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。

目标实时探测是红外成像光谱系统的重要研究方向之一。为了同时保障系统数据处理速度与光谱复现精度, 研究了一种高速光谱反演系统。该系统由现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现, 对干涉条纹图像进行非均匀性校正、加窗切趾, 从而抑制干涉条纹数据中的直流噪声及杂散噪声; 再经快速傅里叶变换、相位校正、光谱标定最终获得光谱分布。结果表明, 本算法对杂散噪声具有很好的抑制效果, 非均匀性系数由11.23%降低至1.05%; 对光谱的反演实验中本系统获得的光谱分布形态与MATLAB结果基本一致, 且在光谱细节部分的准确度更好一些; 系统采用流水线工作方式缩短了数据处理周期, 并且基于FPGA芯片的开发模块具有更强的兼容性。该系统具有处理速度快、体积小、稳定性高、兼容性强等优点, 在红外目标实时探测领域具有很好的应用前景。

土壤剖面是土壤发生学研究的核心, 但过去几十年以来研究土壤剖面的技术并没有发生质的变化。 成像光谱技术可以提供高空间、 高光谱分辨率的土壤剖面数据, 能够弥补反射光谱技术采样深度间隔较大的不足, 用于定量研究土壤属性连续深度变化。 以室内采集的土壤剖面成像光谱数据为研究对象, 采用支持向量机方法进行光谱数据主成分分类, 探讨成像光谱数据用于剖面发生层划分的可行性并分析影响因素。 研究中首先定性分析各发生层平均光谱曲线形态特征, 然后通过分析剖面光谱数据主成分深度变化特征及其散点分布情况, 探讨其用于剖面发生层划分的可行性; 最后进行1 000次随机划分数据集并建模、 预测以减小误差, 定量证明成像光谱数据用于土壤发生层划分的可行性, 并通过样本分类错误频率来分析影响分类精度的因素。 研究结果表明, 受成土过程影响剖面内各发生层平均光谱曲线特征存在差异。 成像光谱数据的主成分可以定量呈现土壤剖面深度方向上属性的连续变化及样本散点分布的集聚特征, 能较好反映发生层之间的差异性, 可以用于发生层划分。 建模预测结果表明发生层的预测精度平均值达到93.08%。 同时发现, 光谱主成分分布相似区域的样本及位于发生层过渡区域的样本分类错误率较高。 该研究为利用成像光谱技术进行土壤剖面发生层划分提供了理论依据, 为下一步进行剖面发生层制图奠定了技术基础。

静态干涉系统具有稳定性好、 抗干扰能力强的优势, 但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。 针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题, 设计了一种新型静态成像光谱系统。 系统由光束整形模块、 新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。 光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光, 进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果; 新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。 在双折射干涉结构的基础上进行了改进, 在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率, 并实现了光谱分辨率的静态调制; 成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。 系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件, 在两棱镜间放置电光调制模块, 实现光程的静态扫描。 分析了新型静态成像光谱系统的工作原理, 给出了入射角、 折射角等主要参数的函数表达式, 并构建了系统的数据模型。 通过绘制系统光线追迹图的方式, 得到了该系统横向剪切量的函数方程, 并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。 通过仿真计算了改变结构角、 晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度, 并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。 由仿真分析结果可知, 增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。 故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的, 可以实现静态光谱图像的获取。 在实验中对660 nm激光进行了测试。 新型静态干涉模块采用孔径20 mm×20 mm, 厚度10 mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10 mm的电光调制晶体构成。 当调制度分别是0.000 2和0.000 6时, 成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。 当调制度增大时, 其干涉条纹密度增大, 说明采用越大的调制度, 系统对应的光谱静态扫描能力越强, 对光谱分辨率的控制越好。 由此可见, 本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性, 验证了系统的可行性。

计算光谱成像技术具有高通量、 快照成像等优点, 但快照成像采样数据量不足, 导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。 通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究, 提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术, 利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径, 通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。 仿真和实际成像结果表明, 连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响, 理论上可完全重构图谱信息, 重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。 相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术, 连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置, 也不需要凝视成像, 系统中没有活动元件, 稳定性高, 适用于常规航空航天遥感推扫成像。

弹光调制干涉信号范围为百赫兹到数十吉赫兹之间, 而由于探测器阵列无法对该等级频率实现有效响应, 因此, 该情况使弹光调制器在光谱成像工作中受到限制。 为了解决该问题, 发展了一种使用两块具有相近谐振频率的PEM, 并基于该频率差进行光信号调制的方法。 该方法将两个弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率f1和f2上, 被测光通过双弹光调制器实现差频调制, 因此干涉信号中产生载有被测光的低频调制分量, 低频调制频率是以δi(σ,t)=δ0i(σ)sin(ωit)为基频的一系列倍频信号, 该低频调制信号使用普通探测器即可实现探测, 再将直流和高频信号滤波后, 仅对调制信号后的低频成分进行对应的运算即可得到被测光谱。 由于该频率差比所使用PEM的谐振频率低2至3个数量级, 因此, 该方法可使探测器获得更多的响应时间, 而且由于该方法并不需要所使用的两块PEM具有严格一致的谐振频率和相同的光程差, 降低了系统本身的设计难度。