多光谱成像范文

多光谱成像范文（精选9篇）

多光谱成像 第1篇

与常规光强度成像探测技术相比,偏振成像侦察技术在识别伪装目标、目标细节特征获取、抑制大气背景噪声和提高目标探测距离等方面具有明显优势。由于受到大气、环境等因素的影响,对恶劣环境下的远距离目标成像中的常规光强度成像方式存在探测距离近、识别伪装效果差、去雾能力弱等不足,难以适应现代战争作战要求,急需研究新的成像侦察技术,以提高恶劣环境下远距离目标的信噪比,加大探测距离,实现对目标的有效侦察。

本文设计的系统主要解决电控变焦、多偏振方向快速准确定位、长焦偏振光学系统设计等关键技术问题,研制多光谱偏振成像侦察系统,应用于远距离目标的侦察。

1 系统组成及工作原理

该系统由微控制器、图像采集、串口通信、图像处理和上位机显示等几部分组成,如图1所示。

本设计以单片机为主控芯片,以PC104平台为上位机,完成电子对焦、调焦、变光圈、数据处理、显示、通信等功能。系统的工作流程如下:首先,在系统开机时设定系统的工作方式;然后,通过操作面板上的变焦、对焦和变光圈的控制按钮,输入给单片机,单片机对变焦电路进行控制。同时,通过通信电路发送曝光时间调整命令至PC104,对曝光量进行调整,通过显示模块显示当前相机状态;当偏振图像符合要求时,通过操作面板上的图像处理和保存功能将采集和处理的数据通过存储电路存储到16 GB的FLASH中。

1.1 PC104模块

PC104嵌入式计算机诞生于20世纪80年代末,1992年被正式接纳为IEEE P996.1标准。它在90 mm96 mm的规格上集成了PC的大部分功能,一方面继承所有PC资源,另一方面又对普通PC加以改革和重新规划,具有体积小、功耗低、工作温度宽、可靠性高等特点以及系统抗振性强、支持带电拔插、可维护性高、支持后I/O板走线、方便配线、散热性好、电气特性更好等优点,适合嵌入式控制领域,被大量用于车载系统、机载设备、电力控制、医疗仪器、智能交通、通信设备、视频监控、军用电子装备等领域。

1.2 RS 232串口通信标准

RS 232[1,2]由美国电子工业协会(EIA)制定,是目前应用最广泛的异步串行通信标准总线,已成为数据终端设备与计算机和数据通信设备的接口标准。该标准适用于数据传输速率在0～20 Kb/s范围内的通信,是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。其工作电平规定如下:对于数据信号,电平低于-3 V为“1”;电平高于+3 V为“0”;对于控制信号,电平高于+3 V为“有效信号”,电平低于-3 V为“无效信号”。其串行口的9根针脚功能有其固定的定义。实际应用中,只要用RXD,TXD和GND三条数据线即可。

1.3 STC89C52RC

STC89C52RC[2]是一款低功耗、高性能CMOS工艺8位微控制器,携有8K在系统可编程FLASH存储器。与80C51产品指令和引脚完全兼容。使其能为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52RC还含有:256 B RAM、32 b I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器、1个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。另外,STC89C52RC可降至0 Hz静态逻辑操作,支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

1.4 显示模块

显示接口模块采用与PC104接口兼容的SBS提供的Sharp LCD系列平板显示器。从系统集成的角度考虑,平板显示器具有型薄、重量轻、便携性强,同时,还具有低功耗、使用寿命长等优点。

2 硬件系统设计

2.1 主控电路及复位电路

STC89C52RC具有多种封装形式,该系统为便于集成,采用SMT封装形式。STC89C52RC单片机内资源丰富,为解决该系统的设计提供了多种多样的方案设计,该系统占用STC89C52RC的I/O端口以及P1,P2,P3,P4的部分资源。

STC89C52RC的复位方式有上电自动复位和手工复位两种,本系统采用上电自动复位方式[2,3]。

2.2 电平转换通信电路

RS 232是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS 232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。考虑到数据的双向传递性,本系统采用MAX232芯片,将TTL电平转换成PC104所能识别的电平,再通过一个标准的3针接口与PC104串口连接。外围电路非常简单,只需要5个0.1 μF的电容器[4,5]。

2.3 变焦电路

系统利用四个继电器提供相机的变焦电压。继电器的输入端为LM317输出,其控制端为单片机的I/O,过编码完成对继电器的组合输出,对相机的电机进行操作,完成电子调焦。

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一,它具有固定式三端稳压电路的最简单形式以及输出电压可调的特点。其主要性能参数如下:输出电压1.25～37 VDC;输出电流5 mA～1.5 A;芯片内部具有过热、过流、短路保护电路。

2.4 键盘电路

键盘电路采用行列式键盘[6,7],具有数字和第二功能键功能,主要是通过单片机进行判断和处理。当系统加电时,处于数字键状态,单片机通过键盘扫描程序,锁定键盘,然后通过串口与PC104进行通信,模拟数字键盘。当按下切换按钮时,键盘处于第二功能状态,通过对变焦、对焦和变光圈的按钮选择,按下左右方向键控制单片机的I/O输出来控制变焦电路,同时与数字按钮通信相同,此时可以通过操作上下箭头实现偏振通道的切换以及数据的处理和保存。

2.5 硬件构成总电路图

系统整体硬件电路包括主控制器电路、通信电路、键盘电路和存储电路这四部分,电路如图2所示。

3 软件系统设计

本系统的软件设计方面包括单片机程序和上位机程序的设计。上位机程序要实现的功能是接收串口指令、偏振图像处理保存、目标识别等。

3.1 单片机程序

单片机程序主要包括主程序、单片机发送接收子程序、键盘扫描子程序[3,8,9]等模块,均采用C语言进行模块化编程。单片机程序流程图如图3所示。

3.2 上位机程序

上位机程序采用Visual C++6.0[10]集成开发环境来编程,利用C语言来编程实现,其流程图如图4所示。

系统操作界面及上位机程序如图5所示。实际应用结果表明,该检测仪具有使用方便、成本低等优点。

4 结 语

本系统以微控制器为核心、以PC104为平台,实现了电动变焦、对焦、变光圈和图像处理的功能,搭建了多光谱偏振成像侦察系统,包括:整体架构设计、下位机底层硬件和软件的具体实现、上位机软件设计,较好地达到了预期目的。

摘要：介绍了以STC89C52RC为核心的电动变焦、对焦、变光圈以及以PC104为平台的图像处理多光谱偏振成像侦察系统组成及工作原理,给出了系统软硬件设计方法。实验结果表明,数字量化调焦效果良好,为偏振图像在线命令响应搭建了测试平台。实际应用结果表明,该系统具有使用方便、成本低等优点,具有广阔的应用前景。

关键词：偏振成像,侦察系统,STC89C52,多光谱成像

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多光谱成像 第2篇

关键词： 多光谱成像； 最优滤光片； 基向量法； 多项式模型； 数码相机

中图分类号：O 433 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.004

文章编号： 1005-5630（2016）05-0393-009

引 言

多光谱成像技术早在20世纪70年代就应用于航空航天遥感领域，并且不断得到发展[1]。由于其克服了传统三原色数字成像设备固有的同色异谱问题，实现了物体表面光谱信息的真实记录。该技术逐步在博物馆、美术馆和计算机图形学得到应用[2]，为文化遗产真实的数字化典藏、艺术品的高保真复制提供基础[3]。当前在颜色科学领域，光谱成像设备主要分为由窄带滤光片组成的窄带光谱成像系统[4]和由宽带滤光片配合三通道或单色CCD数码相机组成的宽带成像系统[5]。宽带成像系统通过光谱重建算法计算得到物体表面的光谱反射率，并且只需要对具有高分辨率的数码相机进行简单的改造，即可获取具有高分辨率和高空间分辨率的光谱图像，较好地克服了窄带光谱成像系统的低空间分辨率的缺点，光谱图像获取周期短，所以得到了广泛应用[6]。

美国孟塞尔颜色科学实验室Berns等对Sinar54型号数码相机进行改造，配合从肖特（scott）滤光片中所选取出的两个宽带滤光片schottBG39和schottGG475组成6通道宽带光谱相机，重建出D50光源下油画的光谱反射率。所选的滤光片只是为了得到与改造后的数码相机有近似的光谱灵敏度，并未形成一个使用滤光片的选择方法[7]。Day在Berns等的指导下也进行了相应的滤光片选择实验，结合伪逆法与相机数学模型成功地选择出在光谱上达到最佳精度的滤光片柯达雷登55（Kodak Wratten 55）和unfiltered （NF）。在色度上达到较高精度的是柯达雷登60（Kodak Wratten 60）和unfiltered （NF），但只是对不同型号滤光片组合的性能进行了简单分析，且选取出的滤光片在短波段重建效果较差，因为实验中采用的光源主要分布在长波段[8]。由此可见，不同光源下对于滤光片的选择也是决定光谱成像系统能否精确获取数据的重要因素之一。

国内武汉大学参考美国孟塞尔颜色科学实验室的研究成果，建立了一套完整的宽带光谱成像系统，并在文物保护领域得到了有效应用[9-10]。而对于宽带光谱图像滤光片的选择研究工作，目前还尚未深入。本文针对展览馆或美术馆进行艺术品高保真复制时用到的模拟日光D65和偏红A光源这两种典型的光照环境，基于普通的商用数码相机与普通的吸收宽带滤光片搭建出多光谱成像平台，对不同光源下滤光片的选择进行研究。

3 实验样本的获取和数据处理

3.1 实验环境

搭建的宽带多光谱成像系统平台如图1所示。实验是在Image Quality Labs提供的反射测试光源下进行。左右两边照明光束的光轴方向与样品法线成45°，相机拍摄方向的法线和样品法线之间的夹角尽量重合，误差不超过2°，以确保待测样品在不同空间位置所受到的光辐射量是均匀的。

实验中采用国际照明委员会（CIE）针对颜色的测量和计算推荐的标准光源A和标准光源D65，这两种常见的光源的相对光谱功率分布用PR-715辐射分光光度计测得，如图2所示。

3.2 实验仪器及样本的选取

3.2.1实验仪器

为了检验光谱重建精度，需要预先测量训练样本和测试样本的光谱反射率。本实验使用X-RiteSP64分光光度计来测量实验样本的光谱反射率，测量范围为400～700 nm，采样间隔为10 nm，排除镜面反射。采用佳能EOS400D配合不同颜色的宽带滤光片来采集实验样本的颜色信息。通过反复实验找到最佳拍摄方法。采用光学变焦镜头，焦距为38 mm，光圈值为1/2.8，ISO设置为400，曝光时间为1/160 s，聚焦设置为手动模式，且拍摄过程中相机保持静止不动。拍摄完后，通过在MATLAB平台上编程提取实验样本的RGB值。

3.2.2滤光片及实验样本

滤光片的选择决定了多光谱成像系统获取数据的精度，实验采用高透光率的卓美P系列方形滤光片，每个滤光片厚度为1.76 mm，尺寸为83 mm×95 mm。滤光片共11种颜色，分别为全粉、全蓝、全紫、全橙、全红、全黄、全茶、全绿、灰ND2、灰ND4、灰ND8。11种颜色滤光片的透过率如图3所示。

选用爱色丽公司的标准色卡Digital Color Checker SG（简称SG）中间的96个色块（外围的44色是三种中性色的重复）作为训练样本集，如图4所示其彩色色块大都代表自然界的真实颜色。待测样本为D65光源和A光源下的油画，针对油画具有代表性的不同颜色参考区域进行研究。

4 颜色再现的分析与评价

最优的滤光片组合应该具有色差ΔE00最小，光谱均方根误差（RSME）最小以及颜色主观因素影响的评分值最大。评价流程如图5所示。

4.1 D65和A光源下的颜色再现研究

在标准光源D65和标准光源A下拍摄的测试样本如图6所示，其中选取了8种（在图中用1、2、3、4、5、6、7、8标出）具有代表性的不同颜色的部分区域进行研究[20]。

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对55组滤光片组合再现的油画颜色，利用主观评价的方法，通过视觉判断将误差太大的组合筛选出去，在光源D65和A光源下分别选取出6组重构图像效果较好的数字油画，如图7、图8所示。

将两种光源下选取的6种组合进行进一步的分析研究，分别采用6组滤光片的组合对其重建，结果如表1、表2所示。ΔE00是国际照明委员会于2001年正式推荐的CIE2000色差公式的色差符号。

基于两种光源下分别选出的6种组合，需要选出一组最优滤光片。其分析结果如表3所示。

4.2 D65和A光源下的颜色再现分析

在D65光源下，从表1重构的数据可看出，每个色块在蓝绿滤光片组合下的误差相对较小，由于所研究的油画色调偏暖，对其中冷色调的5号和8号色块进行分析，在蓝绿组合的滤光片下其误差也比较小，这进一步说明，蓝绿滤光片的组合不仅可以较好地重建与其成对立色的颜色，同时也可以照顾到一些与其成补色的颜色。所选取的最优滤光片同样适用于冷色调的油画。同时对表3所选取的色块进行综合误差分析可知，全蓝和全绿滤光片组合的SymbolDA@ E00和光谱均方根误差（RMSE）的综合误差优于其他组合。蓝和绿滤光片的光谱透射率如图9所示。

对表2及表3分析可知，在A光源下8个色块在全红和全蓝这两个滤光片组合下，SymbolDA@ E00和RMSE都很小，包括冷色调的5号和8号在红蓝组合的滤光片下误差也比较小。所以所选取的最优滤光片同样适用于冷色调的油画。其综合误差分析结果也是红蓝滤光片组合优于其它组合。滤光片红和蓝的光谱透射率如图10所示。

图9 滤光片蓝和绿的光谱透射率

Fig.9 The spectral transmittance of blue and green filter

深入分析可知，测试样本再现效果的好坏与光源密切相关。A光源偏暖，光谱功率分布主要在长波波段，滤光片1的长波波段透过率较高，并由D65光源下滤光片的选取分析可知，蓝色滤光片也可以较好地重建与其成补色的颜色，所以在红蓝滤光片下重现效果最好。D65光源色温相比A光源偏冷，所以在蓝绿滤光片组合下重现效果最好。

4.3 D65和A光源下的颜色再现主观评价

主观评价要求所有的评测者均无色盲和色弱现象且视力正常，平均年龄在20岁左右，男性25人，女性25人，其中有颜色技术背景的15人，没有颜色技术背景的35人。将显示器的背景设置为灰色，色温设置为6 500 K，色空间设置为sRGB色空间，源场景和显示器均使用可调光照强度的标准D65光源和A光源照明，调节光照强度使人眼感受到的源场景亮度与显示图像亮度持平，然后所有的评测者对图7（a）～（f）6幅测试图颜色再现的效果进行主观评价。同样，将显示器的色温设置为2 856 K（A光源），重复上述步骤再对图8（a）～（f）6幅测试图颜色再现的效果进行主观评价。0～0.25表示颜色再现质量非常差，0.25～0.5表示颜色再现质量一般，0.5～0.75表示颜色再现质量好，0.75～1.00表示颜色再现质量非常好。表4为主观评价的实验结果。

由表4可知，所有场景再现的效果都在可接受的范围之内，在D65和A光源下再现效果最好的分别是蓝绿滤光片和红蓝滤光片下的再现图像，主观评价与客观评价结果一致。实验表明，所选取的滤光片组合为55种组合中最优。

5 结 论

本文是基于普通数码相机结合优化的滤光片搭建了可用于实际颜色复制应用的多光谱图像重建系统。通过实验分析知，滤光片的选取与光源密切相关，在D65光源下选取出的最优滤光片组合为蓝、绿，重构光谱的色差最小可以达到1.53，RMSE最小可达到0.045 1。而Berns等在D50光源下所选取出的两个宽带滤光片schottBG39和schottGG475的光谱特性曲线与本文所研究的蓝色和绿色滤光片光谱特性曲线基本一致。标准照明体D50和D65都是日光模拟器，所以在模拟日光环境下，选用蓝、绿滤光片搭建的多光谱成像系统基本会达到最佳精度。在A光源下选取出的最优滤光片组合为红、蓝，重构光谱的色差最小可以达到0.66，RMSE最小可达到0.046 0，都具有较高的重构精度。并对再现颜色的质量进行了主观评价，与客观评价的结果相一致。初步实验结果表明，根据光照环境不同采用选出的最优滤光片可得到最好的光谱成像图，能满足人们在日常生活中对于油画等艺术品高保真图像再现的基本需求，可以在实际中得到广泛应用。

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多光谱成像 第3篇

本文设计的非接触多光谱手成像系统显示与数据接口可将在非接触多光谱条件下采集到的手掌静脉、掌纹和掌形三模态图像显示在液晶显示屏上,并通过以太网接口以TCP/IP协议在PC和DSP之间进行通信。 本设计为非接触手多模态信息融合识别技术搭建了理想的硬件平台。

1 系统总体硬件结构

构建合理准确的硬件结构能够使采集到的图像很好地呈现在显示屏上, 并将图片数据通过以太网传到PC上, 而且能提高识别的准确度和速度, 从而提高系统的整体性能。 本系统硬件结构由光源子系统、图像采集模块、DSP数据处理识别模块、 语音提示模块以及液晶显示模块、以太网接口模块等组成。

图1 为系统总体框图。 此系统为非接触多光谱式手成像系统,被测试者水平自然伸出手掌即可进行采集。 由GPIO口发出光源控制信号来控制470 nm的可见光蓝光和850 nm的近红外光源,以完成多光谱条件下对手部信息的采集。 由图像传感器采集到图像数据存在SDRAM中;由EDMA将数据搬到视频输出口VP0 的FIFO中输出至编码芯片;经过编码芯片对信号进行D/A转换,输出模拟信号并送入液晶屏,使手部信息在显示器上实时显示。 同时,将采集到的手图像数据经EMAC,由物理层芯片(PHY) 对数据进行处理后送至RJ45 , 最后在PC上完成注册等相关工作。

2 实时显示电路的设计

实时显示电路主要依靠DM642 来完成。 前端图像采集模块采集到的数据由DM642 的VP口输出数字信号,经过编码芯片转换成模拟信号接显示屏进行显示。 图2为系统实时显示电路的框图。

2.1 编码芯片SAA7121H初始化

编码芯片选用Philips公司一款较简单的D/A转换芯片SAA7121H, 将数字视频信息转换成场频为50 Hz的全电视模拟信号。 MP0~MP7 的视频数据引脚输入数据为BT.656 格式的数字视频信号,经过SAA7121H芯片内的数据管理模块分离出Y、Cb、Cr信号, 然后送到片内相应的数/模转换模块, 将数字视频信号转换为复合视频信号,最后由CVBS或者Y、C输出[1]。

本系统通过DM642 的GP14 和GP15 模拟I2C总线时序,对SAA7121H的功能寄存器进行配置。将SAA7121H芯片引脚SA拉低,即设备地址为0x88。 SAA7121H内部有128 个寄存器:26H~2EH为状态寄存器, 用于设置宽屏显示模式和奇偶场编码使能等;3AH~5FH为工作方式寄存器, 控制色度信号增益;61H用于设置输出制式及每行像素个数;62H~66H用于设置载波实时控制使能及载波频率;6BH ~6EH用于设置行/场同步信号的输出;75H用于调整同步信号;70H~74H、76H~79H、7EH~7FH与广播信号有关。

(1) 在获得U 、V信号时要考虑白电平到黑电平之间的范围, 因为白电平与黑电平的差值定义了增益的大小,其中最暗的程度是0 IRE,最亮的程度是100 IRE。 事实上画面中亮度低于7.5 IRE的地方基本上已经显示不出细节了, 看上去就是一片黑色, 将黑电平设为7.5 IRE时,就可以去掉一些信号成分,从而在一定程度上简化电路结构。 本设计将黑电平设为7.5 IRE, 则white toblack =92.5 IRE ( 即白电平与黑电平之间的差值为92.5IRE) ; 同步脉冲通常为零值以下的40 IRE , 因此白色信号的峰峰值(正最高值100 IRE减去负最高值-40 IRE)应该等于140 IRE,即white to sync=140 IRE。

(2) 地址为6BH的RCV端口控制寄存器。

PRCV2 、PRCV1 : 判断RCV2 、RCV1 引脚有效极性, 即输入是在上升沿还是下降沿时有效,本设计中采用上升沿有效。

ORCV2 、ORCV1 : 通过置0 或者1 来控制RCV2 、OR-CV1 用作输入还是输出引脚。 本设计中该两位置0 ,RCV2 、RCV1 用作行场信号的输入引脚。

CBLF:判断RCV2是否提供水平同步信号。

TRCV2:水平同步信号是来自RCV1、RCV2。

SRCV11和SRCV10:定义RCV1的类型。

在本设计中,把TRCV2 位设为1,因为行同步信号是由RCV2 提供的。 由于采用场同步输出的方式,所以SRCV11 和SRCV10 设置为00 , 该寄存器是0x20 。

( 3 ) 通过设置奇偶场中的有效行来确定显示图片的大小,SAA7121H寄存器地址为7AH的First active line寄存器和地址为7CH的MSB vertical寄存器中的第4 位FAL8 决定第一个有效行的位置; 地址为7BH的Last ac-tive line寄存器和地址为7CH的MSB vertical寄存器中的第6 位LAL8 决定最后一个有效行的位置。

通过配置完SAA7121H寄存器, 将输入视频BT.656格式的数字信号转换成为NTSC视频制式, 扫描方式为隔行扫描,图像大小为640480,使其输出满足本设计的要求。

2.2 VP口与编码芯片SAA7121H硬件连接

TMS320DM642 的视频口亦可配置为视频输出口[2],通过视频编码芯片把BT.656 格式的视频数据转化为NTSC制式的视频信号。 SAA7121H的8 条数据线MP[7:0]与VPORT的10 根数据线中的高8 位依次对应连接VPORT0_D[9:2] ;SAA7121H的输入时钟信号LLC的频率为27 MHz,引脚LCC与VPORT的VP0_CLK0 相连,控制VPORT的数据显示节奏;SAA7121H的控制信号RCV1和RCV2 与VPORT的VPORT1_CTL1、VPORT1_CTL0 连接。 图3 为显示接口电路硬件连接图。

2.3 液晶显示模块

显示器主要用于显示身份识别的结果以及手成像过程的实时显示, 最终使人机界面融为一体。 要使显示屏正确显示图像以及识别结果, 在使用前需要对液晶显示模块进行初始化的操作。 初始化内容主要包括选择数据的传输接口(VGA接口或A/V接口)、显示器的亮度调整、工作和显示窗口大小的设定等。 本设计中采用A/V数据接口, 显示模式调为NTSC制式,宽屏显示。

3 以太网数据接口

选择用以太网接口来实现数据传输功能。 DM642 内部集成了增强型网络存取控制器(EMAC), 但没有提供物理层接口,所以需要外接一片物理层芯片(PHY)完成物理层功能, 从而实现网络操作和数据交互等功能。图4 所示为以太网接口部分整体框图。

3.1 增强型网络存取控制器(EMAC)

DM642 的EMAC功能上可分为3 个模块:EMAC控制模块、EMAC模块和MDIO模块。 其中EMAC控制模块负责EMAC模块和MDIO模块的管理,是DM642 内核与EMAC模块、MDIO模块之间的接口, 管理DM642 网络功能的复位、 中断等;EMAC模块是DM642 内核与网络之间的接口;MDIO模块的功能是查询和配置物理层芯片的工作状态[3]。 TMS320DM642 的EMAC部分功能框图如图5 所示。

3.2 物理层芯片LXT971ALC

由于DM642 内部没有提供物理层接口,所以外接一片物理层芯片LXT971ALC实现物理层操作功能。LXT971ALC是Intel公司推出的网络通信接口电路, 它符合IEEE标准,直接支持10 Mb/s和100 Mb/s双绞线应用。 该电路提供的MII接口能很好地符合10/100 MACs,支持全双工操作[4],在全双工模式下,可以同时实现发送和接收[5]。

根据IEEE802.3 协议,100 Mb/s以太网物理层分为3 个功能子层, 分别为: 物理编码子层(PCS) 、 物理介质连接子层(PMA)和物理介质相关子层(PMD)。 物理层芯片LXT971ALC实现了以上各层的功能, 芯片的硬件功能框图如图6 所示。

3.3 EMAC与物理层芯片LXT971ALC硬件连接

由于EMAC没有集成网口的物理层,因此,必须与外部的物理层和链路层芯片组成网口传输硬件电路。 在LXT971ALC与网口RJ-45 之间使用网络隔离变压器, 主要有两个作用:(1)传输数据,它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端;( 2 ) 隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平, 以防止不同电压通过网线传输损坏设备。 除此之外,网络隔离变压器还能对设备起到一定的防雷保护作用。

当DM642 有数据需要发送时,首先通过MTXEN引脚使能TX_EN信号,然后通过DM642 的EDMA搬移待发数据,从DM642 的SDRAM中,通过发送总线MTXD[3:0]传输到LXT971ALC内,经LXT971ALC内部逻辑,将封装数据发送到以太网上。 发送时钟TX_CLK由LXT971A产生。当发送过程有冲突产生时,冲突检测信号COL置高,状态指示信号CRS置高,DM642 收到冲突信息并进行相应的处理,以保证数据传输按照网络协议正常工作。 当DM642接收数据时,RX_DV数据接收端在数据有效时置高,提示DM642 按照LTX971ALC产生的时钟RX_CLK从数据接收总线MRXD[3:0]上接收数据。 当数据接收发生错误时,出错信号MRXER置高, 随后DM642 按照与PHY的协议进行处理。 MDIO模块的时钟信号MDCLK和数据信号MDIO用于LXT971ALC芯片控制参数的写入和读取。 EMAC/MDIO与LTX971ALC的硬件连接如图7 所示。

3.4 数据分包

本设计主要是在DM642 和PHY之间实现TCP/IP传输协议。 TCP/IP通常被认为是一个4 层协议系统,包括链路层、网络层、传输层、应用层。 传输层上的协议主要是传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol) 和用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。 两种协议的主要区别如表1 所示。

通过分析,本设计中在DM642 与PC之间的通信采用UDP协议。 由以太网的物理特性确定数据帧的长度必须在46~1 500 B之间,1 500 B被称为链路层的MTU(最大传输单元),即网络层IP数据报的长度限制。 因为IP数据报的首部为20 B,UDP数据报的首部8 B, 所以UDP数据报的数据区最大长度为1 472 B。 这1 472 B就是可以使用的字节数。 当发送的UDP数据大于1 472 B时,发送方IP层就需要分片,把数据报分成若干片,使每一片都小于MTU。

具体设计中要根据传输的数据量大小来决定分多少次传输,即需要多少个UDP发送包。 因为本设计是要用网络来传输图像数据,发送的图像为640480 点阵的256 色的灰度图像, 图像大小为307 200 B , 而UDP每个数据包大小不能超过1 472 B, 所以一幅图像分成200个数据包传输,前219 个数据包中图像数据部分长度为1 400 B , 第220 个数据包中图像数据部分长度为600 B ,不足1 400 B的部分补充0。

4 语音模块

语言模块主要负责对操作者进行功能及操作提示。采用WT588D-U语音芯片作为主控核心,利用电脑通过USB接口将事先编辑好的语音片断下载到语音模块中[6]。 本设计的音频输出为PWM驱动扬声器,控制模式选为一线串口模式,即用一根数据线发送数据,通过不同的占空比发送不同的数据。 可以实现控制语音播放、停止、音量调节和直接触发语音等功能。在发送数据时,直接发送地址数据便可触发播放语音。 高电平与低电平数据占空比1:3 即代表数据位0,高电平与低电平数据位占空比为3:1 代表数据位1[7],如图8 所示。

5 结果与分析

本文介绍了在TMS320DM642 嵌入式硬件平台上实现手图像实时显示以及利用网络进行视频传输的系统设计过程,实物如图9 所示。 实践表明,该系统完全可以实现实时显示和数据传输的功能,而且性能稳定。 通过嵌入相应的融合处理和识别算法, 可以完成对用户的身份识别。

摘要：提出并设计了一种基于DSP芯片TMS320DM642的手图像实时显示和嵌入式网络实现方案,介绍了各模块的硬件实施方案和软件配置方式。图像数据由DM642处理后通过视频接口输出,由编码芯片转换为NTSC格式的模拟信号,并在显示屏上实时显示;系统利用DM642的EMAC将图像数据传输至物理层芯片实现物理层功能;通过RJ-45接口,完成了DSP与PC之间高速网络数据传输。

多光谱成像 第4篇

收稿日期： 20131212

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(61205156、61378060);科技部重大科学仪器专项(2011YQ15004002、2011YQ15004004、2011YQ14014704);上海市教委曙光项目(11SG44)

摘要： 针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。

关键词： 光栅光谱仪; 光谱分辨率; Offner结构; 同心光学系统

中图分类号： TH 744.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.012

Research of resolution for Offner twomirror

threereflection imaging spectrometer

PEI Ziren, HUANG Yuanshen, NI Zhengji

(1.School of OpticalElectrical and Computer Engineering, University of Shanghai for

Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract： The calculating equation of spectral resolution was deduced by geometry method based on eliminating aberration structure of Offner twomirror threereflection imaging spectrometer. The entrance slit width, convex grating resolution, system aberration and pixel size of detector have a great influence on spectral resolution, and the influence of resolution for each parameter was analyzed. The calculating method and optimization design method of aberration were proposed in spectroscopic system. The techniques and methods of improving spectral resolution were summarized, namely, when the system aberration was optimized, the spectral resolution could be enhanced by decreasing entrance slit width and pixel size of detector. This system used optimization design of eliminating aberration, as well asdesign method of spectral resolution, which has important practical value. It can provide the experience and reference for imaging spectrometer′s designing.

Key words： grating spectrometer; spectral resolution; Offner configuration; concentric optical system

引言Offner型成像光谱仪属于同心光学系统结构,该结构由于具有像差小、相对孔径大、成像质量高、结构简单紧凑、谱线弯曲和色畸变小等优点,可以用于高分辨率成像光谱仪的分光系统,用来实现目标识别和检测、精确测绘、临床诊断成像、管理和环境评估等任务,广泛应用于各行各业相关领域［12］。Offner型成像光谱仪的思想最早由Mertz提出［3］,后经Kwo等加以改进［4］,该成像光谱仪由一个大凹面反射镜和一个同心的凸面光栅组成。这种结构设计保证系统所有三级像差为零,而且采用反射结构,没有系统色差［5］。该结构简单,易实现大孔径,与其它平面和凹面光栅结构的光谱仪相比,像差很小,其光谱性能大大提高［35］。虽然目前国内外有很多文献［510］探讨了Offner成像光谱仪的消像差设计,提出了一系列减小系统像差的方法和结构,但是对于该系统光谱分辨率,还没有具体详细的研究。不少文献［5,710］只是在优化设计时提出光谱分辨率的参数要求,有的文献［56］对于分辨率的要求仅限定于定性的分析,并没有深入考虑在整个光谱仪系统其它因素对分辨率的影响,而且又没有求出最终光谱分辨率表达式,而光谱分辨率是衡量光谱仪品质的重要性能参数。因此本文在前人研究的基础上,采用Kwo等提出的Offner双镜三反射成像光谱仪结构,结合Offner系统的消像差特点,在仪器设计中考虑了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像素尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,从而在使用波段范围内,能够取得较小的像差、高分辨率和合理的光谱能量分布。光谱分辨率是指光谱仪能分辨两条波长很接近的谱线的能力,它是成像光谱仪最重要的性能指标之一,通常利用瑞利准则来判断,即当两条强度分布轮廓相同的谱线的最大值与最小值重合时,它们能够分辨［11］，然而利用瑞利判据是仅考虑衍射极限分辨率。在实际应用中,Offner成像光谱仪的最终分辨率受到入射狭缝宽度、凸面光栅分辨率、系统像差以及探测器像元尺寸等各个因素的影响,使得实际分辨率低于理论分辨率。因此,研究各因素对光谱分辨率的影响,对成像光谱仪的设计具有极其重要的意义。1入射狭缝宽度对光谱分辨率的影响Kwo等提出的双镜三反射成像光谱仪的分光系统结构如图1所示,当入射光从A点出发,经过凹面镜反射到凸面光栅上,经过光栅衍射返回到凹面镜。设系统的等效入射焦距为r,等效出射焦距为r′,这样从A点出射的入射光路和出射光路等效为图2所示,当入射光线是波长为λ的理想单色光时,此时入射狭缝宽度对系统分辨率的影响,主要表现在光栅色散时,狭缝在像面上所形成像的几何宽度。光学仪器第36卷

第2期裴梓任，等：Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究

图1Offner结构成像光谱仪

Fig.1Offner configuration for imaging spectrometer

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图2狭缝与狭缝像之间的关系

Fig.2Relation between slit and slit image

如图2所示,当入射狭缝的几何宽度为L时,狭缝中点为A0,边缘两点为A1和A2,入射光线A0O入射角为α,光线A1O和A2O的入射角分别为α+Δα和α-Δα,入射狭缝像在像面上的几何宽度为ΔL,对光栅方程sinα-sinβ=kλ/d求导,得:dβ=cosαcosβdα即得Δβ=cosαcosβΔα(1)其中,α为主光线入射到光栅上的入射角,β为衍射角,k为光栅衍射级次,d为光栅常数。在Δα和Δβ很小的情况下,狭缝L=2r×Δα,狭缝像的几何宽度ΔL=2r′×Δβ,将式(1)代入,得:ΔL=r′cosαrcosβ×L(2)当入射光线不是单色光时,假设入射狭缝中点A0在像面上的线色散为dldλ,单独考虑中点A0,此时入射角α不变,对光栅方程求导,得:dβdλ=kdcosβ(3)因此,狭缝中点A0在像面上的线色散为:dldλ=r′dβdλ=r′kdcosβ(4)入射狭缝像的几何宽度ΔL所对应的光谱宽度W′为:W′=ΔLdλdl=L×dcosαkr(5)根据瑞利准则,当两条强度分布轮廓相同的谱线λ1和λ2的最大值和最小值相重叠时,它们能被分辨,如图3所示,此时理论上最大分辨率为:R理想=λ—Δλ=(λ1+λ2)/2λ2-λ1(6)但是由于狭缝的存在,谱线会因狭缝的宽度而使光谱变宽,此时图3(a)变成图3(b),这时,λ1和λ2不能被分辨,如果将图3(a)中的λ2谱线向右移W′/2就可被分辨,如图3(c)所示,此时λ′1=λ1,λ′2=λ2+W′2,则光谱仪的实际分辨率为:R实际=(λ′1+λ′2)/2λ′2－λ′1=(λ1+λ2+ΔL2×dλdl)/2λ2+ΔL2×dλdl－λ1=4λ—+r′cosαrcosβ×L×dλdl4Δλ+2r′cosαrcosβ×L×dλdl(7)将式(7)对狭缝宽度L求导,得:dR实际dL=r′cosαrcosβ×dλdl(4Δλ—－8λ—)4Δλ+2r′cosαrcosβ×L×dλdl2(8)很显然dR实际/dL<0,即:实际光谱仪的分辨率随入射狭缝的增大而减小,这与式(5)得到的结论相一致,即:狭缝宽度增大,则光谱也变宽,对应的分辨率就减小,因此,减小入射狭缝宽度有利于提高光谱仪的分辨率。然而由于减小入射狭缝的宽度,会使出射光强度减弱,当入射光强较弱时,狭缝宽度过小有可能导致探测器无法接收到光信号。因此,在实际使用时,应在保证光信号能够被光电探测器探测的前提下,尽量减小入射狭缝宽度,以提高仪器的分辨率。当入射狭缝像的宽度小于或等于衍射宽度时,即:ΔL=r′cosαrcosβ×L≤r′λ0Ndcosβ(9)此时狭缝宽度引起的像差可以忽略,该光谱成像系统可以认为是理想的光学系统。此外,将式(7)对dl/dλ求导,得到dR实际/(dl/dλ)>0,即:光谱仪的分辨率随线色散的增大而增大,而dR实际/dα>0,因此分辨率随着入射角的增大而增大,说明在大角度下使用光栅,增大入射角也可提高分辨率。图3光谱宽度与分辨率之间的关系

Fig.3Relation between spectral width and resolution

2凸面光栅对系统整体分辨率的影响由于光栅的色散作用,在入射角相同的情况下,不同波长的光线入射到光栅上,被光栅衍射到了不同的方向上依次排列,形成光谱。在相同的条件下,使用的光栅分辨率越高,光谱仪的分辨率也越高,相应的成像质量越好,光栅衍射主极大的半角宽度为:Δβ=λNdcosβ(10)根据角色散公式,光栅对应的光谱宽度为:Δλ=dλdβΔβ=λkN(11)因此光栅的分辨本领为:RG=λΔλ=Nk(12)上述所描述的是光栅理论分辨率,其中N为光栅总刻线数。在实际凸面光栅成像光谱仪中,光栅的刻线数是有限的,因此它的主极大条纹的宽度有限,不可能无限小。由于凸面制造工艺技术难度较大,存在不同程度的缺陷,所以光栅实际分辨率通常要低于理论分辨率,这就要求在设计光谱仪时尽可能选择没有缺陷或缺陷极少的凸面光栅,从而提高光谱仪的分辨率。3系统的像差对光谱仪分辨率的影响像差是实际成像系统所成的像与理想成像系统所成的像之间的差异,由于像差的存在,物点在像空间所成的像是一个弥散斑,弥散斑的大小和形状与像差有关。色散系统由于像差的存在,使光谱响应函数的带宽变宽,从而系统分辨率降低。因此,在设计成像光谱仪时,尽可能地减小系统的像差,是获得高分辨率的关键。如图1所示Offner成像光谱仪结构,在物像平面上存在一个最佳的入射点位置,光束从该位置入射,系统具有最小的像差。由于是同心同轴结构,根据对称性,系统没有彗差,弧矢像差也没有,只存在高级子午场曲,因此稍微增大凸面光栅的曲率半径r,使r略大于凹面镜的曲率半径的一半R/2,这样可以引入球差来抵消高级子午场曲,使系统的像差最小,分辨率最高［56］。根据Offner双镜三反射的结构特点,首先恰当地选择凸面光栅和凹面镜的曲率半径之比,再根据设计要求采用光线追迹法确定最佳的入射点位置,这样可以使系统的像差最小。实践证明［6］,当两半径比在0.5～0.55范围内,可以获得最小像差,鉴于此,选择凹面镜的曲率半径R=240.6 mm,凸面光栅的曲率半径r=125.4 mm(r/R=0.521 2),刻线图4系统像差随入射点高度的变化

Fig.4Aberration curve versus object height数N=500 g/mm,孔径角μ=±3°。根据光线追迹法和几何关系,在某一入射高度hi,将单色入射光线平均分成n个角度的光线,计算出每条光线像点与主光线像点之间的不重合度Δi,再对这n个Δi计算均方差作为弥散斑的半径,用弥散斑半径表示单色像差,再求出所有波长对应的单色像差,并对所有单色像差求均方差值,表示某一波段内的系统平均像差,最后利用软件模拟求出不同入射高度时对应的所有平均像差大小,从而求出在可见光波段最佳入射点高度,如图4所示。在这个已知的系统中,当入射点h=39.02 mm时,该系统具有最小像差为26.479 μm,在其他条件正常的情况下,此时系统的分辨率最高。4探测器像元尺寸对光谱仪分辨率的影响成像光谱仪接收器件采用CCD探测器,它是由一系列像元组成,每个像元所积累的电荷量与其所接收的光谱段的强度成正比［11］,像元的个数N是根据光谱使用的波段范围和光谱取样间隔来决定的,即:N=(λ2-λ1)/Δλ,因为每个像元都有一定的尺寸大小,所以一个像元所占的光谱宽度就决定了光电阵列探测器的最小可分辨的波长差δλC,也就是决定了光谱取样间隔。当系统像差和入射狭缝引起的光谱带宽增宽都小于CCD的最小可分辨的波长差δλC时,可以通过减小CCD探测器像元尺寸来提高系统的光谱分辨率;当系统像差和入射狭缝引起的光谱带宽增宽都很大时,此时减小CCD探测器像元尺寸只能将信号的采样频率提高,使光谱轮廓描述得更细致,但不能提高系统光谱分辨率。由于过多减小像元尺寸会使制造工艺中难度增大,因此,要想提高光谱分辨率,除了减小探测器像元尺寸外,更重要的是减小系统的像差,使系统接近理想光学系统。5结论本文根据Offner成像光谱仪的结构,利用几何关系式,全面地分析了在入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像素尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,推导出了实际分辨率与光栅衍射参数之间关系的公式,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并讨论了分辨率受各种因素的影响及提高分辨率的办法,即:适当地减少入射狭缝的宽度、选择优质的光栅、选择恰当的入射点高度以及减小探测器像元尺寸可以提高光谱仪的分辨率,从而在使用波段范围内,能够取得较小的像差、高分辨率和合理的光谱能量分布,解决了光谱仪的各个因素和光谱分辨率之间的矛盾,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。参考文献：

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静态光谱偏振差分成像技术研究 第5篇

偏振差分成像技术与光谱成像技术结合可以实现光谱偏振差分成像,可获取目标图像每个像素点上各光谱段的偏振差分信息。光谱偏振差分成像仪能够大大提高光学遥感探测获取的信息量,在遥感探测领域具有非常广泛和重要的应用。通过遥感图像光谱信息和偏振差分信息比对,可以把微弱目标从周围的杂波环境中探测出来。光谱信息、偏振差分信息与空间信息相结合,能够实现亚像元探测和识别,特别适合于探测复杂背景中的感兴趣目标。

本文提出了一种基于液晶可调谐相位延迟器(liquid crystal variable retardation,LCVR)和液晶可调谐滤光片(liquid crystal tunable filter,LCTF)的静态光谱偏振差分成像技术,介绍了原理和实现方式,完成了原理样机研制,给出了实验结果。

1 基于LCVR和LCTF的静态光谱偏振差分成像原理

LCTF是根据液晶的电控双折射效应和偏振光的干涉原理制成的新型分光器件,具有带宽窄、功耗低、调谐范围宽、驱动电压低、结构简单、无运动部件等优点,被广泛应用于光谱成像系统中。由于LCTF的每一级都包含有线偏振片,因此它本身也具有线偏振器的特点。正是利用这一特点,日本国家宇航实验室[3]和西北工业大学自动化学院[4]将LCTF与成像相机结合,组合成了光谱偏振成像仪,通过旋转LCTF来获得不同线偏振方向的光谱图像,进而计算出Stokes光谱图像。该方法的缺点是LCTF需要由步进电机驱动绕光轴旋转,增加了机械运动部件,降低了可靠性,结构也更加复杂。

LCVR也是基于液晶的电控双折射特性制成的偏振调制器件,其产生的相位延迟受电压控制,能够对指定波长的光实现精确的相位调谐。相对于传统的偏振片,具有无需运动部件、体积小、功耗低、重量轻、工作谱段宽、响应时间短的优点。

将LCVR与LCTF组合时,可以将LCTF视为一个滤光片和线性检偏器的组合,如图1所示,利用LCVR对LCTF透过波长的相位进行调谐,从而实现在静止状态下通过电调谐的方式测量不同线偏振方向的光谱,这样就实现了静态光谱偏振成像。

如图1所示,假定LCTF的检偏方向为0°,LCVR相对与LCTF调谐波长λ的相位延迟量为0,当入射光为I0时,输出光为I(λ,0°)。当LCVR相对与LCTF调谐波长λ的相位延迟量为π/2时,输出光为I(λ,90°)。光谱偏振差分的结果为:

2 静态光谱偏振差分成像仪设计

2.1 系统结构

静态光谱偏振差分成像仪主要由前置物镜、准直镜、偏振调制及分光模块、成像镜、图像传感器和计算机等构成,其中偏振调制及分光模块由LCVR和LCTF组成,系统结构原理框图如图2所示。来自目标发出或反射的光经过前置物镜后成像于一次像面,该一次像面位于准直镜物方焦面上,将LCVR和LCTF依次放置于准直镜后的平行光路中,经调制后的光束再经成像镜成像于图像传感器上。LCVR、LCTF和图像传感器由计算机同步控制,每设置一次LCTF的透过波长,再设置两次LCVR的相位延迟量,图像传感器采集对应波长和线偏振态下的准单色图像。再由计算机对采集图像进行处理获得光谱偏振差分图像。

2.2 光学系统

光学系统主要包括前置物镜、准直镜和成像镜,其中前置物镜采用商用照相镜头。为了匹配商用照相镜头、LCVR、LCTF和工业相机之间的接口尺寸关系,保证光谱偏振成像仪能够对任意距离目标成像,采用准直镜和成像镜组成一套中继光学系统,将商业镜头所成的像经过LCVR和LCTF后中转到CCD相机的图像传感器上,为LCVR和LCTF提供足够的安装空间,从而实现由商用照相镜头、LCVR、LCTF、中继成像系统和CCD相机组成的静态光谱偏振差分成像仪。

中继成像系统工作在单位放大率下,采用物方像方双远心系统,设计为完全对称的结构形式,将两个光阑外置的无穷远成像系统对接,LCVR和LCTF放置于中间的平行光路中。这种设计可自动校正彗差、畸变和垂轴色差,适应商业镜头、LCVR、LCTF和CCD相机之间的尺寸接口关系。在设计中主要考虑校正球差、轴向色差、场曲和象散。按照系统要求,设计全对称的中继成像系统,矫正工作波段内的球差、色差、场曲。设计结果如图3所示。

2.3 偏振调制及分光系统

偏振调制及分光系统由LCVR与LCTF组成,通过设定LCTF的透过中心波长,选择使某一波长的准单色光通过,然后通过LCVR针对该波长设定合适的相位延迟量,从而使指定线偏振态准单色光透过LCVR和LCTF组合到达图像传感器。

系统选用美国CRi公司的Vari Spec VIS型LCTF,工作光谱范围是400~720 nm,半峰全宽为10 nm,工作孔径为20 mm,可通过电调谐获得工作光谱范围内任意中心波长的半峰全宽为10 nm的透过率曲线,透过率曲线如图4所示。

LCVR选择Meadowlark Optics公司的VIS型号,其工作波长为450~700 nm,有效工作孔径为40 mm,相位延迟量范围是0~λ/2。

集成设计中,将LCVR放置在LCTF的前方,要求LCVR和LCTF的调谐严格同步,并且保证在每次曝光采集图像时已经调谐稳定。

2.4 图像采集控制系统

图像采集控制由计算机实现对LCVR、LCTF和相机的有序控制,完成光谱偏振图像的采集。系统在LCTF设定的每一个透过波长处,根据需要对LCVR设定正交的两个相位延迟参数,进而测得在这一透过波长下的正交线偏振角的图像。

图像传感器选用CCD相机,采用2/3英寸Sony ICX285探测器,在450~700 nm范围内量子效率可达70%以上。通过计算机实现对LCVR、LCTF和CCD相机等主动部件的控制。通过软件界面进行人机交互,实现目标光谱偏振图像的采集、存储和处理。

3 光谱偏振差分成像实验

采用静态光谱偏振差分成像系统获取了室内盆栽和电话的光谱偏振图像,其中LCTF从450 nm调谐到700 nm,步长10 nm,对每一个透过波长,通过LCVR设定两个不同的相位延迟量,获得这一透过波长下水平和垂直两个方向上线偏振角的图像,共采集52幅光谱偏振图像,图5为从中抽取480 nm、560 nm和650 nm三个谱段0°和90°两个偏振方向采集的原始图像,图5中可见,各种物质在不同的谱段表现各不相同,反映了它们在不同谱段的吸收特性,而对于不同偏振角度的图像,0°偏振图像中花盆表面的反光被有效抑制,使得能清楚观察到反光处的图案细节,90°偏振图像中花盆表面反光较明显。图6为数据处理流程[5,6],水平和垂直两个偏振方向的偏振图像经辐射定标和配准后,根据公式(1)可计算得到偏振差分图像,将该图像与两个偏振方向的均值图像重组数据立方体,结合光谱数据和偏振差分数据进行最终的光谱偏振差分图像分析。图7为计算得到的均值图像数据立方体,图8为实验场景中各物质的反射光谱曲线,图9为560 nm谱段对应的差分偏振图像,从差分偏振图像中可更清晰地观察到电话阴影处的细节,同时检测出光滑材料表面的反光。

4 结论

静态光谱偏振差分成像系统采用LCTF和LCVR实现偏振态和透过波长的电调谐,从而实现全静态光谱偏振差分成像,无任何机械运动部件,功耗降低、体积减小,为便携式光谱偏振差分成像仪的实现提供了可能。实验获取了可见光450~700nm、带宽为10 nm、水平和垂直两个方向的光谱偏振图像,成像质量良好,经数据处理生成可用于光谱偏振分析的标准图像数据,在环境监测、大气探测、土壤湿度分析、植物分类以及军事应用(战场环境探测、人工与自然目标的识别、揭露伪装)等许多领域有着广泛的应用前景。

参考文献

[1] 王新全,相里斌,黄旻,等.成像光谱偏振仪研究进展.光谱学与光谱分析,2011;31(7):1968—1974Wang Xinquan,Xiang Libin,Huang Min,et al.Advance in imaging spectropolarimeter.Spectroscopy and Spectral Analysis,2011;31(7):1968—1974

[2] 王新全,相里斌,黄旻,等.静态成像光谱偏振仪.光电子·激光,2011;22(5):689—692Wang Xinquan,Xiang Libin,Huang Min,et al.Static imaging spectropolarimeter.Journal of Optoelectronics·Laser,2011;22(5):689 —692

[3] Homma K,Shingu H,Yamamoto H.Agro-environment observation using near-infrared LCTF spectropolarimeter.Proceedings of SPIE,2005;5655:407—418

[4] Zhao Yongqiang,Zhang Lei,Pan Quan.Spectropolarimetric imaging for pathological analysis of skin.Applied Optics,2009;48(10):D236—D246

[5] Bartlett B D,Schlamm A,Salvaggio C,et al.Anomaly detection of man-made objects using spectro-polarimetric imagery.Proc of SPIE,2011:8048,80480B:1—7

地物反射波谱特征及高光谱成像遥感 第6篇

关键词：地物,反射波谱,高光谱成像,遥感

自1948年原苏联的克里诺夫出版了有关地物波谱特性研究以来,人们开展了大量的地物波谱特性的观测和研究.20世纪60年代美国为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究,20世纪70年代该项研究进入高潮.目前研究的波段基本覆盖了遥感所使用的波段,测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水体和人工建筑等地物.这些研究对认识遥感成像机理、遥感图像解译、遥感仪器最佳探测波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用.随着遥感应用的深入,遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步发展;特别是成像光谱仪的应用,不仅显示了地物波谱特性研究的重要性,而且也推动了这一领域的研究.因为它可以获得图谱合一的信息,可以直接将地物波谱特性和遥感图像结合在一起,在图像分析和应用方面都取得了很好的结果.现代遥感技术的发展,不仅延伸了地物的成像波段范围,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性,突出特定地物反射峰值波长的微小差异.开展地物可见光和近红外反射波谱特征分析研究是对遥感图像进行数据利用和评价的物理基础[1].

1 地物的反射类别及反射特性曲线

地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现,可见光和近红外波段主要表现地物反射作用和地物的吸收作用.因此,地物反射波谱特征也就是指地物可见光和近红外波段波谱特征.

根据地表目标物体表面性质的不同,物体反射大体上可以分为3种类型,即镜面反射、漫反射、方向反射(实际物体的反射).

镜面反射是指物体的反射满足反射定律.当发生镜面反射时,对于不透明物体,其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量.自然界中真正的镜面很少,非常平静的水面可以近似认为是镜面.

漫反射,如果入射电磁波波长λ不变,表面粗糙度h逐渐增加,直到h与λ同数量级,这时整个表面均匀反射入射电磁波,入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射,其反射辐照亮度是一个常数,这种反射面又叫朗伯面. 实际地物表面由于地形起伏,在某个方向上反射最强烈,称为方向反射,是介于镜面和朗伯面(漫反射)之间的一种反射.自然界中绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射,又叫非朗伯面反射.它发生在地物粗糙度继续增大的情况下,反射具有各向异性,即实际物体面在有入射波时各个方向都有反射能量,但大小不同.

从空间对地面观察时,对于平面地区,并且地面物体均匀分布,可以看成漫反射;对于地形起伏和地面结构复杂的地区,为方向反射.图1示出了3种反射的情况.

反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比,ρ=Er/E,这个反射率是在理想漫反射体的情况下,整个电磁波长的反射率.实际上由于物体固有的结构特点,对于不同波长的电磁波会产生有选择的反射,例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成,如图2所示.入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮,蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用;绿光也吸收了一大部分,但仍反射一部分,所以叶子呈现绿色;而近红外线可以穿透叶绿素,被多孔薄壁细胞组织所反射.因此,在近红外波段上形成强反射.

反射波谱是某物体的反射率(或反射辐射能)随波长变化的规律,以波长为横坐标,反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线,光谱反射率undefined.物体的反射波谱的特征主要取决于该物体与入射辐射相互作用的波长选择,即对入射辐射的反射、吸收和透射的选择性,其中反射作用是主要的.物体对入射辐射的选择性作用受物体的组成成分、结构、表面状态以及物体所处环境的控制和影响.

在漫反射的情况下,组成成分和结构是控制因素.如图3所示为4种地物的反射光谱特性曲线.从图3中曲线可以看到,雪的反射光谱与太阳光谱最相似,在蓝光0.49 μm附近有个波峰,随着波长增加反射率逐渐降低.沙漠的反射率在橙色0.6 μm附近有峰值,但在长波范围里比雪的反射率要高.湿地的反射率较低,色调发暗灰.小麦叶子的反射光谱与太阳的光谱有很大差别,在绿波处有个反射波峰,在红外部分0.7～0.9 μm附近有一个强峰值.

各种物体,由于其结构和组成成分不同,反射特性曲线的形状是不一样的,即便是在某波段相似,甚至一样,但在另外的波段还是有很大的区别的.例如图4所示的柑桔、番茄、玉米、棉花4种地物的反射特性曲线,在0.6～0.7 μm之间很相似,而其他波长(例如0.75～2.5 μm波段之间)的光谱反射特性曲线形状则不同,有很大差别.

2 常见的几种地物类型波谱特征

2.1 植被的反射波谱特性

由于植物均进行光合作用,所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性,其特征是:在可见光波段0.55 μm(绿光)附近有反射率为10%～20%的一个波峰,两侧0.45 μm(蓝)和0.67 μm(红)则有2个吸收带.这一特征是由于叶绿素的影响造成的,叶绿素对蓝光和红光吸收作用强,而对绿色反射作用强.在近红外波段0.8 ～1.0 μm间有一个反射的陡坡,至1.1 μm附近有一峰值,形成植被的独有特征.这是由于植被叶的细胞结构的影响,除了吸收和透射的部分,形成的高反射率.

在中红外波段1.3～2.5 μm,以1.45、1.95 μm和2.7 μm为中心是水的吸收带,受到绿色植物含水量的影响,吸收率大增,反射率下降,形成低谷.而1.5～1.9 μm 光谱区反射率增大.绿色植物反射波谱曲线如图5所示[2].

植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别,这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少有关系,如图6所示3种类型树木的光谱曲线比较.

2.2 土壤的反射波谱特性

自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值,一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关,即:土壤类别、含水量、有机质含量、砂、土壤表面的粗糙度、粉砂相对百分含量等.

土壤含水量增加,土壤的反射率就会下降,在水的各个吸收带(1.4 、1.9 、2.7 μm处附近区间),反射率的下降尤为明显.此外肥力也对反射率有一定的影响.由图7可以看出,土壤反射波谱特性曲线较平滑,因此在不同光谱段的遥感影像上,土壤的亮度区别不明显[2].

2.3 水体的反射波谱特性

水体对0.45～0.56 μm蓝绿光波段透射能力较强,一般深度可达10～20 m,清澈水体可达100 m的深度.同时,水体的反射也主要在蓝绿光波段,其他波段吸收率很强,特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带,反射率几乎为零,因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓,在此波段的黑白正片上,水体的色调很黑,与周围的植被和土壤有明显的反差,很容易识别和判读.但是当水中含有其他物质时,反射光谱曲线会发生变化.水含泥沙时,由于泥沙的散射作用,可见光波段发射率会增加,峰值出现在黄红区.如图8所示水中含有叶绿素时,近红外波段明显抬高,这些都是影像分析的重要依据.

2.4 岩石的反射波谱特性

岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等决定.影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等.几种岩石的反射波谱曲线如图9所示.在遥感探测中一般根据所测岩石的具体情况选择不同的波段.

2.5 城市道路、建筑物的反射波谱特性

在城市遥感影像中,通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面,特别是建筑材料所构成的屋顶.从图10中可以看出,铁皮屋顶表面成灰色,反射率较低而且起伏小,所以曲线较平坦.石棉瓦反射率最高,沥青粘砂屋顶,由于其表面铺着反射率较高的砂石而决定了其反射率高于灰色的水泥平顶.绿色塑料棚顶的波谱曲线在绿波段处有一反射峰值,与植被相似,但它在近红外波段处没有反射峰值,有别于植被的反射波谱.军事遥感中常用近红外波段区分在绿色波段中不能区分的绿色植被和绿色的军事目标.

城市中道路的主要铺面材料为水泥沙地和沥青两大类,少量部分有褐色地,如图11所示,它们的反射波谱特性曲线形状大体相似,水泥沙路在干爽状态下呈灰白色,反射率最高,沥青路反射率最低.

3 影响地物光谱反射特性变化的因素

有很多因素会引起反射率的变化,如:太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等.

太阳位置主要是指太阳高度角和方位角,如果太阳高度角和方位角不同,则地面物体入射照度也就发生变化.为了减小这2个因素对反射率变化的影响,遥感卫星轨道大多设计在同一地方时间通过当地上空,但由于季节的变化和当地经纬度的变化,造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的.传感器位置指传感器的观测角和方位角,一般空间遥感用的传感器大部分设计成垂直指向地面,这样影响较小,但由于卫星姿态引起的传感器指向偏离垂直方向,仍会造成反射率变化.

处在不同地理区域的同种地物具有不同的光谱效应,称之为空间效应.除不同地理区域地物本身的变异因素外,不同的地理位置,太阳高度角和方位角、地理景观等都会引起反射率变化,还有海拔高度不同,大气透明度改变也会造成反射率变化.

同一地物的反射波谱特性一般随时间季节变化,称之为时间效应,如图12所示的新雪和陈雪反射特性曲线等.即使在很短的时间内,由于各种随机因素的影响(包括外界的随机因素和仪器的响应偏差)也会引起反射率的变化.这种随机因素的影响还表现在同一幅影像中,但是这种因素的影像引起的光谱反射率变化,将在某一个区间中出现,如图13示出了大豆反射率变化的区间.图14所示,同一春小麦在花期、灌浆期、乳熟期、黄叶期的光谱测试所得的结果.可以看出,花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期.至于黄叶期,由于不具备绿色植物特征,其反射光谱近似于一条斜线.这是因为黄叶的水含量降低,导致在1.45、1.95、2.7 μm附近3个水吸收带的减弱.当叶片有病虫害时,将使反射率发生较大变化,也有与黄叶期类似的反射率.

4 地物反射波谱与高光谱成像

地物的波谱特征是遥感识别地物的重要依据,尤其是针对未来航空航天遥感中的成像波谱仪的重要性更加突出.因此开展各种地物的波谱特征测定和研究,不仅是遥感的基础性工作,而且是遥感应用研究中一个重要的内容.美国NASA 于19世纪70 年代初就初步建立了地球资源信息系统,包括植被、土壤、岩石和水体等2 000 余种地物的实验室反射波谱数据.从19世纪80 年代,我国许多遥感科学研究部门相继建立了10余个地物波谱库,在我国不同的遥感发展时期都起到了积极的推动作用.

现代遥感技术的发展,使得地物的成像范围不仅延伸到人们不可见的紫外和红外波长区,而且可以在需要的任何波段独立成像或连续成像.高光谱遥感的光谱分辨率高于百分之一波长达到纳米(nm)数量级,其光谱通道数多达数十甚至数百,使得遥感的波段宽度从早期的0.4 μm(黑白摄影)、0.1 μm(多光谱扫描)到5 nm(成像光谱仪).遥感器波段宽度窄化,针对性更强,可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异;同时,成像光谱仪等的应用,提高了地物光谱分辨力,有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性.如图15所示成像光谱仪的数据特点[3].

1983年,世界第一台成像光谱仪AIS-1在美国研制成功,并在矿物填图、植被生化特征等研究方面取得了成功,初显了高光谱遥感的魅力.此后,许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪.如美国的AVIRIS、DAIS,加拿大的FLI、CASI,德国的ROSIS,澳大利亚的HyMap等.在经过航空试验和成功运行应用之后,19世纪90年代末期终于迎来了高光谱遥感的航天发展.1999年美国地球观测计划(EOS)的Terra综合平台上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)、号称新千年计划第一星的EO-1,欧洲环境卫星(ENVISAT)上的MERIS,以及欧洲的CHRIS卫星相继升空,宣告了航天高光谱时代的来临.中国也自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪(PHI),其在可见光到近红外光谱区具有244个波段,光谱分辨率优于5 nm.新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中发挥作用,而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都有很好的结果.

高光谱成像技术是将由物质成分决定的地物光谱与反映地物存在格局的空间影像有机地结合起来,对空间影像的每一个像素都可赋予对它本身具有特征的光谱信息.高光谱图像的分类和识别,主要是基于地物光谱特征的分类识别和基于统计的分类识别2种方法.其中基于地物光谱特征的分类识别,是利用光谱库中已知的光谱数据,采用匹配算法来鉴别和识别图像中地物类型.这种方法既可采用全波长的比较和匹配,也可用感兴趣的光谱特征或部分波长的光谱或光谱组合参量进行匹配,达到分类和识别的目的.

5 结 束 语

20多年来,高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术,并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类.它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃,续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链.由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地球表面信息,其应用领域已涵盖地球科学的各个方面,在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用.地物目标反射波谱特征分析研究,除了可以提供遥感图像设计与成像依据外,还可为农业生产、资源调整、灾害预报与评估、工程建设、环境监测、城市发展等提供更加快速可靠的信息服务和辅助决策,因此,蕴含着巨大的经济效益和社会效益.

参考文献

[1]浦瑞良.高光谱遥感及其应用[M].北京:高等教育出版社,2000.

[2]贾海峰,刘雪华.环境遥感原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

多光谱成像 第7篇

我国是世界第一苹果生产大国, 2015年全国苹果产量达到4300万吨。但我国的苹果在国际市场上大多数档次较低, 国内的苹果出口比例只占到生产总量的1.5%左右[1,2], 而国内高档苹果市场也被国外苹果垄断, 2015年进口苹果量激增50%, 其中一个很重要的原因是我国对苹果分级检测投入不够, 难以满足消费者对苹果品质越来越高的要求, 导致苹果品种混杂、质量优劣不齐。提高苹果内外部品质的检测水平是提升苹果竞争力的关键环节。传统外部品质采用人工目视检测, 而内部品质多利用机械化学手段, 检测时间长、非无损。

利用机器视觉开展的苹果外部品质检测, 可以实现苹果外形尺寸、颜色等信息的自动化检测, 但对反映苹果品质的内部参数很难提取。

近红外光谱技术作为一种无损检测手段被广泛用于测定农产品的内部品质, 能够同时检测苹果内部的多个参数, 而且具有非接触无损检测的优点, 但利用近红外光谱分析技术主要集中于目标局部信息分析, 不适合成分不均匀目标检测, 要实现整体目标检测要耗费较多时间。

本文综合利用图像处理技术与光谱分析技术的光谱成像技术, 基于模式识别与化学计量学等学科知识, 开展苹果外部品质和内部品质的无损检测研究, 实现对苹果外部尺寸和糖分含量的同时无损检测, 降低了光谱成像技术进行苹果品质检测的难度。

1 光谱成像实验系统

基于光谱成像技术进行苹果品质检测, 需要同时记录苹果的光谱信息与图像信息, 设计了CCD成像探测基础上同时获取目标光谱信息的实验系统, 实验系统如图1所示。

1-光源;2-待测苹果;3-滤光片;4-镜头;5-成像探测器;6-计算机

成像探测器采用大恒图像的DH-HV1351UM型黑白面阵CMOS图像传感器, 像元数1280×1024, 像元尺寸5.2μm×5.2μm。通过CMOS前面的成像镜头调焦完成后可以在CMOS上得到苹果的图像信息, 为了确定图像中苹果像所对应的真实尺寸, 需要对标准尺寸的目标物进行测量实现对成像系统垂轴放大倍率的校准。苹果表面光谱信息获取通过在成像镜头前加入特定透过波长的滤光片实现, 通过参考相关文献[3], 选择峰值透过波长分别为633.3nm、649.3nm、669.4nm、778.9nm、850.8nm, 峰值半宽高约为9nm的滤光片放置于成像镜头前, 控制成像探测器的曝光得到不同波长对应的苹果图像。考虑到成像探测器对不同入射光波的响应不均匀, 利用各波长反射率一致的标准白板对探测器的波长响应进行均匀化处理, 在此基础上分析苹果在不同波长的反射光谱特性, 对不同波长强度值利用洛仑兹拟合确定糖度模型中参数, 以此为基础进行多元线性回归确定模型系数, 完成对苹果糖度的预测, 对比不同波长预测结果, 可找出预测结果最接近测量值的最佳波长。

2 实验结果及数据处理

2.1 外部品质检测

苹果外部品质中首要的指标是果形大小, 本文利用图像处理算法通过对苹果图像的数字化处理得出苹果果径信息。检测的思路为:选取某一波长下清晰灰度图片并进行二值化处理, 计算二值图像的最小外接矩形大小, 外接矩形框长度和宽度中的最大值即为以像元数为单位的苹果最大横切面直径。通过与标准尺寸的目标图像所占据CCD中像元个数进行比较, 即可求出果径的实际长度。波长为649.3nm的待测苹果图像如图2 (a) 所示, 选取合适阈值将图像二值化如图2 (b) 所示。

确定二值图像的最小外接矩形[4], 分别读取外接矩形的长度和宽度方向最大值如图3所示, 得到以像元数为单位的苹果外形数据。通过对成像系统垂轴放大率的校准, 确定对应的实际尺寸。

通过记录直径为50mm标准白板的单色图像实现对光学系统垂轴放大率的校准, 即单个像元对应物面尺寸的计算。选取一组实验中10个待测苹果, 分别用游标卡尺测量结果和用该方案测量结果如表1所示。

可见, 采用该方案进行苹果外形尺寸测量的最大偏差不超过1%, 能够满足苹果外形检测的需要。

2.2 内部品质

本论文进行了苹果内部品质的糖度。将待测苹果分为两组, 利用苹果表面散射光包含的不同波段光谱信息进行一定模型的参数拟合, 通过糖度计实施的常规糖度检测得到糖度值, 并进行数据拟合处理获得糖度模型中的系数, 以此为基础, 进行苹果糖度的预测。糖度检测的流程如图5所示。

通过对待测苹果散射光谱的洛仑兹拟合以及五个不同透过波段对比分析, 利用669.4nm进行的苹果糖度值预测残差不超过0.1, 达到了较好的糖度检测效果。

3 结论

本文利用光谱成像技术, 通过光谱分析技术与图像处理技术实现苹果内外部品质中外形尺寸以及糖度的同时检测, 代表了现代水果检测的发展方向, 具有较好的市场前景。

摘要：同时实现苹果内外部品质的无损检测是现代果业发展的必然要求, 文章采用光谱成像技术, 通过采集待测苹果在不同波长通道的图像, 进行图像处理与苹果表面散射光谱分析, 实现苹果外形尺寸与糖度信息的同时检测, 为快速有效的苹果分级检测提供一定技术支撑。

关键词：光谱成像,外形,糖度,同时检测

参考文献

[1]孙梅, 陈兴海, 张恒, 等.高光谱成像技术的苹果品质无损检测[J].红外与激光工程, 2014, 43 (4) .

[2]农业部.国际苹果贸易概况与我国苹果出口情况[J].中国果业信息, 2006 (4) .

[3]刘木华, 陈全胜, 林怀蔚.苹果糖度的光谱图像无损检测技术研究[J].光学学报, 2007, 27 (11) .

多光谱成像 第8篇

关键词：成像光谱,高分辨率,矿山,监测

当前，矿产资源成为一个国家发展和安全的基础，能否有效地开发和管理矿产资源，关系到中国的未来发展[1]。现在我国矿产开采状况不容乐观，乱采和盗采等问题严重，这些问题已经受到国家监管部门的重视。但如何及时发现无证勘查、开采等违法行为，并确定其开采的位置和范围，成为一个重要的研究课题。高光谱遥感手段是解决这一问题的有效方法，它可以快速提取地表的岩性和矿产类型，精确圈定矿产开采的范围和位置，并获取矿化露头信息[2]。

核工业北京地质研究院从国外引进的CASI航空成像光谱仪(表1)，最高空间分辨率可以达到0.25 m，最高光谱分辨率可以达到2.3 nm，对矿产勘查和环境保护可以发挥很好的作用。CASI可以根据实际需要调整光谱通道数和光谱带宽，并且可以调整航高控制空间分辨和波段的宽度。所用的CASI数据，包含36个波段，空间分辨率为0.9 m，以甘肃省酒泉市瓜洲县柳园镇的一个矿区及其周边作为研究对象，用于提取2010年9月份的矿产开采信息和矿化露头信息，取得了较好的效果。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省酒泉市瓜洲县柳园镇。研究区内铁矿资源丰富，地质环境复杂，气候干旱，岩石裸露，人口稀少，是遥感技术最易发挥地质调查和找矿工作中优势的地区。据统计，柳园镇有大小矿点100多处[3]，加强对矿产资源的有效监测和勘查，实现资源的合理有效开发，对当地的资源开发与保护具有十分重要的意义。2010年9月，核工业北北京京地地质质研研究究院院遥遥感感重重点点实实验验室室利利用用航航空空成成像像光光谱仪CASI，获取该区域的高光谱数据，为矿产监测研究提供了数据基础。

2 数据处理流程

处理过程如下(图1):CASI数据预处理(几何校正，辐射校正，数据格式转换)，大气校正，去除噪声波段，建立数据处理掩膜，光谱沙漏(MNF变换，PPI指数，端元波谱提取，光谱匹配)，提取地物信息。下面对操作过程的具体步骤做一个详细说明。

2.1 大气校正参数设置

几何校正和辐射校正由CASI仪器根据自身所携带的仪器和软件处理，精度较高。在进行大气校正时，需要将输入的CASI数据转换成BLP或BIP格式。在数据进行大气处理之前，一般会根据处理的要求，如对数据进行剪切，剪切后的数据可以直接使用FLASH模块进行大气校正。大气校正的界面如图2所示。

在大气校正模块的参数设置的过程中。点击“Input Radiance Image”按钮，选择需要进行校正的影像。然后弹出“Radiance Scale Factors”窗口，具体参数设置如图3所示。

飞行时间和高度根据数据获取时的实际情况输入。大气模型根据当地的温度利用表2选择适当的大气模型，如是不知道大气温度，根据当地的经纬度选择表3中的参数[4]。

由于航空成像光谱仪获取数据时距离地面高度较小，“Aerosol Retrieval”参数选择为“None”。

2.2 去除噪声波段

本次获取的CASI数据总共有36波段，但在某些波段的噪声较多，利用ENVI工具Animation，检测噪声波段，然后利用重采样将噪声波段去除。研究区的CASI数据中，第1、2、35、36波段条带噪声较多，信噪比低，在重采样中去除这些波段，保留CASI的第3-34波段数据用于后续的处理工作。

2.3 建立数据掩膜

由于数据的条带不是平行或垂直的，会有一些空白区域。另外数据中也有一些坏线和阴影。因此在数据处理的过程中，需要将这些部分去除，不参与后面的处理，这样可以提高处理的速度和精度。一般通过设置一定的灰度域值，小于这一域值的区域设置为掩膜区域。

2.4 波谱库重采样

在影像的光谱匹配时，由于影像的波段数往往与波谱库中的波谱宽度有一些差别，因此需要将波谱库的波段范围与影像的波段范围一至，以便于后面的数据处理和信息提取。

2.5 光谱匹配

在光谱匹配的过程中，最好利用多种匹配方法，每种方法赋于一定的权重(如图3)，这样有利于提高匹配的精度。经过多次实验发现，将光谱角匹配方法与光谱特征匹配方法权重分别设置为0.8和0.2的匹配结果较好。

2.6 信息提取

在信息提取的过程中，首先用自动分类动能对影像进行分类，然后利用光谱库和光谱匹配方法确定每种类别的岩石类型。由于每个条带包含的信息量不同，所以其中的类别划分标准也就存在差异，如果将分类结果进行拼接，就会出现有些地类不能完全衔接的现象。为了解决这个问题，可以将分类结果确定岩石类型后，相应岩石类型在影像中的端元谱线，利用这些波谱曲线对影像进行光谱匹配分类。各个条带分类时采用统一的分类域值，这样分类结果在各个条带间就能较好地吻合。在这种方法中，自动分类只是为了确定岩石的类型，明确提取的地物类型。

3 处理结果分析

以下是根据矿石光谱曲线提取的黄矿化的开采状况。在对地面状况不了解的情况下，通过CASI影像发现了影像中的六个矿点(如图4)，经过实地验证后发现与影像提取结果吻合。放大CASI影像，通过矿石开采范围的提取结果与CASI真彩色影像对比分析，从图4、图5，图6，图7，图8中可以看出，提取的矿石开采范围信息与真彩色影像中的矿石范围基本吻合，证明可以通过CASI影像的光谱匹配实现矿石开采范围的快速精确定位和圈定。另外，通过CASI也可以发现一些矿化露头信息，如在图9中的一些非开采矿区的红色斑点都是一些矿化露头信息，通过这些信息可以为下一步的矿产开采提供依据。

4 结论

通过成像光谱技术手段可以快速精确提取已开采的矿产范围和矿产类型，可以有效监测矿产的违章开采。并且应用CASI/SASI成像光谱仪还可以提取矿化露头信息，为矿产普查提供有力的依据。在甘肃北山柳园地区应用CASI数据提取该区的矿化信息，取得较好的效果。在信息提取的过程，最好应用多条同质地物的波谱曲线进行岩石类型的识别，可以提高分类的精度。

参考文献

[1]全国人民代表大会常务委员会.中华人民共和国矿产资源法.ht-tp://www.mlr.gov.cn/zwgk/flfg/kczyflfg/200406/t20040625_292.htm2,004

[2]童庆禧,张兵,郑兰芬.高光谱遥感———原理、技术与应用.北京:高等教育出版社2,006

[3]百度百科.柳园镇.http://baike.baidu.com/view/394339.html#2,2010

多光谱成像 第9篇

傅里叶变换成像光谱仪在航空遥感领域有着十分重要的应用。其中的全反射傅里叶变换成像光谱仪 (All-reflection Fourier Transform Imaging Spectrometer,下文简记为AR-FT光谱仪)为一种新型光谱仪器,不仅光谱分辨率高,且其全反射光学系统具有宽波段、无色差的突出优势,因此国际上的高质量光谱仪多采用全反射光学结构,就全光谱范围内高质量原始干涉图像的获取而言,宽波段傅里叶变换成像光谱仪采用全反射结构也是十分必要的[1,2,3]。

一种基于菲涅尔双面镜结构典型的AR-FT光谱仪如参考文献[1,4]和[6]所述:入射光线经过望远系统到达入射狭缝,穿过狭缝的波前在菲涅尔双面镜处分束,采用二维探测器对干涉场进行检测,再对数据立方体进行预处理和傅里叶变换得到光谱和像。其中的菲涅尔双面镜干涉有一个共同特点,就是干涉场围绕光轴上下对称,二维探测器对干涉场的检测数据关于光轴上下对称。这表明二维探测器有一半的数据是可以不用检测只需利用上下对称即可获得,同时表明,从入射狭缝出射的光能有一半被无形中浪费了,这对弱光检测非常可惜。

为此,本文对菲涅尔双面镜结构进行了改进,将AR-FT光谱仪中的菲涅尔双面镜结构替换为改进后的结构,对成像光谱仪入射光能利用率的提升进行了探索。

1菲涅尔双面镜干涉结构及其改进

菲涅尔双面镜干涉原理的示意图如图1(a)所示。图1(a)中入射狭缝S经菲涅尔双面镜所成的虚像为S1和S2,B为菲涅尔双面镜的交点,BP为光轴,两相干光束在BP上相遇时的光程差为零。光线S1A与S2B相交于M点,光线S1B与S2C相交于N点。MP段与NP段的干涉场关于P点为上下对称。AR-FT光谱仪中,探测器置于MN处对干涉场进行检测[1,2,5,6,7],由于NP段的数据可以利用对称性由MP段的数据获得, 因此探测器有一半的光敏元未被有效利用,同时,NP段的光能也被无形中浪费掉了。

在保持S、S1与S2的空间位置不变的情况下,可否将P点的下方光能移到P点的上方呢?图1(a)中S1P与上平面镜交于D点,S2P与下平面镜交于E点。由图1(a)可见,S1A与S1D间的光线分布在MP段,S1B与S1D间的光线分布在NP段,为使S1发出的光线不在P点下方分布,可将上平面镜从双平面镜的交点B处分离,沿BA方向移至D点,如图1(b),S1发出的光线只在P点的上方分布了。

图1(b)中,S2B与S2E间的光线分布在MP段,S2C与S2E间的光线分布在NP段,为使S2发出的光线不在P点下方分布,可将下平面镜沿EB方向将C点至E点,同时调整入射狭缝S的光束,使图1(b)中SC至SB间的光束移至SE至SG之间(光线SD与下平面镜的交点记为G),SB至SA间的光束移至SD与SF之间,如图1(c)。

图1(c)中光线S2G与PM延长线的交点记为K,光线S1K与上平面镜的交点记为F。图1(c)中S1与S2的两相干光束只在零光程差的P点的上方分布。可将探测器置于KP段对干涉场进行检测。图1(c)中进入狭缝S的光束,都得到有效利用。

2仿真分析与讨论

上述AR-FT光谱仪中均采用面阵CCD进行成像光谱检测,本文以较多采用的1 024255像素面阵CCD为例进行仿真分析。

首先分析图1(a)所示菲涅尔双面镜结构变动前干涉场的情况。由参考文献[7],图1(a)中M点的干涉场光强为

式中:δ为M点两光束的光程差,I0为两光束的光强。探测器采用1 024pixels´255 pixels面阵CCD,图1(a) 中探测器对MN段可测得1 024个数据。不失一般性,取I0=0.5W/Sr,空气折射率为1,两光束的最大光程差δmax=6 000 nm, λ 为632.8 nm和3 000 nm,由式(1)可得到图1中MN段1 024个光敏元的光强为

式中:n=0,1 ,L,1023,δ′=6000nm/512。对其进行傅里叶变换可得到光谱图如图2(未画出n0对应的直流成分,下同)。图2显示的两个波长分别为:12 000/19=631.6 nm,12 000/4=3 000 nm,基于MN段1 024个光强数据,可测量的波长范围为12 000 nm/51212 000 nm,即23.5 nm~12 m。

下面分析图1(c)所示菲涅尔双面镜结构变动后干涉场的情况。探测器仍采用1 024´255像素面阵CCD, I0=0.5W/Sr,λ为632.8 nm和3 000 nm。图1(c)中S、S1与S2的空间位置与图1(a)相同。因此图1(c)中KP段1 024个光敏元的光强为

式中:n=0,1 ,L,1023,δ′ 与式(2)相同。图1(c)中对KP段可测得1 024个数据,利用其P点下方与P点上方的对称性,可得到2 048个数据为

式中:n0, ,2047。对其进行傅里叶变换可得到光谱图如图3。图3显示两个波长分别为24 000 nm/38=631.6nm,12 000 nm/4=3 000 nm,基于KP段1 024个光强数据,可测量的波长范围为24 000 nm/1 024~24 000nm,即23.5 nm~24 m。这表明,将菲涅尔双面镜结构变动后,光谱可测量范围在长波方向扩大了一倍。

图1(c)中,如果狭缝S的入射光强减小一半,则式(4)变为

对其进行傅里叶变换可得到光谱图如图4。图4中的光谱光强值和图2中的光谱光强值相近,但图4对应的入射光强减半。这表明,菲涅尔双面镜结构变动后,基于干涉场进行光谱检测的弱光检测能力提升了近一倍。

3结论

将菲涅尔双面镜结构进行上述变动后,可使其围绕光轴上下对称的干涉场仅在光轴的上方分布。研究表明,这可使入射光能的利用率提高一倍,并可使干涉条纹傅里叶变换的长波测量范围提高一倍(而波长的测量精度保持不变)。

上述菲涅尔双面镜结构的变动,是在原菲涅尔双面镜干涉结构的基础上进行简单移动实现的,变动时需注意镜面的移动距离等,这对光学系统设计来说是可行且容易实现的。

全反射傅里叶变换成像光谱仪多运用在红外波段,常需在弱光条件下检测。本文工作对提升全反射傅里叶变换成像光谱仪的弱光检测能力和拓展其红外光谱检测范围具有重要意义。

摘要：针对全反射傅里叶变换成像光谱仪存在入射光能浪费的问题,对其中的菲涅尔双面镜提出了一种改进型结构,将原相连的菲涅尔双面镜分开一定距离,同时将分离后的两块平面镜各自围绕光轴向上移动适当距离,使其围绕光轴上下对称的干涉场仅在光轴的上方分布。仿真研究表明,改进后的双面镜结构可使入射光能的利用率提高一倍,同时干涉条纹傅里叶变换的分辨率提高一倍。这对提升全反射傅里叶变换成像光谱仪的弱光检测能力和拓展其光谱检测范围具有重要意义。