨率高、波长选择灵活、调谐时间短等特点,可实现幅面大小约210 mm148 mm,分辨率达到350 ppi 的多光谱图像采集,工作谱段为420~720 nm,光谱分辨率为10 nm。结果表明,该成像系统在空间频率为91 lp/mm 时,31 个波段处轴上0 视场和轴外1.0 视场的传递函数均0.30,全视场畸变0.1%,成像质量良好,可用于大面阵、高分辨率多光谱图像的采集与分析。     

用于月球矿物探测的LCTF成像光谱仪热控系统设计

LCTF 成像光谱技术是近年来快速发展的一种成像光谱技术,具有光谱分辨率高、谱段范围宽、质量轻等诸多优点,在月球矿物探测高光谱成像遥感器中具有独特的优势。LCTF 中液晶材料温度变化会引起双折射率偏差变大,从而影响LCTF 光谱仪成像质量。通过对光谱仪工作环境的热分析,综合考虑光谱仪的工作模式及各部件工作温度要求,设计了LCTF 光谱仪热控系统。仿真结果表明,该热控系统能较好地满足设计要求,使LCTF 光谱仪清晰成像,为月球矿物探测做好硬件准备。     

基于人工免疫算法的里奥型液晶调谐滤波器优化设计

为满足液晶可调谐滤波器（Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF）滤波性能和多参数优化的需求，本文提出了一种基于人工免疫算法（Immune Algorithm, IA）的里奥（Lyot）型LCTF优化设计方法。该方法以Lyot型LCTF的光透过率、透射主峰的半高宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）、截止区旁瓣抑制（Side Lobe Suppression, SLS）等滤波器基本光谱性能指标为评价函数，基于特定评价函数约束下的全局寻找LCTF最佳液晶盒厚度和驱动电压配置参数组合进行优化设计。仿真结果表明，IA算法优化后的LCTF与传统Lyot型LCTF相比，旁瓣抑制效果提升了73.42%，整体滤波效果提升了13.90%，同时用可调控评价函数权重来实现滤波器性能的智能调控以满足不同应用场景需求。该设计方法可避免传统滤波器对器件厚度线性精度的严重依赖，不仅在液盒厚度、级数选择上更加灵活，可改善光谱响应时间和光透过率，而且省略了繁琐的实验调试工作量，具有一定的研发高效性、实用性以及经济性。     

基于LCTF的水下光谱成像系统研制

水下光谱成像技术在水下目标物识别、海洋生态监测等领域有着重要作用。基于实际工程使用环境设计了基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的水下光谱成像系统。该系统通过采用LCTF作为滤光结构以获得水下目标物的光谱信息。水下光谱成像系统在宽光谱LED光源的照明下,进行水池实验获得了目标物在波长400~700 nm之间的31个通道光谱图像。对水下具有相似颜色的不同物体的光谱信息进行了讨论和分析,结果表明:该系统有助于水下目标物识别和分类。在海试中对珊瑚进行了原位观测,成功获取了珊瑚礁的水下光谱图像。该系统有望应用于海洋遥感、海洋生态环境监测等领域。     

基于高光谱图像的东北稻米品种快速分类

针对稻米品种无损鉴别需求,利用高光谱技术分析了3种稻米样品的光谱图像特征,实现了利用液晶可调滤波器(LCTF)光谱相机对3种稻米的探测、分类与鉴别。通过高光谱相机采集稻米样品的VIS/NIR光谱图像,运用Matlab软件及ENVI软件对高光谱图像进行处理分析,获得各样本的相对反射率曲线,结合图像阈值分割技术,得到各波段光谱图像的二值图像。结合图像及数据,分析不同品种稻米的光谱差异,发现稻米于480~550 nm波段有较为明显的特征峰,品种之间光谱差异明显,且不同品种稻米的二值图像明暗占比不同,以此完成稻米品种的分类与鉴别。研究结果表明,光谱图像的相对反射率和二值图像在稻米品种快速分类与识别的应用中具有较好的应用前景。     

基于单像元多点采样的CCD信号采集电路

为抑制电荷耦合器件(CCD)读出信号噪声并确保信号完整性,提高微弱拉曼光谱信号的信噪比和光谱准确性,采用了一种单像元多点采样的CCD信号采集新方法。分析了背照式CCD面阵传感器在线性合并(line bining)操作下的时序特点,设计了完整帧信号捕捉算法和单像元多点采样的信号采集电路,完成了采集电路的控制逻辑设计。测试实验结果表明,采用该采集方法设置任意的积分时间,均可捕捉到一帧完整的光谱信号;与常规相关双采样方法相比,其信号均方差可降低51%~63%,极大地抑制了CCD探测器噪声。应用该电路成功采集了人体血液的拉曼光谱信号。     

航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片（AOTF）光谱仪、液晶可调谐滤光片（LCTF）光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。     

基于线偏振片和液晶可调滤光片的斯托克斯参量测量系统

为了快速获得无抖动偏振图像,本文提出了一种实时测量斯托克斯参量的新方法,即在固定不动的液晶可调滤光片（LCTF）前加一块可旋转的偏振片,使入射光依次经过线偏振片和LCTF到达CCD,然后通过计算接收到的光强得出斯托克斯参量,确定光束的偏振态,得到偏振图像。通过计算发现,当LCTF透光轴与系统X轴的夹角为π／8,偏振片透光轴与系统X轴夹角分别为0、π／4、π／2和3π／4时,偏振参数的获得就比较简单。偏振片的旋转代替了LCTF的旋转,测量的偏振图像无抖动,偏振度和偏振角图像精确。该系统可以获得较高的帧频,在目标识别和反伪装领域具有重要的应用价值。     

激光拉曼光谱结合偏最小二乘法快速测定植物油碘值

为探讨应用激光拉曼(Raman)光谱结合偏最小二乘 法(PLS)建模无损、快速及无试剂测定植物油碘值 的可行性,实验以大豆油、橄榄油、花生油、芝麻油及其调和油为样品,采集了其拉曼光谱 , 采集波数范围为250cm－1～2400cm －1, 并对其信号进行了归属,考察了各种实验条件对拉曼光谱的 影响,并以传统韦氏法测定得到的碘值作为对比,结合化学计量学方法建立了植物油碘值拉 曼 光谱定量模型。实验结果表明,大豆油、橄榄油、花生油及其调和油的拉曼光谱峰形及位移 具有一定的相似性,芝麻油拉曼光谱有较强的荧光干扰,峰强度与其他植物油存在着明显的 差异。所建立的碘值校正模型的决定系数R²为97.49 ,交叉验证校正标准差(RMSECV)为 1.15;检验集预测标准差(RMSEP)为1.57, 决定系数R²为96.47。结果表明,应用拉曼光 谱技术结合化学计量学实现植物油碘值快速检测是可行的。     

高分辨率光谱视频采集研究

相比于当前常用的红、绿、蓝三通道成像技术,光谱采集能够提供更多的颜色通道,从而更加精细地反映光源与场景的物理特性,因此可以广泛应用于遥感、材料、医疗、环境等诸多领域.光谱采集技术需要捕获光线在不同时刻和不同空间位置的光谱信息,主要表现在光谱、时间、空间三个维度上的信息获取.传统的光谱采集设备大多采用时序滤波或空间扫描机制记录光谱信息,需要很长的成像时间,因而不能用于光谱视频信息的采集.近年来,伴随着采样理论和电子元器件技术的迅速发展,光谱的视频(动态)采集成为了可能.本文着眼于近年来刚刚起步的光谱视频采集技术,从采集技术的背景和基本原理出发,对于近年来涌现的高分辨率光谱视频采集方法和系统进行介绍,并对于基于直接采集和计算重构的各类技术手段展开讨论,详细阐述这些方法的光学原理、采集理论以及实际系统构建中的问题.此外,本文对各种方法在光谱视频采集中的一些重要性能指标和系统实际运行优缺点进行对比.最后,本文也对光谱视频采集的相关应用与发展前景进行了讨论.     

基于LCTF的艇载多光谱CCD相机的光学系统设计

提出了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)多光谱CCD相机光学系统设计方案,该光学系统焦距60 mm,F数为3.5,谱段范围400～720 nm,视场角16.6°.采用前置扩束光学系统获得满足液晶可调谐滤光片孔径、视场角要求的光束,后继成像系统采用双高斯型结构,像质分析表明,此设计能够满足使用要求,在谱段范围内,16个波段都能清晰成像,满足实际工程需要.     

基于强度调制的编码孔径光谱偏振测量方法

为实现在单次成像条件下获取图像的光谱偏振信息,提出了一种基于强度调制的编码孔径测量方法。该方法采用消色差1/4波片、多级相位延迟器和检偏器组成的光谱偏振强度调制模块,将入射光的Stokes参量各元素谱调制到不同的频率上,利用编码孔径和色散棱镜组成的光谱成像系统对该调制光谱进行压缩编码,并通过CCD进行探测。利用TwIST算法重构出经调制的光谱信息,对各个频谱通道进行分离重构出Stokes元素谱。以单一像素点为例,对入射光强度调制、光谱重构及Stokes参量的解调进行了数值模拟。结果表明:该方法可实现对稀疏图像的光谱偏振信息的获取,该过程仅需对图像进行一次测量,因此具备高速获取能力。     

像面干涉成像光谱技术中的复原方法

与传统的干涉成像光谱技术相比,像面干涉成像光谱技术具有高光通量、高光谱分辨率、高目标分辨率等优点。在介绍像面干涉成像光谱技术的基本原理基础上,提出了通过推扫横向剪切分束器对目标进行探测的方法,省去了传统推扫方法中提取物点干涉信息时的图像配准过程。研究了信息处理中去直流项、切趾等预处理问题,分析了相位误差校正方法及各种方法的优缺点。搭建Sagnac型像面干涉成像光谱实验装置进行了光谱重构实验,复原了被测光源的光谱曲线,并复原了探测目标在各个谱段的光谱图像。     

基于荧光光谱成像与聚类分析的鹿茸鉴别研究

提出应用荧光光谱成像技术对鹿茸饮片进行检测,以期为鹿茸真伪鉴别提供一种快速无损的检测方法。采用凝视式荧光光谱成像装置,对不同来源的13种鹿茸样品进行了荧光光谱成像分析,从各样品的光谱立方体中提取了其特征光谱曲线,并采用欧氏聚类分析方法对特征曲线进行解析。系统所用光源为中心波长254nm的窄带紫外光源,光谱分辨率为5nm,扫描范围为410~670nm,空间分辨率为4 000×4 000。光谱成像检测结果与作为对照实验的性状、显微鉴别结果一致,表明荧光光谱成像法可用于鹿茸的真伪鉴别,且方法简便和客观。     

A Flash Kinetic Spectrophotometer Employing Photodiode Array Sensors

We are describing a method for rapid spectroscopic measurement of phototransients obtained in a flash photolysis apparatus. A linear photodiode array is employed as a detector to sense changes in light absorption across the visible spectrum. A microcomputer handles sampling, analysis, and plotting the data, and controls a xenon flash photolysis unit. This approach provides simultaneous wavelength acquisition compatible with millisecond time scales. The implementation described here monitors 22 wavelengths over a 300 nm range with up to 50 consecutive spectral scans spaced a minimum of 0.5 ms. Wavelength and temporal resolution, set by spectrograph and detector exposure period, are 1.5 nm and 0.5 ms. The main advantages of this method are collection of multiwavelength data for determining complex transient spectral changes with little sample, and convenience of both data acquisition and analysis. Application to measurements of bacterial rhodopsin photochemistry is described.     

基于随机采样的超高分辨率成像中快速压缩感知分析

随着近年来超分辨成像技术的发展,基于单分子拟合的超分辨成像方法能够实现纳米尺度的空间分辨率,但这种方法的耗时较长,时间分辨率较差。成像重构时间较长主要受制于成像过程中每帧图像较低的荧光分子密度,所以需要足够多的采样帧数来重构一张图像。文中提出一种利用随机采样的快速压缩感知算法,结合分块压缩感知重构算法,最终能够在高分子密度的条件下获得较快的重构速度及较高的定位精度。     

基于NUFFT的多光谱数据同步采集与处理系统设计

为了可以同时获取多谱段光谱信息，并且多测试数据同步处理，设计了一种基于现场可编程门阵列+数据信号处理器的同步采集与处理系统。采用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法对包含目标信息的谱段采样进行了针对多谱段数据非均匀采样的理论分析和实验验证。针对632nm，880nm和980nm 3种不同激光波长同时实验测试，分别采用本系统与传统光谱分析算法进行了对比。结果表明，本系统在3个波长峰值位置上的信噪比分别是31.6dBm, 36.3dBm和32.5dBm，而传统光谱仪的信噪比仅为20.1dBm, 25.4dBm和23.7dBm，采用本系统硬件设计配合NUFFT算法可以有效增强多谱段光谱信息获取过程中的信噪比。本系统的处理速度更快，在多光谱快速处理方面具有一定的应用价值。