基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

对基于核熵成分分析的光谱反射率重建方法进行了研究,分别采用主成分分析方法和核主成分分析方法构建光谱反射率重建算法进行颜色重建研究,并与基于核熵成分分析算法的光谱反射率进行比较。实验结果表明,基于核熵成分分析的光谱重建算法在色度精度和光谱精度上均优于主成分分析和核主成分分析,对物体表面颜色的真实重建具有一定的应用价值。

简述了光谱仪的原理、阶梯光栅的基本原理和光栅光谱仪的特性参数。针对目前国内正在研制的光纤阵列太阳光学望远镜,提供了一种太阳光栅光谱仪结构的设计方案。根据太阳光栅光谱仪接收整个太阳光谱的要求,该方案采用了双狭缝设计。根据太阳光栅光谱仪尺寸大、分辨率高、色散大的特点,该设计方案采用了白瞳设计,并对结构中各个元件的选择进行简要阐述。光谱仪采用光纤接入,光栅工作在准Littrow角条件下,以获得高衍射效率,同时辅以棱镜增大横向色散,分开重叠的光谱级次。整个系统结构简单紧凑,可以有效地缩小光谱仪尺寸。

脱氧核糖核酸(DNA)是染色体的重要组成部分,是一种主要的遗传物质,很多实验方法与理论模型被用来研究DNA与一些重要生物物种相互作用引起的构象变化。采用激光扫描共聚焦表面等离子体共振(LSCISPR)系统研究了一种特定单链DNA(ssDNA)分别与其互补DNA(cDNA)和汞离子(Hg2+)作用后的构象变化。将一端有荧光分子的 ssDNA修饰在表面等离子体共振系统传感芯片上,通过观察荧光图像的变化来确定ssDNA与cDNA及Hg2+之间相互作用而导致的构象变化,并通过动力学曲线计算出二者的结合速率分别为3.33×10-5 s-1和1.42×10-4 s-1。对于ssDNAcDNA的相互作用,荧光图像没有变化。对于ssDNAHg2+的相互作用,在通入Hg2+后荧光发生猝灭。这些结果表明,激光扫描共聚焦表面等离子体共振系统在高灵敏实时监测ssDNA与其他特殊生物分子作用产生的构象变化和计算动力学参数方面有着广阔的应用前景。

为了增强目标跟踪算法在被跟踪目标发生运动位移、遮挡、形变、相似物体干扰等情况下的鲁棒性, 提出利用超像素构建目标外观模型, 将外观模型与候选区域进行匹配, 获取候选区域当中目标超像素, 并用Meanshift算法确定目标中心点的跟踪算法。仿真实验选取Benchmark库当中在运动位移、遮挡、形变、相似物体干扰方面具有代表性的视频Girl和FaceOcc1。该算法在视频Girl中的跟踪成功率和跟踪精度为0.601、0.856, 比对比实验的经典算法当中跟踪效果最好的KCF算法的成功率和精度分别高0.059和0.084; 在视频FaceOcc1中跟踪成功率和精度仅次于KCF。表明该跟踪算法在受到相似物体干扰和目标遮挡时具有良好的鲁棒性。

研究了基于选择最优滤光片多光谱成像系统优化问题,采用了优化的滤光片组合,组建了一个六通道的多光谱成像系统。利用提出的基向量和多项式组合的方式重构光谱数据,成功重建出博物馆、美术馆等展览馆常用的两种典型光源模拟器D65和A光源下油画的光谱反射率,并以光谱均方误差和色差综合误差评价成像质量。对两种光源下重建结果分析可得,最优滤光片的选取与光照环境密切相关。根据光照环境不同采用选取出的最优滤光片可得到最好光谱成像图,并且能在光谱和色度上都达到较高精度。

基于液晶可调滤波器(LCTF)和CMOS组合的多光谱成像系统,在435~720 nm波段范围内,以每隔5 nm波段对小白菜叶片进行灰度值信息的提取,然后求出各个波段的灰度值平均值、标准差以及相关系数,并采用自适应波段选择法(ABS)提取出小白菜叶片的波段指数,最后通过波段指数的排序选取出小白菜叶片的有效特征波段。实验结果表明,用ABS的特征波段提取的算法,能够快速有效地获取小白菜叶片的光谱信息,在445 nm、450 nm、455 nm、680 nm、685 nm、690 nm、695 nm和710 nm波段具有较理想的波段指数值,有较大的光谱信息量。因此,这些波段可以很好地作为识别小白菜叶片的有效特征信息波段。

基于相似原理建立了缩比实验测试系统，针对目标大小、潜深、运动、尾流释放等设计了多种不同的工况，可实现缩比模型下热尾流探测的静态和动态测试，一方面确定水下目标热尾流的可探测性，另一方面探索热尾流探测的影响因素和变化规律，为下一步工作奠定基础。

在给定的照明和观察条件下，由普通商业数码相机的信号值重建物体表面的光谱反射率是当前颜色科学工程领域的重要研究课题。选用佳能EOS 400D数码相机分别配合蓝色、绿色滤光片来采集物体表面的RGB信号，分别采用R矩阵法和主成分分析法（PCA）进行色卡和国画中指定色块的光谱反射率重建研究。实验结果表明，R矩阵法的色度精度和光谱精度均优于PCA。利用R矩阵法重建国画中参考色块光谱反射率，结果表明该算法能满足高精度艺术品再现的需要，具有较高的应用价值和现实意义，在颜色复制、颜色质量评估和数字典藏等领域拥有广阔的应用前景。

对国画样品反射参量和特性进行测量与分析，结合色度学相关理论提出了一种利用亮度信息匹配的国画图像重建方法。采用色调饱和度亮度(HSI)色空间对国画辐亮度与色度信息进行分离，利用Gaussian函数对不同照明角度下PR-715实测图像色块亮度数值进行拟合，从而建立对应的空间亮度函数关系式。选择90°照明角实拍图像为参考色块，将该图像HSI色空间的色度信息与拟合空间亮度信息相结合，重建出任意照明角度下的国画色块图像，并与Canon EOS 400D单反相机实拍图片进行比较分析。结果表明，利用亮度信息匹配方法能够准确对国画色块图像进行重建，该方法具有较高可行性与可靠性，对绘画艺术品文化遗产数字化的重建与真实复制有重要的实际应用价值。