红外与激光工程
2022, 51(7): 20210866
1 中国科学院上海技术物理研究所,空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
光谱成像仪可以精准探测月球表面物质成分与温度及其变化特性,成为新时期月球科学探测任务中重点配置的科学载荷,为进一步认知月球起源与演化历史、资源分布与环境特性提供科学数据。现有月球环绕探测光谱成像数据为人类认知月球表面物质组成、资源分布及演化历史等提供了科学参考,但面向月球资源与环境开发与应用的勘查存在空间分辨率较低且红外谱段偏少的问题。概述了国内外月球探测任务中的典型光谱成像载荷与研究热点;针对月球光谱的精准探测需求,对所面临的具体技术难题进行了讨论;就如何突破现有技术挑战,获取更高分辨率、更高灵敏度、更可信的光谱科学数据提出了针对性的具体解决思路与技术途径;最后,对面向月球环绕探测的光谱成像的发展趋势、挑战与应用进行了总结与展望。
光谱学 月球 环绕探测 光谱成像 遥感 光学学报
2022, 42(17): 1730001
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
光纤布喇格光栅(FBG)因其响应速度快和准分布式测量等优势广泛应用于氢气测量领域。为进一步扩大氢气浓度测量范围, 提出一种基于介孔型掺铂三氧化钨(Pt/WO3)粉末的FBG氢气传感器, 并级联一个FBG传感头用以温度补偿。实验结果表明: 将氢气浓度从0递增到32%, FBG的中心波长最大飘移量为320 pm, 响应时间约为10 s, 并且在0~14%氢气浓度范围内有较好的线性关系, 灵敏度为11.69 pm/%H2, 可以实现准分布的氢气浓度传感。
氢气传感器 布喇格光纤光栅 温度补偿 大范围氢气浓度 Pt/WO3粉末 hydrogen sensor fiber Bragg grating temperature compensation wide range of hydrogen concentration Pt/WO3 powder
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
3 国科大杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院,上海 200020
基于压缩感知的光谱成像系统需要合适的算法解码采样数据才能得到最终的光谱成像数据,传统单稀疏域变换算法会带来光谱细节损失等问题。针对该问题,本文提出了利用双稀疏域联合求解的方法(JDSD),将信号分解为低频部分和高频部分,并针对不同频率信号特点分别进行稀疏恢复,进而解码求解以实现高精度恢复信号。在数据验证中,首先利用OMP算法在频域内对光谱信息轮廓进行恢复,利用IRLS算法在空间域内对光谱细节进行补偿,分析了不同稀疏变换对于参数设置的影响,测试了不同算法组合的JDSD对于测试数据的恢复结果。对于500种光谱数据仿真测试表明,双稀疏域联合求解可将光谱恢复保真度大大提升,20%采样率情况下,SAM和GSAM指标由传统方法的0.625和0.515分别提升为0.817和0.659,80%采样率情况下,SAM和GSAM指标由传统方法的0.863和0.808分别提升为0.940和0.897。JDSD算法可以使得光谱吸收峰等细节特征得到高精度保持,对于基于光谱的特征分析、物质识别等应用具有十分重要的意义。
光谱成像 光谱特征恢复 计算成像 压缩感知 spectral imaging spectral feature recovery computational imaging compressed sensing
中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
氢气作为一种清洁能源,在工业领域中得到了广泛的应用。然而,由于它分子质量轻,容易发生泄露,当其在空气中的体积比达到4% 时就会存在爆炸的危险,因此对氢气浓度的检测在实际应用中非常重要。针对上述情况,提出一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)填充的法布里-珀罗干涉仪(FPI)型氢气传感器,通过引入阵列波导光栅(AWG),可以实现对多点氢气浓度的同时测量。所提出的传感器由单模光纤与空芯光纤(HCF)熔接,在HCF内部填充PDMS,并在PDMS外表面涂覆Pt/WO3 的方式制成。当Pt/WO3与氢气发生化学反应时,放出的热量使得氢气传感器的局部温度升高,PDMS受热膨胀导致FPI内部的空气腔长缩短,这将导致干涉光谱的波长漂移,通过将传感器与AWG相连,可以将波长漂移解调为光强变化,进而实现多点氢气浓度的同时测量。
传感器 法布里-珀罗干涉仪 阵列波导光栅 氢气浓度 多点测量 光学学报
2021, 41(13): 1306013
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
目前的光谱相似度评价方法主要基于光谱形状和幅值两种信息, 但这两种信息仅仅能体现出光谱的轮廓, 并不能很好的反应地物光谱的吸收峰等“指纹”特征, 为了更好的体现出光谱特征在评价中的作用, 提出了基于一阶梯度信息的光谱相似度评价方法。 首先对传统光谱角度匹配度评价方法SAM进行了改进, 提出MSAM评价方法, 进而提出了调整的梯度光谱角度匹配(MGSAM)法。 MGSAM比较了两条光谱曲线的梯度角匹配度, 光谱曲线的梯度信息可以突出光谱吸收峰等“指纹”特性的存在, 因此MGSAM可以充分体现出两条对比曲线的光谱特征相似度。 分析了偏置信息和光谱深度对于MSAM和MGSAM的影响, 指出MGSAM对于偏置信息具有更强的鲁棒性, 且可以客观地反映出光谱深度差异, 进而直观地反映出光电系统或相关算法的光谱特征保真能力。 将MGSAM作为评价方法应用到压缩感知光谱成像系统评价中, 仿真结果表明, 随着采样率的变化, MSAM的值在 0.998~1之间, 而MGSAM的值在0.72~1之间, 具有明显的变化并具有较大的差异性, 可以客观地反映出压缩感知系统对于光谱特征的保真能力, 并具有更强的差异化分辨力, 为该类系统提供了一个更客观的评价方法。 将MGSAM应用到了基于光谱相似度的地物分类中, 测试数据选择了Salinas, Pavia和Indian Pines三个公开数据, 结果显示基于MSAM的平均分类精度为0.86, 基于MGSAM的平均分类精度0.93, 由此说明MGSAM可以突出光谱特征在分类中的作用, 大大提高了分类精度。
光谱相似度 评价方法 压缩感知 地物分类 Hyperspectral image Compressed sensing Coded aperture LC optical shutter
中国科学院空间主动光电技术重点实验室 中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083
探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键,而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位(In-Situ)光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测,是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查,需要开展月球表面原位光谱探测技术研究,突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术,研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器,在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪,介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术,包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用;最后,也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。
月球探测 光谱技术 原位探测 lunar surface detection spectral technology In-Situ spectral detection 红外与激光工程
2020, 49(5): 20201006