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《山东大学》 2010年
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基于数字滤波的高光谱成像系统研究

李婧  
【摘要】: 光谱成像测量技术是近几十年发展起来的新型测量技术。光谱成像技术利用光学探测器拍摄被测目标在多个光谱通道下的响应图像,形成被测目标的光谱数据立方体,其不仅包含两维空间信息还包含一维光谱信息。光谱成像测量技术结合了光谱测量技术对物质的识别能力和成像技术获取被测物空间信息的特点,自其产生以来就在遥感、军事侦查、农业监控、生物医学和物证检测等领域有广泛的应用。 实验室中凝采式光谱成像系统多采用单色器、窄带滤波片或者电可调滤波器实现光谱通道的切换,每次采集视场的整幅光谱图像。在采用棱镜和光栅作为分光器件的单色器进行光谱成像时,狭缝的使用使系统光通量降低,成像质量下降,对拍摄器件和条件要求较高。使用窄带滤波片获取单个通道下的光谱图像,避免了狭缝的影响,但波长不能连续可调且通道数有限。采用液晶可调谐滤波器和声光可调滤波器等电可调式滤波器的系统在实现系统自动调节的基础上,能够进行波长连续可调的光谱成像,但存在透光效率低、光谱范围有限、波长调谐时存在像移、器件价格昂贵难以承担等缺点。针对上述问题,本文研究了新型的高光谱成像系统,在提高光通量的基础上,实现了设备精简,波长连续可调,带宽可调,光谱分辨率优于2nm的高光谱成像系统。 基于数字滤波的高光谱成像系统采用WDF型瓦兹沃斯反射式单色仪作为分光装置,棱镜作为分光器件。为提高光通量,系统去掉了WDF型瓦兹沃斯反射式单色仪的出射狭缝,提高了照射在物体表面的光强。这一改变增大了系统获取被测目标光谱数据立方体的计算难度。因此,本文研究了适用于基于数字滤波的高光谱成像系统的系统定标,波长计算和数字滤波方法来处理系统直接采集到的空间光谱图像序列以得到被测目标的光谱数据立方体。 本文在实验室内搭建了由WDF型瓦兹沃斯反射式单色仪、成像透镜、光源、CCD摄像机、步进电机和PC机构成的高光谱成像实验平台,并通过自主设计的软件系统控制空间光谱图像序列的自动采集、存储和处理。 本文通过定标实验和光谱成像实验对基于数字滤波的高光谱成像系统进行测试。系统定标实验采用汞灯作为光源,采用扫描和曲线拟合相结合的系统定标方法计算出系统定标参数,波长计算结果误差在2nm以内,系统定标方式准确有效。新鲜绿色树叶和绿色相似物光谱成像实验中,系统采用卤素灯作为光源,通过对空间光谱图像序列的数字滤波处理,获取其光谱数据立方体。实验表明本系统能够获得较准确的被测物光谱响应情况,为图像序列的进一步处理提供了参考条件。基于数字滤波的高光谱成像系统为实验室可见光范围内小视场的光谱成像测量研究提供了新的方法,在物质纯光谱测量、物质检测和识别方面有重要的应用价值。
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