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多类型高光谱成像集成系统的研制及其应用研究

何青  
【摘要】:光谱成像技术通过对观测物体进行滤波而获取其在特定波段下的图像,该技术不仅具有光谱分辨能力,还具有图像分辨能力。利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析,而且还能对其进行定位分析,因此,光谱成像技术已被广泛应用于各个研究领域。不同类型的高光谱成像系统能够获得不同类型的光谱图像,如吸收光谱图像、反射光谱图像、荧光光谱图像等。对于单一的光谱成像系统,一方面其应用往往受限于样品,另一方面其检测能力往往也各有优势和局限。目前,没有任何一种光谱成像技术能适用于所有样品的检测,也没有任何一种光谱成像技术在其应用中享有绝对的技术优势。为了便捷充分地利用各种光谱成像技术,本文研制了一套具有多类型光谱检测能力的高光谱成像集成系统,对进一步拓展光谱成像技术的应用提供有力的支持。本文在进行系统可行性分析论证后,通过对系统结构的设计、主要技术指标分析、核心部件的选择分析,设计和搭建了一套基于液晶滤波器件的具有多类型光谱(透射光谱、反射光谱和荧光光谱)检测能力的高光谱成像集成系统,并对系统进行了测试。系统的同步控制软件控制液晶滤波器件和CCD摄像头协同工作,光谱影像数据分析软件对获取的影像光谱数据进行处理分析。系统光谱影像数据分析软件提供了单点、自由曲线、多边形、矩形等多种形状的光谱影像感兴趣区域(Region of interest,ROI)采样工具;按照分类决策规则对待分像元进行分类的方法,使系统对检测样品具有强大的光谱匹配分类功能;光谱混合分解能力使分析目标与图像其它非兴趣的内容易于区分,极大地提高样品检验鉴定的效率。本文利用研制的系统,对高光谱成像技术应用于检测是否存在非法罂粟种植地的可行性,进行了实验研究。实验结果表明,罂粟叶子可利用高光谱成像技术的光谱匹配分类技术进行性质鉴定,从而与其周围环境中的树叶区别分辨出来,解决罂粟种植地定性问题;利用光谱分类统计技术,估算目标监测地罂粟种植比例,解决罂粟种植地罂粟种植面积定量问题;运用光谱分解技术,提取罂粟目标信号并将处理结果以伪彩色显示方式输出,解决在复杂环境中进行罂粟目标定位问题。实验证实通过光谱成像的技术手段来检查是否存在罂粟种植区域,具备实验基础。本文研究的多类型高光谱成像集成系统除了具有高光谱成像技术的非接触、无损害、精度高、重复性好等众多优点之外,同时具有结构紧凑简洁、操作方便、可携性、光谱影像数据处理能力强等特点,对高光谱成像技术的普及应用,具有积极的意义。


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