本文關鍵詞：基于非線性坐標變換結合反卷積算法的光譜分辨率提升技術的研究

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【摘要】：作為無損物質(zhì)分析的重要手段,光譜分析已經(jīng)廣泛應用于遙感、勘探、生物檢測等諸多領域。物質(zhì)的發(fā)射與反射光譜特性可以解析其組成成分,然而通過光譜儀獲取的光譜特征數(shù)據(jù)不僅僅包含目標的特性,同時引入了設備自身的響應特性。光譜的響應特性可以用光譜分辨率來衡量,即把光譜特征峰分辯和分離的能力。光譜儀的光譜分辨率越高,設備自身對目標光譜產(chǎn)生的影響越小,但往往響應與信噪比等性能會受到限制;反之,光譜儀的響應函數(shù)會引起目標光譜帶寬增加和譜線重疊的現(xiàn)象,導致測量的光譜數(shù)據(jù)降質(zhì),可以認為光譜采集是一個卷積系統(tǒng)。為了嘗試增強光譜數(shù)據(jù)的分辨率,可以通過反卷積的算法,將儀器響應函數(shù)作為卷積核,從而淡化儀器自身特性對目標光譜特性的影響。以聲光可調(diào)濾光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)為核心分光器件的光譜儀,其光譜響應具有光譜帶寬隨衍射波長變化的特征,即不同波長對應不同的光譜分辨率。這會造成在常規(guī)的反卷積算法中,卷積核在不同衍射波長位置而不同的問題。所以,本文采用了一種非線性尺度變換的方法,將波長和光譜分辨率進行等價變換,在能量一致的條件下,拉伸光譜維坐標,使得變換后的光譜分辨率在光譜維上保持一致,以便于反卷積求解。再通過反變換回到原始坐標系,從而解決反卷積算法的局限性問題。1.仿真實驗是在AOTF光譜儀光譜分辨率特征下,對沖激信號,雙峰重疊的信號,多譜線重疊的信號的響應,采用非線性坐標變換分別與FSD和非線性迭代反卷積相結合的方法進行光譜增強處理。通過仿真結果對比,后者在光譜分辨率提升上遠遠優(yōu)于前者,重疊峰可以達到基線分離,光譜吸收深度得到加深,光譜特征更加明顯,更加接近真實光譜曲線特征。2.使用實驗室現(xiàn)有的AOTF測試平臺,獲取NeAr標準燈線譜,采用非線性坐標變換分別與FSD和非線性迭代反卷積相結合的方法進行光譜增強處理,結果顯示,目標線譜光譜半高寬平均減小48.9%,光譜吸收深度平均可以增加25倍,峰谷比得到很大提升。3.對測量的大氣透射光譜的響應,使用非線性坐標變換與非線性迭代反卷積相結合的方法對實測數(shù)據(jù)進行了分辨率提升處理。最后的反卷積結果可以將605nm-615nm譜段和690nm-710nm譜段的重疊展寬的光譜實現(xiàn)基線分離。大氣寬譜數(shù)據(jù)處理后的結果顯示,在950nm,970nm,1130nm,1430nm,1790nm,1960nm,2500nm處的吸收特征,是經(jīng)過反卷積處理后顯現(xiàn)出來的,與PcModwin對大氣真實譜線仿真對比,這些吸收特征主要是水,CO2引起的,以上方法得到了有效的驗證。理論分析,仿真及實驗結果表明,將非線性坐標變換與非線性迭代反卷積相結合的方法可以提升AOTF分光的變分辨率光譜系統(tǒng)的光譜分辨能力,達到光譜細分的目的。
【關鍵詞】：光譜分辨率 AOTF 傅里葉自反卷積 非線性迭代反卷積 非線性坐標變換
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH744.1
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 緒論11-19
• 1.1 研究背景及意義11-13
• 1.1.1 光譜的應用11-12
• 1.1.2 光譜的獲取12-13
• 1.2 光譜特征的描述13-15
• 1.3 光譜分辨率提升算法的現(xiàn)狀15-17
• 1.4 論文章節(jié)安排17-19
• 2 AOTF光譜儀光譜特性19-26
• 2.1 聲光可調(diào)諧濾波器原理19-20
• 2.2 AOTF光譜儀光譜分辨率20-21
• 2.3 響應函數(shù)的選取21-24
• 2.4 章節(jié)小結24-26
• 3 基于AOTF光譜分辨率特點的反卷積算法26-31
• 3.1 非線性坐標變換26-27
• 3.2 非線性迭代反卷積算法27-28
• 3.3 傅里葉自反卷積算法28-29
• 3.4 算法的改進29-30
• 3.5 本章小結30-31
• 4 AOTF光譜分辨率提升算法的仿真實驗31-40
• 4.1 雙峰實驗的仿真31-36
• 4.1.1 仿真實驗的建立31
• 4.1.2 沖激信號譜線重疊峰分辨的仿真31-34
• 4.1.3 仿真結果分析34-36
• 4.2 多峰實驗的仿真36-39
• 4.2.1 仿真實驗的建立36-37
• 4.2.2 使用改進的反卷積算法仿真及分析37-39
• 4.3 本章小結39-40
• 5 反卷積方法在紅外光譜中的應用40-63
• 5.1 光譜的測量系統(tǒng)設計40-42
• 5.1.1 光源的選擇40-41
• 5.1.2 準直和會聚光路系統(tǒng)41
• 5.1.3 分光系統(tǒng)41
• 5.1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)41-42
• 5.2 改進的反卷積方法對NeAr校準燈的測量光譜的應用42-47
• 5.2.1 光譜采集系統(tǒng)42-44
• 5.2.2 使用改進的反卷積方法對NeAr測量光譜的應用44-46
• 5.2.3 兩種方法的對比46-47
• 5.3 改進的反卷積方法對大氣的測量光譜的應用47-61
• 5.3.1 光譜的測量系統(tǒng)47-50
• 5.3.2 大氣中波紅外譜段光譜分辨率提升處理50-55
• 5.3.3 大氣短波紅外譜段光譜分辨率提升處理55-58
• 5.3.4 大氣近紅外譜段光譜分辨率提升處理58-61
• 5.3.5 各波段特征峰對比匯總61
• 5.4 本章小結61-63
• 6 總結與展望63-65
• 6.1 研究總結63-64
• 6.2 后續(xù)研究展望64-65
• 參考文獻65-68
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果68

【參考文獻】

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本文編號：635040