为了快速感知并分析田间作物生长状况, 采用先进的半导体镀膜工艺的光谱成像传感器, 研究镀膜型光谱成像数据的提取与叶绿素含量分布式检测的方法。 实验采用基于镀膜原理的IMEC 5×5成像单元式多光谱相机, 对47株苗期玉米植株的冠层进行拍摄, 获取673～951 nm范围内的25个波长的光谱图像。 利用SPAD-520叶绿素仪非破坏性地测量叶绿素含量指标, 每株玉米冠层叶片设置2～3个采样点, 每点测量3次取平均, 共计251个样本数据; 同时使用ASD Handheld2型光谱仪采集相应位置区域的反射率曲线, 以对比分析镀膜型光谱成像传感器提取玉米植株冠层叶片反射率曲线的特性。 首先, 在分析镀膜型光谱成像传感器的成像原理的基础上, 通过对原始图像的拆分和重组分别提取成像单元中相同波段的像素灰度值, 并利用相同波段的像素灰度值重构单波段光谱图像, 获取各波段光谱图像。 其次, 利用4灰度级标准板建立图像灰度值和灰度板反射率之间的线性反演公式, 对提取的反射率进行校准。 然后, 为了准确分割出玉米植株冠层, 提出了大津算法(OTSU)和霍夫圆变换组合的玉米植株冠层图像二次分割方法, 分别剔除图像中土壤和培养盆背景的干扰。 最后, 利用马氏距离算法剔除异常样本数据, 利用SPXY (sample set partitioning based on joint X-Y distance)算法划分建模集和验证集, 采用偏最小二乘回归法(PLSR)建立玉米植株叶绿素含量指标诊断模型, 并绘制其分布伪彩色图用于分析叶绿素含量空间分布特征。 研究结果表明, ①对25波段多光谱图像提取和反射率线性校准拟合模型决定系数均达到0.99以上。 分析校准前和校准后与ASD光谱仪测量反射率曲线, 镀膜型成像传感器获取玉米冠层反射光谱总体与ASD采集反射率体现的光谱特征一致, 且校正后数据比校正前与ASD光谱反射率的一致性得到了提升。 ②建立初次OTSU分割算法和基于霍夫圆变换识别的二次分割算法, 可以有效剔除玉米植株光谱图像中的土壤和培养盆背景噪声的干扰。 ③叶绿素含量指标PLSR诊断模型建模集R2c为0.545 1, 验证集R2v为0.472 6。 玉米作物冠层叶绿素分布可视化图可以直观反映叶绿素含量分布与生长动态情况。 通过对镀膜型光谱成像传感器应用方法的研究, 为后续玉米植株叶绿素动态快速检测奠定基础和提供技术支持。

土壤速效氮是影响作物生长发育的重要养分指标。 野外原位可见近红外光谱(VIS-NIR)分析技术具有快速无损等特点, 对速效氮的定量预测具有较好的应用前景。 野外条件下进行原位光谱采集更节省人力物力, 且为土壤养分实时传感器的开发提供了数据基础。 但由于野外原位光谱中通常存在大量的无关环境因子干扰信息, 易导致回归模型预测精度降低, 达不到实用要求。 针对位于以色列中部和北部的两个试验点共76个样本开展研究, 提出利用Y-梯度广义最小二乘加权算法(Y-GLSW)对样本的野外原位VIS-NIR反射率光谱(350～2 500 nm)进行滤波校正, 以提高回归模型的预测能力。 首先使用SG平滑、 一阶导数变换、 标准正态变换等常规方法对原始光谱进行预处理和变换; 在此基础上再使用Y-GLSW构建滤波模型对变换后的光谱进行滤波校正; 最后使用偏最小二乘回归算法(PLS-R)分别结合原始光谱RW、 预处理变换后的光谱PPT和滤波校正后的光谱Y-GLSW建立回归分析模型对速效氮进行定量预测。 结果表明: 利用RW光谱建立的回归预测模型是不可靠的; 利用PPT光谱建立的回归模型在测试集的相对分析误差(RPD)为1.41, 解释总方差占实际总方差之比(SSR/SST)为0.57, 模型具有一定的可靠性; Y-GLSW光谱建立的回归模型在测试集的RPD和SSR/SST分别为2.07和0.69, 相对于PPT模型分别提高了46.81%和21.05%。 因此, 利用Y-GLSW对野外原位VIS-NIR光谱进行滤波校正, 能够有效去除光谱中的无关信息数据, 提高模型的预测精度和解释能力。

由于无法实现真空测量, 大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。 为了提高光谱定标精度, 通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响, 并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正, 分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。 不同测量环境的敏感性模拟结果表明: 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动, 强吸收光谱处的响应减弱, 致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。 光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势, 偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。 4 m水平路径35%相对湿度的情况下, 亮温偏差可大于4 K。 FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。 利用水平大气透过率光谱, 通过光谱比值的方法, 对FY-2D的SRF进行订正。 订正后SRF的异常波动被基本消除, 曲线分布更加光滑合理。 理论分析结果表明: 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K, 黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。 大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著, 不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。 实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响, 应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低, 光能利用率高及无运动部件等优势, 逐渐成为光谱仪领域的研究重点。 研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。 为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题, 对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。 首先, 导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。 然后, 提出了两个过程来解决谱带混叠, 一是通过调整DMD编码条纹, 使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。 最后, 通过对谱线曲率半径为5.8×104, 7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正, 拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。 结果表明: 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后, 分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、 并且方法简单、 有效。

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多, AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统，压缩被测目标视场角，使其满足AOTF视场角要求，并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF，以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF，在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关，可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系，进而得到CCD像元与中心波长的关系，并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明，修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级，且成像清晰，提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。

提出了利用定量化的仪器线形函数对面阵傅里叶光谱仪像元进行光谱修正的方法。系统介绍了傅里叶光谱仪的仪器线形函数，结合仪器的自身特征建立了仪器线形函数模型，并利用MATLAB进行了仿真计算。通过理论计算给出了中心像元和边缘像元的激光光谱波峰之间的差值，其同实际值的相对误差均值仅为4.21%，修正后的边缘像元光谱准确度达到10-5量级。得到的结果从理论角度证明了利用仪器线形函数对面阵型傅里叶光谱仪进行光谱修正的有效性。最后从实际工程应用的角度出发，提出了针对面阵傅里叶光谱仪非中心像元光谱修正的方法。实验显示该方法具有很强的普适性，可在保证较高光谱准确度的基础上极大地提高光谱定标的效率，降低光谱定标的工作量。

荧光内滤效应以及样品池中荧光物质对激发光的吸收分布会直接影响荧光谱的强度和谱形, 共同制约荧光分析法的应用。 使用吸收谱及荧光谱存在交迭的双组分混合溶液, 研究一种新的基于物理吸收模型的校正方法, 以校正荧光内滤效应及吸收分布对荧光强度的影响。 对三聚噻吩和五聚噻吩混合液的光谱研究表明, 使用所述校正方法可以达到较为理想的校正效果, 误差小于5%。