1 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术, 它既具有拉曼光谱测量的非接触、 快速、 简单、 可重复、 无需样品准备等特点, 更具有空间外差的超光谱分辨率、 高通量、 无运动部件优点, 能在被测物质特征波长中心范围探测, 实现微弱拉曼光信号的直接测量。 由于被测信号微弱、 光学元件加工精度、 器件封装及仪器安装误差等原因, 会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、 干涉条纹倾斜或扭曲等现象, 从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。 根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点, 将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原, 提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法, 以实现SHRS光谱的获取。 提取过程为: 将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换, 获得二维频谱图, 通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息, 拟合获取光信息强度最大方向直线方程。 然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置, 确定重采样贡献像元及权重。 对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样, 得到最终的光谱信号。 将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据, 同时与其他方法光谱复原结果进行对比。 结果表明: 与一维行平均光谱法比较, 该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显, 同时消除了探测器热噪声的影响; 与二维频谱中心行直接提取法比较, 该方法是该方法的改进版本, 两者结果比较接近。 但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响, 沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱, 其主峰半峰宽更窄、 边频噪声强度更小, 且随着y分量的增加, 光谱复原效果及优势将越发明显。 该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。
光谱学 空间外差拉曼 干涉图 二维频谱图 Spectroscopy Spatial Heterodyne Raman Interferogram 2D Spectrogram
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
二氧化碳（CO2）是造成温室效应的气体之一，其浓度的空间分布对气候预测和人类生产、生活的影响不可忽视，实现CO2浓度的准确反演有利于掌控全球CO2时空分布。但是在近红外波段，地表反射率的不确定对CO2浓度反演存在影响。引入比值法对卫星对地辐射光谱进行处理，验证吸收波段辐亮度比值与CO2浓度之间存在某种关系，该关系反演CO2浓度具有可行性。以MODTRAN4仿真的辐亮度光谱为数据源，选取4个特征吸收峰的光谱辐亮度比值与CO2浓度进行分析。结果显示，光谱辐亮度比值与CO2浓度存在近似线性关系，而且在6310 cm-1处的线性关系更为明显，误差仅有1.15%。然后通过设置不同的大气模式和气溶胶模式，进一步对辐亮度比值与浓度之比进行剖析，结果表明，在0.1~0.9反射率区间，两者呈高度相关，相关系数高达0.98，平均误差不超过2%。最后对实测数据进行相同处理，与仿真数据进行了对比。在4个波段的拟合中，6334 cm-1处拟合效果最好，线性关系达到了0.99，从另一方面说明了光谱辐亮度比值与CO2浓度存在线性关系，这种关系可以很好地应用于CO2浓度的反演，近似消除地表反射率影响。
激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0101001
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
卷云光学厚度是对全球气候、地球辐射收支影响较大的云光学参数之一。在**、大气科学等领域对卷云光学参数的求解算法有广泛的应用需求。应用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据求解卷云参数的算法，多采用卫星多通道数据，数据处理过程较为复杂。为解决这一问题，利用RT3模型结合MODIS云参数，模拟计算卷云反射率，建立卷云光学厚度查找表，设计简单算法，实现了卷云光学厚度的有效反演。对比卷云光学厚度反演结果和MODIS实际测得的数据，可得两者相关性达到0.97，验证了此算法下卷云光学厚度反演的可靠性。选取MODIS不同时间段的数据，分析了卷云光学厚度在不同时间、空间范围的变化情况，平均误差小于0.16，进一步验证了基于RT3模型的查找表反演卷云光学厚度的有效性。研究结果有助于实现全球范围内卷云光学特性的简单有效反演。
大气光学 卷云 光学厚度 倍加累加法 反演 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1901003
1 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西桂林54004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西桂林541004
偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强，极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题。针对该问题，本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法。该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究，利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据，搭建了粒子群算法优化的BP神经网络训练云检测模型。基于该云检测训练模型，利用POLDER3一级数据开展云检测试验，试验显示该算法云检测结果与MODIS云检测产品一致性为92.46%，高于POLDER3官方云检测产品与MODIS云检测产品的一致性83.13%。通过对比本文算法试验结果与POLDER3官方云检测产品不同的像元的光学特性发现，相比POLDER3官方算法，本算法对于亮地表上空薄云具有更强的敏感性，能更有效地进行云检测。
云检测 亮地表 偏振遥感 PSO算法 BP神经网络 Cloud detection Bright ground Polarization remote sensing PSO algorithm BP neural network
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
耀光是太阳光入射到海面上由海面镜面反射而成,其较高的辐射强度会造成传感器像元饱和,使得海面目标轮廓淹没在耀光中,对目标探测造成影响。基于耀光的偏振时域特性,提出一种耀光抑制方法。该方法利用实时偏振成像系统对有耀光的海面进行实时偏振测量,同时获取0°、45°、90°三个偏振方向的偏振视频图像信息;根据不同偏振方向视频对应帧图像计算Stokes矢量,生成空间域耀光抑制偏振辐射图序列。对生成的图像序列进行时域融合,从而抑制耀光。搭建水面实时偏振成像观测实验平台,开展耀光背景下水面目标的探测实验。实验结果表明:对比普通线偏振图像,所提方法获得的耀光抑制图像信杂比提升显著,耀光抑制效果明显,图像中海面目标显著性得到有效增强。
海洋光学 遥感 同时偏振成像 图像时域融合 耀光抑制 目标探测 光学学报
2021, 41(10): 1001003
1 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院, 桂林 541004
2 桂林电子科技大学 广西光电信息处理重点实验室, 桂林 541004
3 桂林电子科技大学北海校区 海洋工程学院, 北海 536000
为了避免常用的天空光偏振模式测量仪器中鱼眼镜头所引起的图像边缘区域扭曲的缺点, 采用手机相机和线性偏振片相结合的方法, 进行了理论分析和实际验证, 得到了大气偏振模式的分布情况和中性点位置的数据。结果表明, 实际测量的中性点区域与理论仿真的结果间高度角的偏差为2.4°±2.6°,方位角的偏差为1.4°±0.8°, 证明了测量方法的可行性, 随着天空中云层的增加, 天空光偏振分布图像会发生扭曲, 但仍然可以确定中性点位置, 为天空光偏振仿生导航提供了参考。该研究可用来确定太阳位置、实现自身定向及导航定位, 并且具有易操作、便携等优点, 在一定程度上降低了天空光偏振仿生导航的成本, 提高了民用价值。
散射, 中性点, Rayleigh散射, 大气偏振模式 scattering neutral points Rayleigh scattering skylight polarization pattern
1 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
空间外差光谱技术凭借超高光谱分辨率、 高通量、 瞬态探测、 无运动部件等优势, 在星际暗物质及大气微量气体成分等微弱光谱信号检测方面得到广泛应用。 为了探索一种基于空间外差光谱技术实现物质拉曼光谱(RS)快速、 直接检测的可行性, 选择三叶草作为测量对象, 使用一体化HEP-765-S空间外差光谱系统作为拉曼特征光谱探测器, 配合特定波长激光器搭建系统, 开展拉曼特征光谱直接测量实验。 首先使用Gaussview6.0构建三叶草所含主要色素: 叶绿素a、 叶绿素b、 α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的分子结构, 然后利用Gaussian16获取优化的仿真RS, 分析四种色素最强拉曼谱峰的波段范围, 确定四种成分的强信号特征波段为1 537～1 800 cm-1。 根据激发光源与拉曼位移的理论关系, 结合探测系统759～769 nm的检测波段范围, 计算出用波长680 nm的激光器作为光源激发拉曼信号, 可保证四种色素强特征拉曼信号正好落在探测范围, 且可避开光源瑞利散射光及荧光干扰的影响。 最终购置中心波长为680.28 nm的激光器与HEP-765-S空间外差光谱系统搭配开展三叶草强峰拉曼信号的直接检测实验。 实验结果表明: 搭建系统能够实现三叶草RS的直接测量, 但是所测拉曼信号强度偏弱, 这主要是两方面原因造成: (1)由于所用激光器的输出功率峰值偏小, 约为130 mW； (2)所用HEP-765-S空间外差光谱系统为一体化设计仪器, 软硬件系统及参数固化后不能进行调整, 仪器数据采集的最大积分时间偏小, 设定值为832 ms。 光源功率不够大且仪器积分时间小共同导致采集信号偏弱。 通过与仿真光谱比较, 实测光谱在使用空间外差系统探测波段与三叶草叶片内四种主要色素拉曼信号叠加的包络基本一致, 中央主峰与两端次峰都符合较好, 实测光谱与仿真光谱具有较好一致性, 说明采用空间外差系统对物质拉曼信号进行快速、 直接检测具有可行性。
空间外差光谱仪 拉曼光谱 Gaussian仿真 三叶草 Spatial heterodyne detection system Raman spectroscopy Gaussian calculation Clover 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2110
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
3 清华大学物理系, 北京 100084
废弃的药物化合物处理不当最终会进入环境成为污染物, 存在于天然水饮用水和城市废水中。 医院污水中含有低浓度的药物, 当这些药物进入环境会成为污染物, 进而严重污染自然生态系统。 吲哚美辛一种广泛使用的非甾体抗炎药, 其不易溶于水, 使得污水中的药物降解成为一项挑战。 为研究在外电场(EEF)作用下, 吲哚美辛分子结构和光谱的变化, 选用密度泛函理论(DFT)以及6-31+G(d, p)基组, 沿Y轴(N15-C16)方向施以EEF(0～0.025 a.u.)并优化吲哚美辛分子的基态几何构型, 探究了分子总能量、 键长、 红外光谱(IR)、 偶极矩（DM）和HOMO-LUMO能隙。 结果显示, 无EEF时, 吲哚美辛分子中C2与C17间的单键优化成了苯环间的双键, 就使得C16与C17的π电子还有N15的孤立电子与苯环形成牢固的共轭体系, 使吲哚美辛分子能量降到最低, 形成最稳定的构型。 DM随着EEF的增强缓慢增加, 当F≥0.015a.u.时增速变大, 基态总能量的变化则与此相反。 随着EEF的增强, 各个键长的伸缩变化不同。 C3-C4, C3-N15, C5-C6, O10-C11和N15-C16的键被拉长, 尤其是O10-C11, C3-N15和N15-C16键长变化剧烈, 最易断裂进而使吲哚美辛分解。 当EEF变大, 能隙不断降低, 表明在EEF下吲哚美辛分子的电子易过渡到高能级, 使分子处于激发态。 吲哚美辛分子中不同化学键的振动产生的IR, 相应地出现了不同的频谱移动, 这主要与能级有关, 能级差减小, 频率减小, 导致红移（RS）, 反之则产生蓝移（BS）; C16-C18与N15-C40键长变化ΔR与频移变化Δf的对应关系表明频谱移动还与分子轨道配置和偶极矩的变化等因素有关。 较强的4, 5, 6, 7吸收峰发生RS且振动强度增强, 说明对应的化学键变得脆弱进而断裂。 这些现象皆说明吲哚美辛分子随着EEF的增强, 变得不稳定, 易发生解离。 分析EEF下物质的分子结构和IR, 可以电场解离方法研究降解吲哚美辛, 以便为污水中的顽固药物降解提供理论指导。
吲哚美辛 药物降解 外电场(EEF) 分子结构 红外光谱(IR) Indomethacin Drug degradation External electric field(EEF) Molecular structure Infrared spectrum 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2447
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
针对传统水下偏振差分成像模型在图像处理过程中出现失真的问题,提出改进的水下偏振差分成像模型。该方法通过增加目标透射光辐射强度的反演过程,同时引入修正参数,对目标透射光辐射强度进行校正,有效避免了传统水下偏振差分成像模型中由全局参量直接反演场景图像造成的图像失真和局部灰度值为负数的情况。利用FD-1665偏振成像仪,开展基于线偏振光主动照明的水下目标成像探测实验,获取偏振图像数据,并利用客观图像质量评估参数对处理结果进行对比分析。结果表明,改进后的模型相较于传统偏振差分模型,图像对比度提高了40%以上,故改进后的偏振差分成像模型能更有效地识别水下目标。
成像系统 偏振成像 目标探测 散射 图像处理 水下成像 光学学报
2019, 39(11): 1111003
