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基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究

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光谱学与光谱分析 2023年第7期43卷 2082-2089页

作者：亓晨于涛张周锋钟菁菁刘宇阳王雪霁胡炳樑中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710100

对目标进行更多属性信息的获取,是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力,蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏... 详细信息

对目标进行更多属性信息的获取,是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力,蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点,如结构复杂、体积大、通道串扰、多维信息提取繁琐等问题。针对上述问题,提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。涉及关键技术有:基于高光谱分辨率需求与短焦距约束,采用双高斯结构作为初始光学结构,并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现;采用LVF作为分光元件,进行参数设计与验证,与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合,实现光谱信息与偏振信息同步获取。基于上述技术路线进行了样机集成,在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试,最终指标为:工作波段:430~880 nm,空间分辨率:0.22 mrad,光谱分辨率为:10 nm,四偏振态同步获取,系统传递函数:0.547,偏振探测精度:89.4%,光机系统总尺寸:45 mm×45 mm×80 mm。在室外进行推扫实验,成像效果良好,中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化;对全局图像进行多维信息提取与融合,不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异,满足预期设计目标。该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点,为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

关键词：偏振成像光谱系统像素偏振调制线性渐变滤光系统耦合

LiF∶F_2晶体中实现三维光数据存储的实验研究

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光子学报 2007年第4期36卷 627-630页

作者：余娟程光华王屹山陈国夫赵卫侯洵中国科学院西安光学精密机械研究所

基于LiF∶F2晶体在近红外飞秒脉冲激光作用下产生F2色心向F3+色心的转变,以及两种色心荧光光谱的不同,实现了荧光反射共焦读出和多光子写入的三维光数据存储的原理性实验.钛宝石再生放大器输出的脉冲宽度100fs、中心波长800nm、重复频率... 详细信息

基于LiF∶F2晶体在近红外飞秒脉冲激光作用下产生F2色心向F3+色心的转变,以及两种色心荧光光谱的不同,实现了荧光反射共焦读出和多光子写入的三维光数据存储的原理性实验.钛宝石再生放大器输出的脉冲宽度100fs、中心波长800nm、重复频率1kHz的超短脉冲激光束,用数值孔径0.68的显微物镜聚焦到LiF:F2晶体内部,通过移动晶体实现了三维逐位式数据写入;用405nm的连续蓝光激发存储位,通过探测F3+色心产生的540nm荧光,实现了对信息位进行快速非破坏性的反射共焦读出.与多光子三维存储的透射共焦散射读出和相衬读出相比,格式与现存光盘技术兼容,结构简单;更重要的是,存储信息位是依靠荧光光谱的变化,折射率变化很小,可以有效增加读出层数.

关键词：三维光存储多光子吸收超短脉冲色心荧光反射共焦显微镜

基于LLE-BPNN的小麦岛海水硝酸盐含量分析

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光谱学与光谱分析 2019年第5期39卷 1503-1508页

作者：王雪霁胡炳樑于涛刘青松李洪波范尧中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

水中过量的硝酸盐会造成部分水生生物难以存活、引发人类尤其是婴儿患病等危害,因此硝酸盐浓度成为水质检测中的一项重要指标。传统的硝酸盐浓度测量方法操作复杂、反应缓慢,近年许多研究人员开始通过紫外可见(UV-Vis)光谱技术结合人工... 详细信息

水中过量的硝酸盐会造成部分水生生物难以存活、引发人类尤其是婴儿患病等危害,因此硝酸盐浓度成为水质检测中的一项重要指标。传统的硝酸盐浓度测量方法操作复杂、反应缓慢,近年许多研究人员开始通过紫外可见(UV-Vis)光谱技术结合人工神经网络(ANN)的方法对水中硝酸盐的含量进行测量。提出了一种将流形学习(manifold learning)方法中的局部线性嵌入(LLE)与反向传播神经网络(BPNN)相结合的建模方法,用以得到硝酸盐光谱曲线与浓度间的关系,实现对青岛市崂山区小麦岛海水中硝酸盐浓度快速准确的定量分析。实验选取了过滤后的小麦岛海水配置59组不同浓度的加标溶液,采用实验室自主研制的光谱分析仪采集这些样本的光谱测量值,通过标准正态变换(SNV)方法对测得硝酸盐溶液的光谱数据进行校正处理,有效降低了由仪器本身或环境带来的噪声影响;选取预处理后的光谱数据的前1 500维处理后进行对比实验,以解决使用BPNN对全部2 048维数据建模时内存不足的问题,再通过网格搜索结合十折交叉验证的方法优化LLE中的邻近点数k和嵌入维数d,得到最优参数值k=15,d=3,实现对实验数据的降维处理;通过BPNN将降维后的训练集光谱信息与其对应的浓度信息进行建模,实现对预测集硝酸盐浓度定量分析,引入决定系数(R^2)和预测均方根误差(RMSEP)评价建模效果,与直接使用BPNN建模预测的结果比较,改进方法的R^2由0.926 3提升至0.992 8, RMSEP由0.442 5下降到0.280 4,建模预测程序的运行时间由327 s缩短至0.5 s。采用这59组数据的全部2 048维进行LLE-BPNN建模时,得到R^2=0.995 7, RMSEP=0.136 5,在用时相近的前提下,相比仅使用前1 500维时的建模精度更好。分析结果表明, LLE-BPNN的方法可实现对海水中硝酸盐浓度的快速预测,使预测精度得到显著提升,同时能大幅降低预测时间。

关键词：硝酸盐浓度紫外可见光谱技术局部线性嵌入反向传播神经网络

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月基望远镜探测能力的地面标定

光学精密工程 2012年第5期20卷 972-978页

作者：徐亮赵建科薛勋刘峰胡丹丹中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119

采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力。与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信... 详细信息

采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力。与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信噪比,其目标信噪比测试不确定度可优于8%。在测试弥散斑能量集中度时,通过质心算法求其弥散斑能量中心,进而提出了一种星点弥散斑高斯拟合方法来拟合弥散斑能量分布曲线。这种高斯拟合方法可使弥散斑能量集中度的测试精度提高10%。最后,通过试验测试了LOT相机星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,验证了LOT相机+15Mv的探测能力。

关键词：月基望远镜探测能力信噪比能量集中度定位精度

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利用区域增长技术的自适应高光谱图像分类

光学精密工程 2018年第2期26卷 426-434页

作者：吴银花胡炳樑高晓惠周安安中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119

针对面向对象的高光谱分类方法中分割参数设置问题,提出了一种基于区域增长技术的自适应高光谱分类算法。首先提出了带约束的区域增长方法,利用已知训练样本的空间信息,提供有效约束,从而降低区域增长过程中区域标记的错误传播率,以提... 详细信息

针对面向对象的高光谱分类方法中分割参数设置问题,提出了一种基于区域增长技术的自适应高光谱分类算法。首先提出了带约束的区域增长方法,利用已知训练样本的空间信息,提供有效约束,从而降低区域增长过程中区域标记的错误传播率,以提高分类性能;其次,提出了自适应阈值计算方法,通过分析已知训练样本光谱的分布规律,自适应地计算出合理的区域划分阈值,从而代替经验阈值,提高算法的鲁棒性;最后,采用K近邻算法(KNN),对划分后各区域中心进行分类。实验结果表明:对于不同图像,提出的算法计算出的自适应阈值均与其经验值相符合,且其分类效果优于其他算法,来自AVIRIS传感器的高光谱数据Indian Pines在10%的已知训练样本下总体分类精度达92.94%、kappa系数达0.919 5,来自ROSIS传感器的高光谱数据Pavia University在5%的已知训练样本下总体分类精度达95.78%、kappa系数达0.944 0。该算法不仅增强了算法的鲁棒性,同时有效提高了分类性能,在高光谱应用中具有较强的实用性。

关键词：高光谱分类面向对象区域增长自适应

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低照度宽幅航空相机系统设计

红外与激光工程 2021年第12期50卷 311-319页

作者：彭建伟陈卫宁张高鹏方尧董森杨洪涛中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求,对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式,明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统,配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像,并通过高速振镜进行扫描像移... 详细信息

为了满足低照度环境下航空影像信息快速获取的需求,对一种低照度宽幅成像系统进行了研究。基于相机摆扫成像的工作模式,明确了采用大相对孔径低畸变的光学系统,配合真空制冷的低噪声高灵敏度CMOS探测器成像,并通过高速振镜进行扫描像移补偿的技术路线。详细阐述了相机机械构型的设计思路,总结了一套可工程应用的低照度成像能力计算方法。研究了振镜补偿像移的基本原理,并对相机主体框架进行了仿真分析计算。依据该设计和研究结果,完成了低照度宽幅航空相机的加工装配。该相机具有0.1 m (航高1 km)地面像元分辨率,成像照度适应范围为10~100 000 lx,并且在速高比≤0.04时,可实现3倍航高的大收容宽度。系统的成像质量优良,实测镜头在77 lp/mm时,中心视场传递函数大于0.45。实验室和外场飞行试验所获取的图像清晰,对比度和分辨率高,可以满足使用需求。同时,该相机实际包络尺寸为190 mm×140 mm×140 mm,质量仅为2 800 g,具有轻小型的特点。

关键词：航空相机低照度仿真分析宽幅成像

惯量椭圆法在单站光测目标三维姿态测量中的应用

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光子学报 2007年第3期36卷 568-573页

作者：彭晓东周泗忠刘波唐惠君闫闵奇中国科学院西安光学精密机械研究所中国科学院空间科学与应用中心北京100080

对于从单站获得的目标图像进行轨迹及姿态的精确判读的问题,提出了一种新方法,即通过对图像中分割出来的目标图像,计算其惯量椭圆,并根据该惯量椭圆推算出目标的空间姿态角.这种方法充分利用了单站获得的二维目标图像的几何信息,并对目... 详细信息

对于从单站获得的目标图像进行轨迹及姿态的精确判读的问题,提出了一种新方法,即通过对图像中分割出来的目标图像,计算其惯量椭圆,并根据该惯量椭圆推算出目标的空间姿态角.这种方法充分利用了单站获得的二维目标图像的几何信息,并对目标图形的细节程度要求不高,适用于各种轴对称目标.在用vc ++实现了该方法后对几组试验图片进行了判读,并对实验结果做了对比分析后表明:方法准确度较高,结果稳定.

关键词：三维姿态单站光测图像惯量椭圆

基于BLOB区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法

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光子学报 2024年第2期53卷 244-266页

作者：何文轩王拯洲魏际同王力弋东驰中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院大学北京100039

针对光路对接准直目标识别算法对双目标粘连状态无法判别的问题,提出了基于二进制大对象(Binary Large Object,BLOB)区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法。首先,对二值化图像进行数字形态学处理,计算全图各BLOB区域的面积... 详细信息

针对光路对接准直目标识别算法对双目标粘连状态无法判别的问题,提出了基于二进制大对象(Binary Large Object,BLOB)区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法。首先,对二值化图像进行数字形态学处理,计算全图各BLOB区域的面积、中心、轴长、区域、有效BLOB区域个数等信息。其次,对有效BLOB区域个数大于1的完全分离双目标准直图像,统计各BLOB区域中心分别为位于两个面积最大的BLOB区域内的BLOB数量,数量小的候选BLOB区域为主激光目标,数量大的候选BLOB区域为模拟光目标。然后,对于有效BLOB区域个数等于1的待识别图像,从左、右、上、下4个方向分别提取模板边缘图像的有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列,搜索有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列的最大相关系数对应的有效坐标序列。当4个方向的相关系数全部大于0.95时,待识别图像为模拟光目标;当4个方向的相关系数都小于0.95时,待识别图像为主激光目标;否则待识别图像为粘连图像。实验结果表明:提出的双光学目标识别算法,不仅能够识别完全分离的模拟光目标和主激光目标,误差小于3个像素,处理时间小于1 s,而且能够判别处于粘连状态的光学目标和单个独立的光学目标,满足光路对接准直图像识别算法对于自适应性、精度和效率的要求。

关键词：光路对接准直 BLOB区域边缘特征分析双光学目标识别粘连图像识别

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单圈绝对式光电轴编码器译码技术

红外与激光工程 2017年第4期46卷 192-197页

作者：苏小刚胡晓东肖茂森张晓东中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049

单圈绝对式编码器相比于增量式编码器及传统的绝对式编码器有独特的优势,其关键技术在于译码系统的设计及译码算法的研究。为了提高单圈绝对式编码器集成度、响应速度及精度,设计了译码系统,该系统采用线阵CCD作为码盘图像光电转换装置... 详细信息

单圈绝对式编码器相比于增量式编码器及传统的绝对式编码器有独特的优势,其关键技术在于译码系统的设计及译码算法的研究。为了提高单圈绝对式编码器集成度、响应速度及精度,设计了译码系统,该系统采用线阵CCD作为码盘图像光电转换装置,并利用FPGA实现电路控制及译码算法。同时提出了新的译码算法,该算法一方面将CCD输出信号二值化后的电平信号高电平计数,判断组合得到粗码信息;另一方面应用质心法进行细分定位,通过计算条纹质心与虚拟中心的偏差得到细分角度值。最后,通过两者结合得到角度信息。基于该系统研制的经纬仪样机精度达到2″。

关键词：绝对轴角编码器单圈译码线阵CCD 质心法