基于修正岭估计模型提高成像光谱仪光谱分辨率

发布时间：2020-09-24 14:18

　　结合图像和光谱信息采集技术的成像光谱仪,一经问世就受到了高度重视,在天文学、遥感探测、生物医学成像、资源勘探等领域发挥着越来越重要的作用。随着材料技术、探测器技术与计算机技术的飞速发展,成像光谱仪取得了前所未有的进步。但是受限于当前探测器单元的二维阵列排布,成像光谱仪采集光谱立方体面临空间信息与光谱信息、光谱分辨率与光谱工作范围以及光谱立方体精度与采集速率的矛盾难以解决。液晶可调谐滤光片(liquid crystal tunable filter,LCTF)式成像光谱仪作为光谱扫描型成像光谱仪,以其结构简单易携、稳定性和精度较高受到青睐。但是LCTF成像光谱仪仍然因为LCTF滤光带宽和光谱分光效应的限制,遇到了光谱分辨率难以继续提升的瓶颈。反演算法是提高光谱立方体精度的有效方法,但是同时考虑光谱和空间复用带来了巨大的运算量,限制了高精度数据的重建。事实上,当前探测器技术的发展,以及硬件平台的补偿,使得空间像素串扰并不严重,单纯考虑光谱复用和重建是现实而有意义的。先验条件约束的修正岭估计方法可以有效解决反演模型的病态性,获得高精度且可信的采样恢复重建数据。本文以实验室自主设计的LCTF成像光谱仪平台为例,利用修正岭估计方法建立反演模型,重建光谱立方体,改善光谱分辨能力。然后,本文设计了一系列仿真和实验,验证了修正岭估计重建模型成功提升LCTF成像光谱仪的光谱分辨率,极限条件下可改善40%以上。另外,设计的一系列实验也证明了成像光谱仪,尤其是重建之后的高精度成像光谱仪在目标探测与识别等领域的应用前景与潜力。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH744.1
【部分图文】：

成像光谱仪,主界面,软件,系统传递函数

图 2-5 LCTF 成像光谱仪操作软件主界面F 成像光谱仪数学模型情况下，成像光谱仪采集的光谱立方体 I（x, y, λ）是目标场景 S映。但由于 LCTF 和透镜的光谱透过率函数并非理想脉冲函数，所是一个与中心空间坐标(x0, y0)和中心波长 λ0相关的积分值。 0 0 0 0 0 0I x , y , λ S x, y , λ T x, y , λ, x , y ,λ dxdydλ T 表示成像光谱仪系统传递函数。忽略空间误差及光谱立方体空述成像过程可简化为： 210 0,λλI λ S λ T λ λ dλ λ2]表示积分窗口，即系统传递函数的透过率窗口。系统传递函数过率函数 TLCTF(λ, λ0)，光学系统传递函数 TLEN(λ, λ0)和 CMOS 图像

标准白板,氙灯,立方体,光谱

华中科技大学硕士学位论文构正好可以用来验证修正岭估计模型的光谱立方体重建效果。反射氙灯光谱重结构的峰值波长分别在 536nm、545nm、575nm 和 589nm 附近，峰值波长间隔为 9nm 和 14nm，峰谷值比分别为 1.15、1.24、1.37 和 1.676。调整 LCTF 成像仪采集标准白板反射的氙灯光谱立方体，取其中 520-610nm 波长范围光谱图像 4-2。

白板,氙灯,光谱,立方体

华中科技大学硕士学位论文长则分别定位于 540nm、550nm、575nm 和 590nm，与光谱仪测得反射光谱曲线一致。这证明了修正岭估计模型重建光谱立方体，确实改善了 LCTF 成像光谱光谱分辨能力。取像素均值作为该波长处的光强度值，可以提取得到光谱立方体中的光谱维息。利用这种方法处理原始光谱立方体和重建光谱立方体，得到 LCTF 成像光测量的白板反射氙灯光谱曲线，分别如图 4-4 蓝色虚线和红色实线所示。

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