基于非线性坐标变换结合反卷积算法的光谱分辨率提升技术的研究

发布时间：2017-08-07 14:08

  本文关键词：基于非线性坐标变换结合反卷积算法的光谱分辨率提升技术的研究

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【摘要】：作为无损物质分析的重要手段,光谱分析已经广泛应用于遥感、勘探、生物检测等诸多领域。物质的发射与反射光谱特性可以解析其组成成分,然而通过光谱仪获取的光谱特征数据不仅仅包含目标的特性,同时引入了设备自身的响应特性。光谱的响应特性可以用光谱分辨率来衡量,即把光谱特征峰分辩和分离的能力。光谱仪的光谱分辨率越高,设备自身对目标光谱产生的影响越小,但往往响应与信噪比等性能会受到限制;反之,光谱仪的响应函数会引起目标光谱带宽增加和谱线重叠的现象,导致测量的光谱数据降质,可以认为光谱采集是一个卷积系统。为了尝试增强光谱数据的分辨率,可以通过反卷积的算法,将仪器响应函数作为卷积核,从而淡化仪器自身特性对目标光谱特性的影响。以声光可调滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)为核心分光器件的光谱仪,其光谱响应具有光谱带宽随衍射波长变化的特征,即不同波长对应不同的光谱分辨率。这会造成在常规的反卷积算法中,卷积核在不同衍射波长位置而不同的问题。所以,本文采用了一种非线性尺度变换的方法,将波长和光谱分辨率进行等价变换,在能量一致的条件下,拉伸光谱维坐标,使得变换后的光谱分辨率在光谱维上保持一致,以便于反卷积求解。再通过反变换回到原始坐标系,从而解决反卷积算法的局限性问题。1.仿真实验是在AOTF光谱仪光谱分辨率特征下,对冲激信号,双峰重叠的信号,多谱线重叠的信号的响应,采用非线性坐标变换分别与FSD和非线性迭代反卷积相结合的方法进行光谱增强处理。通过仿真结果对比,后者在光谱分辨率提升上远远优于前者,重叠峰可以达到基线分离,光谱吸收深度得到加深,光谱特征更加明显,更加接近真实光谱曲线特征。2.使用实验室现有的AOTF测试平台,获取NeAr标准灯线谱,采用非线性坐标变换分别与FSD和非线性迭代反卷积相结合的方法进行光谱增强处理,结果显示,目标线谱光谱半高宽平均减小48.9%,光谱吸收深度平均可以增加25倍,峰谷比得到很大提升。3.对测量的大气透射光谱的响应,使用非线性坐标变换与非线性迭代反卷积相结合的方法对实测数据进行了分辨率提升处理。最后的反卷积结果可以将605nm-615nm谱段和690nm-710nm谱段的重叠展宽的光谱实现基线分离。大气宽谱数据处理后的结果显示,在950nm,970nm,1130nm,1430nm,1790nm,1960nm,2500nm处的吸收特征,是经过反卷积处理后显现出来的,与PcModwin对大气真实谱线仿真对比,这些吸收特征主要是水,CO2引起的,以上方法得到了有效的验证。理论分析,仿真及实验结果表明,将非线性坐标变换与非线性迭代反卷积相结合的方法可以提升AOTF分光的变分辨率光谱系统的光谱分辨能力,达到光谱细分的目的。
【关键词】：光谱分辨率 AOTF 傅里叶自反卷积 非线性迭代反卷积 非线性坐标变换
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.1.1 光谱的应用11-12
• 1.1.2 光谱的获取12-13
• 1.2 光谱特征的描述13-15
• 1.3 光谱分辨率提升算法的现状15-17
• 1.4 论文章节安排17-19
• 2 AOTF光谱仪光谱特性19-26
• 2.1 声光可调谐滤波器原理19-20
• 2.2 AOTF光谱仪光谱分辨率20-21
• 2.3 响应函数的选取21-24
• 2.4 章节小结24-26
• 3 基于AOTF光谱分辨率特点的反卷积算法26-31
• 3.1 非线性坐标变换26-27
• 3.2 非线性迭代反卷积算法27-28
• 3.3 傅里叶自反卷积算法28-29
• 3.4 算法的改进29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 4 AOTF光谱分辨率提升算法的仿真实验31-40
• 4.1 双峰实验的仿真31-36
• 4.1.1 仿真实验的建立31
• 4.1.2 冲激信号谱线重叠峰分辨的仿真31-34
• 4.1.3 仿真结果分析34-36
• 4.2 多峰实验的仿真36-39
• 4.2.1 仿真实验的建立36-37
• 4.2.2 使用改进的反卷积算法仿真及分析37-39
• 4.3 本章小结39-40
• 5 反卷积方法在红外光谱中的应用40-63
• 5.1 光谱的测量系统设计40-42
• 5.1.1 光源的选择40-41
• 5.1.2 准直和会聚光路系统41
• 5.1.3 分光系统41
• 5.1.4 数据采集系统41-42
• 5.2 改进的反卷积方法对NeAr校准灯的测量光谱的应用42-47
• 5.2.1 光谱采集系统42-44
• 5.2.2 使用改进的反卷积方法对NeAr测量光谱的应用44-46
• 5.2.3 两种方法的对比46-47
• 5.3 改进的反卷积方法对大气的测量光谱的应用47-61
• 5.3.1 光谱的测量系统47-50
• 5.3.2 大气中波红外谱段光谱分辨率提升处理50-55
• 5.3.3 大气短波红外谱段光谱分辨率提升处理55-58
• 5.3.4 大气近红外谱段光谱分辨率提升处理58-61
• 5.3.5 各波段特征峰对比汇总61
• 5.4 本章小结61-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 研究总结63-64
• 6.2 后续研究展望64-65
• 参考文献65-68
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：635040