1 中国科学院红外探测与成像技术实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院空间应用工程与技术中心太空应用重点实验室，北京 100094
4 中国科学院大学，北京 100049
傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势，非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪（FY-4/GIIRS）运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点，推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法，通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率，拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后，利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数，就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空（TVAC）定标试验数据验证，该算法简单有效，在各试验环境温度工况下，对180~320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。
红外探测 辐射定标 非线性校正 傅里叶变换光谱仪 高光谱 infrared detection radiometric calibration nonlinearity correction FTIR hyper spectrum
1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学 光电学院，北京 100081
针对高光谱成像特点，提出了一种基于三维特征检测微小摄像头的方案。在空间维利用猫眼效应筛选疑似目标，在光谱维对结果进行精准判定。依据摄像头结构，分析了可见光摄像头的反射光谱特征。基于几何光学和辐射度学，计算和仿真了系统的探测距离。结果表明，正常工作时，光功率影响最小探测距离，目标尺寸影响最大探测距离。搭建了微小摄像头光谱特征验证系统。结果表明，采用吸收型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线变化平缓且数值高，采用反射型红外截止滤光片的目标的非反射光占比曲线可见光部分数值高，红外部分数值低，从700 nm附近开始下降，甚至发生突变，实验数据显示，突变位置的斜率绝对值是红外波段斜率绝对值的10倍以上。实验结果与预期分析的结果一致，验证了高光谱成像技术检测微小摄像头的可行性。
高光谱 微小摄像头 光谱特征 成像光谱 hyper-spectrum tiny camera spectral characteristics imaging spectrum
为了探究反射光谱检测水体中毒死蜱农药的可行性, 使用由ASD公司的FieldSpecPro地物波谱仪构成的高光谱采集系统在室内、 室外环境获取两种不同浓度区间的毒死蜱样品的光谱数据。 基于偏最小二乘（PLS）和主成分分析（PCA）算法分别对毒死蜱样品光谱数据建立全波段定量模型, 结果两种模型的预测能力均较高。 通过相关性分析（CA）计算相关系数来选择毒死蜱样品光谱的特征波长, 其中浓度区间为5~75 mg·L-1的室内、 室外实验光谱的特征波长为388, 1 080, 1 276 nm和356, 1 322, 1 693 nm, 浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验样品光谱的特征波长为367, 1 070, 1 276, 1 708 nm和383, 1 081, 1 250, 1 663 nm。 结合PLS算法建立样品特征波长光谱数据的定量模型, 结果与全波段模型相比, 浓度区间为5~75 mg·L-1的室内外实验光谱PLS特征波长模型的校正集决定系数R2C分别提高至0.987 5和0.999 2, 预测集决定系数R2P分别提高至0.989 4和0.994 4, 校正集均方根误差RMSEC分别降低为2.841和0.714, 预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.715和1.244; 浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验光谱特征波长PLS模型的校正集决定系数R2C分别提高至0.998 3和0.998 8, 预测集决定系数R2P分别提高至0.998 4和0.999 0, 校正集均方根误差RMSEC分别降低为1.383和1.186, 预测集均方根误差RMSEP分别降低为1.510和1.229, 验证集标准差与预测均方根误差的比值（RPD）有所增加, 尤其是针对浓度区间为0.1~100 mg·L-1的实验, RPD值显著增加至21.7, 说明基于特征波长建立的毒死蜱样品定量模型具有较高精度的预测能力, 但是通过不同浓度区间范围的对比实验发现, ASD地物光谱仪对低浓度的毒死蜱溶液预测的相对误差偏大, 存在客观上的检测下限。 为了保证不同试验条件下的毒死蜱农药的特征波长都得到分析, 增强模型使用的普适性与鲁棒性, 根据特征波长选择出4个波段, 即351~393, 1 065~1 086, 1 245~1 281和1 658~1 713 nm作为特征波段。 特征波段模型的波长变量个数共38个, 相比于全波段模型的432个波长变量, 模型变量精简了91.2%, 其中浓度区间为5~75 mg·L-1的室内外实验光谱PLS特征波段模型的R2C分别为0.993 7和0.987 8, R2P分别为0.979 8和0.998 2, RMSEC分别为1.690和2.516, RMSEP分别为1.987和0.659; 浓度区间为0.1~100 mg·L-1的室内外实验光谱特征波段PLS模型的R2C分别为0.9882和0.9807, R2P分别为0.9391和0.9936, RMSEC分别为3.345和3.942, RMSEP分别为8.996和2.663, 且四种实验情况下的模型RPD值均大于2.5, 满足定量分析条件。 因此采用高光谱采集系统对室内和室外环境中毒死蜱农药的快速检测具有一定的可行性, 此研究结果对有机磷农药等面源污染物快速检测有实际的应用价值, 可为农田水体有机磷农药快速检测仪器的开发提供理论基础。
高光谱 毒死蜱 偏最小二乘法 相关性分析法 定量模型 特征波长 特征波段 Hyper-spectrum Chlorpyrifos Partial least squares Correlation analysis Quantitative model Characteristic wavelength Characteristic band
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
根据水下环境主要监测要素的特征光谱分析了可采用的观测方法, 并給出对应的高光谱成像仪光学系统性能参数; 分别设计了望远镜和成像光谱系统并进行匹配, 望远镜以双高斯透射式系统为原型, 利用较少的光学材料种类完成像方远心优化; 成像光谱系统基于Dyson系统, 通过光程分析与透镜的添加实现了良好的光学性能, 并保证了工程的可实施性.最终设计系统在350~700 nm波段上实现了视场角为28°、F数为3、光谱分辨率为3.5 nm、系统空间分辨率为1 mrad的良好光学性能, 设计搭建的原理样机性能测试验证了设计理论的正确性.
成像光谱仪 高光谱 光学设计 水下探测 原理样机 Imaging spectrometer Hyper spectrum Optical design Underwater detection Prototype 光子学报
2018, 47(11): 1101003
1 合肥师范学院 电子信息工程学院, 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
为解决传统Dyson成像光谱系统结构过于紧凑而难于实际应用的缺点, 通过减薄半球透镜厚度和偏置狭缝位置的办法, 将狭缝、像面与半球透镜之间拉开了足够的轴上距离和垂轴距离; 结合光程进行分析, 获得了改进后Dyson系统的消像散条件; 在半球透镜和凹面光栅之间增加两个球面透镜, 对轴上距离带来的额外球差和色差进行校正.结合改进的Dyson成像光谱仪和Schwarzschild双反射镜系统, 设计了宽波段、小F数高光谱成像仪光学系统.对一工作波段为320~1 000 nm的实例设计结果进行分析可知, F数为1.8的全系统像差得到充分校正, 全视场全波段调制传递函数值在0.5以上, 光谱分辨率达到3.6 nm.该系统可用于沿海环境的高光谱观测.
高光谱 成像光谱仪 沿海环境 Dyson系统 宽谱段 Hyper-spectrum Imaging spectrometer Coastal ocean Dyson system Broadband
东北师范大学地理科学学院, 吉林 长春 130024
随着精准农业这一理念的提出, 快速精确获取农业信息成为人们关注的重点。 偏振遥感因其结合了多角度遥感的特点, 高光谱遥感和微波遥感的特点, 从而能在不破坏地物的基础上提高探测和识别地物的准确度。 以往的研究主要以单一土壤肥力指标为主。 该实验通过实测吉林省典型地区农田土壤在不同状态下的光谱曲线, 探讨了在确定最佳观测条件下的土壤肥力综合指标IFI与土壤光谱曲线的关系。 结果表明光线探测天顶角、 探测方位角、 偏振状态均会在一定条件下影响土壤光谱曲线, 但对光谱的形状和走向影响不大。 在保证设备可达条件下, 设计出遥感中监测土壤肥力的最佳方式。 通过对光谱数据进行一阶微分和倒数的对数运算, 在选定的特征波段上建立相应的肥力模型。 结果表明土壤肥力与光谱反射比呈现明显的负相关关系, 和光谱吸光度呈现明显的正相关关系, 与光谱反射比的一阶微分相关关系不确定。 在利用光谱反射比、 光谱一阶反射比和吸光度特征参数进行土壤肥力估算时, 发现光谱反射比与土壤肥力的二次函数拟合优度最佳, 在560和860 nm处决定系数分别达到0.876和0.867。
偏振 高光谱 多角度 土壤肥力 农田土壤 Polarization Hyper-spectrum Multi-angle Soil fertility Farmland soil
1 后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系, 重庆 401311
2 杭州师范大学遥感与地球科学研究院, 浙江 杭州 311100
3 后勤工程学院军事油料应用与管理工程系, 重庆 401311
高光谱遥感技术是一种有效的监测石油类污染手段, 目前主要应用于海上溢油方面, 而关于土壤石油烃污染的研究较少。 针对土壤石油烃污染研究不足的现状, 选取柴油、 汽油和机油三种石油烃, 开展了石油烃污染紫色土的光谱特征实验研究, 分析了紫色土在不同种类石油烃污染及不同污染浓度条件下的光谱特征, 提取了含有不同种类石油烃的紫色土光谱吸收特征波段。 在此基础上, 经过7种光谱变换和相关性分析, 筛选出与石油烃含量最敏感的光谱变量, 分别采用单变量回归法和多元逐步线性回归法建立了估算模型, 并对模型进行了验证。 研究表明: 含有柴油、 机油和汽油的光谱在1 200, 1 700和2 300 nm附近均出现了吸收特征, 光谱吸收深度表现为: 机油>汽油>柴油; 多元逐步线性回归法优于单变量回归法, 其建立的柴油、 机油和汽油的估算模型决定系数均大于0.95, 校正均方根误差小于0.47, 验证均方根误差小于0.56, 估算精度较高。
高光谱 紫色土 石油烃含量 特征波段 估算 Hyper-spectrum Purplish soil Petroleum-hydrocarbon content Characteristic band Estimation 光谱学与光谱分析
2017, 37(12): 3924
1 山东农业大学资源与环境学院,泰安 271018
2 土肥资源高效利用国家工程实验室,泰安 271018
运用高光谱技术快速无损地估算了苹果叶片的等效水厚度(Equivalent Water Thickness, EWT),为苹果树的长势及干旱预警提供参考。以山东省烟台栖霞市红富士苹果树叶片为试验材料,在测定苹果叶片的光谱反射率和计算叶片EWT的基础上,分析了苹果叶片的EWT、原始光谱的反射率及其13种变换光谱反射率之间的相关性。筛选敏感波长后,建立了苹果叶片EWT的支持向量机定量的估算模型。13种光谱变换中,一阶导数(the First Derivative, FDR)、平方根的一阶导数(the First Derivative of the Square Root, FD(SqrtR))及倒数的对数的一阶导数(the First Derivative of the Logarithm of the Reciprocal, FD[Lg(1/R)])三种变换的相关性较好。确定了估测苹果叶片EWT的敏感波长。基于支持向量机回归分析方法,建立了定量估算叶片EWT的模型,验证集的决定系数R2达到了0.8147,相对分析误差(Relative Percent Deviation, RPD)达到了2.2671。结果表明,该模型具有较高的估测能力,支持向量机回归方法比较适于估算苹果叶片的EWT。该方法为利用高光谱技术定量估算苹果的生长状况提供了技术支撑。
高光谱 等效水厚度 支持向量机 苹果叶片 定量估算 hyper-spectrum equivalent water thickness support vector machine apple leaf quantitative estimation
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津300072
2 河北工业大学电气工程学院电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室, 天津300130
3 天津师范大学电子与通信工程学院, 天津300387
从漫射高光谱中可以获得被测物体成分、 结构及其分布等信息。 采用光纤光谱仪获取漫射高光谱是一种常用的方法。 Monte Carlo方法在研究光在浑浊介质的传播方面得到了广泛的应用。 然而, 使用Monte Carlo方法研究漫射高光谱时, 必须考虑实际的检测条件对信号采集的影响。 将光纤参数引入到Monte Carlo模型中, 研究了光纤参数对被检测光学信号的影响。 仿真结果表明, 孔径角和半径增大, 检测的漫射高光谱随之增大, 而光纤与被测物质表面的距离小于1 mm时对漫射高光谱的影响在一定程度上可以忽略。 进一步研究发现存在固定的修正系数使不同孔径角的光纤所采集的漫射高光谱转化为孔径角为π/2的光纤对应的信号。 同时, 得到了实际光纤孔径角范围内的修正系数拟合曲线。 不同半径的光纤通过面积归一化可以得到很好的一致性。 研究检测光纤参数对漫射高光谱的影响对实际测量有重要的指导意义, 而且不同光纤所对应的检测结果可以通过修正系数和面积归一化进行移植。
Monte Carlo仿真 检测光纤 漫射高光谱 浑浊介质 Monte Carlo simulation Detection fiber Diffuse hyper-spectrum Turbid media
1 中国林业科学研究院资源信息研究所, 国家林业局林业遥感与信息技术实验室, 北京100091
2 中国传媒大学, 北京100024
3 西南林业大学, 云南 昆明650224
4 中国科学院空间应用工程与技术中心, 北京100094
为获得利用卫星数据探测明火、 焖烧、 烟和火烧迹地等四种火情状态信息的敏感波谱范围, 利用天宫一号高光谱数据, 采用统计和光谱分析相结合的方法, 对探测这四种火情状态信息的适宜卫星谱段进行了分析。 结果表明: 天宫一号高光谱数据对这四种火情状态探测谱段存在明显区别, 在高光谱短波红外各通道, 明火的反射率比其他三种的反射率都高, 而烟的反射率则最低; 在高光谱可见近红外和全色传感器对应通道, 烟的反射率比其他三种的反射率都高。 在谱段选择上, 探测明火的较适宜谱段区间为1 000.0～1 956.0 和2 020.0～2 400.0 nm; 用于判识焖烧的适宜谱段范围为930.0～1 000.0 和1 084.0～2 400.0 nm; 检测烟的适宜谱段区间为400.0～920.0 nm; 检测火烧迹地时适宜选用中心波长900.0～930.0和1 300.0～2 400.0 nm等波段进行组合, 构建检测模型。
天宫一号 高光谱数据 火情状态 探测 TG-01 Hyper-spectrum images Burning status Detection 光谱学与光谱分析
2013, 33(7): 1908
