1 中国人民解放军63893部队，河南 洛阳 471000
2 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
研究了采用内调制相位产生载波（PGC）解调的匹配干涉型光纤传感系统中匹配干涉结构对传输光纤拾音噪声的影响。结果表明：当补偿干涉仪与传感部分相邻时，光学微分效应的作用可大幅度降低由传输光纤光路拾音引入的相位调制噪声；匹配光程差的增加不仅加剧了光频噪声向相位噪声的转换，同时也会影响相位调制噪声的转换幅度。通过设计合适的匹配光程差，并将补偿干涉仪进行有效屏蔽后与传感部分相邻放置，可以有效减小系统的相位噪声。研究成果为光纤传感远程传输系统的综合设计及噪声抑制技术提供了理论及实验基础，具有一定的参考意义。
光纤光学 光纤传感 匹配干涉 匹配光程差 相位调制噪声
1 西北大学文化遗产学院, 陕西 西安 710069
3 西南民族大学旅游与历史文化学院, 四川 成都 610041
4 四川省文物考古研究院, 四川 成都 610041
四川省邛崃市地处成都平原, 是成都地区发现的摩崖造像规模最大, 分布最集中的地区。 由于潮湿、 半露天的保存环境, 造像遭到严重破坏, 缺少相关的科学分析研究。 本文选用邛崃地区内花置寺摩崖造像、 临邛镇磐陀寺摩崖造像和大同乡石笋山摩崖造像三处共12件彩绘颜料样品, 通过超景深显微观察、 X射线荧光分析、 X射线衍射和显微激光拉曼光谱综合分析, 获取彩绘颜料信息。 结果表明红色颜料为赤铁矿[Fe2O3]和铅丹[Pb3O4]; 绿色颜料为砷酸铜[Cu(AsO3)(OH)·2H2O]和过硫酸三铜钠钾[KNaCu3O(SO4)3]; 白色颜料为石膏[CaSO4]; 黄色颜料为黄赭石[Fe2O3]; 黑色颜料为铅丹[Pb3O4]的变化产物, 蓝色颜料为青金石[Na6Ca2Al6Si6O24(SO4)2]。 值得注意的是绿色颜料的分析结果, 其中检出的砷酸铜类物质在近年中国西南地区彩绘分析中较常见, 结合文献调研判断其为近现代人工合成颜料巴黎绿的变化产物, 进而推测此处有近现代重绘可能。 另外, 首次检出过硫酸三铜钠钾成分的绿色颜料, 丰富了古代彩绘颜料的分析实例, 判断可能是某种绿色含铜矿物的变化结果。 四川地区环境湿润, 一些不稳定的矿物颜料容易发生化学变化, 有的产生变色, 有的颜色变化不明显, 但成分已产生新的物质。 通过分析邛崃石窟彩绘颜料, 获取四川地区摩崖造像所使用颜料的相关信息, 为颜料复原提供科学依据, 同时也有利于文物工作者展开针对性保护工作, 为四川地区彩绘石窟的研究和保护提供参考。
邛崃石窟 彩绘颜料 绿色颜料 砷酸铜 过硫酸三铜钠钾 Qionglai Caves Color paint Green pigment Arsenic acid copper Euchlorine 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3198
1 西安理工大学印刷包装与数字媒体学院信息科学系，陕西 西安 710054
2 西安理工大学陕西省印刷包装工程重点实验室，陕西 西安 710054
针对现有机场驱鸟系统任务繁重、效率低下和代价高等问题，设计了一套由摄像机、双轴反射镜、激光器、视频处理和伺服控制组成的激光驱鸟机器人系统。系统中的飞鸟稳瞄算法由目标检测、目标跟踪和伺服控制算法组成。针对经典的核相关滤波器（KCF）跟踪算法缺少目标丢失判断问题，在跟踪过程中采用了一种简单有效的最近邻分类器来确定跟踪目标，以提高跟踪的稳定性；针对KCF算法中的方向梯度直方图（HOG）特征的弱区分性问题，采用深度网络中间层近似大小的特征图替代原KCF算法中串联的HOG特征，在避免逐块提取深度特征的同时增强目标特征的辨识性。实验结果证明，激光驱鸟机器人系统可以准确地对飞鸟进行刺激干扰，并且对飞鸟的检测和跟踪性能都高于其他算法。该系统可作为机场有效安全的刺激信号驱鸟方案。
机器视觉 视频处理 驱鸟机器人 目标检测 目标跟踪 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0815004
1 文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室, 陕西 西安 710069
2 西北大学文化遗产学院, 陕西 西安 710069
3 西南民族大学旅游与历史文化学院, 四川 成都 610041
4 四川省文物考古研究院, 四川 成都 610041
巴中水宁寺摩崖造像以题材广泛、 形式多样、 雕刻精致著称于世, 但潮湿的环境, 不稳定的崖体, 半露天的保存环境使水宁寺石刻遭到了严重的破坏, 影响了石刻的艺术性, 因此水宁寺摩崖造像保护修复工作迫在眉睫。 通过对水宁寺石刻颜料的分析, 获取彩绘颜料的信息, 一方面为颜料复原提供科学依据, 另一方面也有利于文物工作者展开针对性保护工作, 具有重要的文物保护意义。 采用超景深三维视频显微分析、 X射线荧光光谱分析(XRF)、 X射线衍射实验分析(XRD)以及激光拉曼光谱分析, 从物质的外观、 结构和成分综合分析水宁寺摩岩造像颜料的主要组成矿物。 实验结果表明1号样品主要矿物为黄赭石, 2号样品主要矿物为铅丹, 3号样品主要矿物为石绿, 4号样品主要矿物为硫酸铅, 5号样品主要矿物为青金石, 6号样品主要矿物为针铁矿, 颜料下层的白粉层为二水石膏。 因造像长期暴露在潮湿、 半露天的的环境下, 少数颜料不能直接检测出标准物质, 需要根据相关资料进行二次分析, 如黄赭石因长期风化导致最后测出的主要矿物是Fe2O3; 铅丹在潮湿及微生物存在的环境条件下发生分解变成K2PbO2与PbO2; 针铁矿是由赤铁矿或黄铁矿经化学反应而生成的。 另外, 通过对比人造群青的合成时间与造像的开凿年代, 加之Fe元素的检出暗指天然青金石中金星的主要成分黄铁矿, 可以判断本样品的颜料是由天然青金石制作的, 丰富了天然青金石的使用案例。
水宁寺石窟 彩绘颜料 分析研究 Shuining Temple Grottoes Coloured drawing pigments Analysis and research
黑枸杞含有花青素、 多糖、 氨基酸和微量元素等多种营养成分, 具有极高的经济和医药价值, 其市场价格很高。 唐古特白刺果外观和黑枸杞极为相似, 其价格较低, 经常被用于冒充黑枸杞。 高光谱图像技术结合图像和光谱于一体, 常用于食品检测和识别等领域。 结合高光谱图像技术, 无损识别黑枸杞和唐古特白刺果。 采集黑枸杞(180份)和唐古特白刺果(180份)的高光谱图像, 利用掩膜提取光谱, 光谱范围为900~1 700 nm, 共254个波段, 去除前22个异常波段。 采用Kennard-Stone法划分样品, 校正集:预测集=2:1; 采用连续投影算法(SPA)法对光谱进行降维, 设定提取特征波长范围为0~30, 最终提取特征波长为20个; 分别将全光谱(FS)和SPA提取的20个特征波长作为模型输入, 建立支持向量机(SVM)和极限学习机(ELM)识别模型。 结果表明, 基于FS和SPA建立的SVM模型识别率为100%; 基于FS和SPA建立的ELM模型识别率为100%; SPA法在不降低模型识别精度的情况下, 能减少模型输入, 输入仅为FS的8.62%, 大大降低模型运算量。 此研究为识别黑枸杞和唐古特白刺果提供了参数。
高光谱 模型 鉴别 黑枸杞 唐古特白刺果 Hyperspectral Model Identify Black Goji Berry Nitraria Tanggu 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2240
高光谱图像技术在农产品检测及识别方面有广阔的应用前景。 野生黑枸杞经济效益显著, 经常被种植黑枸杞冒充。 提出一种利用高光谱图像对野生黑枸杞无损快速识别的方法。 主要内容和结果如下: (1)共采集256份(野生、 种植各128份)黑枸杞在900~1 700 nm范围的高光谱反射光谱, 每份平均光谱作为此样品的光谱; (2)采用标准正态变换(SNV)对采集的光谱预处理; 基于Kennard-Stone法, 按照校正集和预测集比例为2:1对样品划分, 用连续投影算法(SPA)对光谱进行降维处理, 提取特征波长30个; 分别将全光谱和SPA 提取的30个特征波长作为模型输入, 建立支持向量机(SVM)、 极限学习机(ELM)和随机森林(RF)识别模型。 (3)结果表明, 在识别野生黑枸杞模型中, 基于全光谱和SPA建立的SVM, ELM和RF模型校正集识别率均高于98.8%, 基于全光谱和SPA建立的SVM, ELM和RF模型预测集识别率均高于97.7%。 基于全光谱(FS)建立的三种识别模型略优于基于SPA建立的三种识别模型。 但从简化模型方面, SPA提取的特征波常数仅为全光谱的11.8%, 大大降低了模型运算量。 三种模型中, 基于随机森林模型无损识别野生黑枸杞效果最好, 均达到100%。 研究表明, 利用高光谱图像技术结合分类模型可快速识别野生黑枸杞。
野生黑枸杞 高光谱图像 支持向量机 极限学习机 随机森林算法 Wild black Goji berry Hyperspectral image technology Support vector machine Extreme learning machine Random forest
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了更好地增强图像的细节信息、提高图像的对比度，提出了基于子层分割对比度拉伸算法。根据直方图特征将其平均分为4个子层区域，在每个子层中根据其灰度值概率密度之和的大小对灰度区域进行拓展或压缩。为了防止灰度区域被过分压缩或拉伸，引入了约束因子α。以现场可编程门阵列为中央处理器,采用组合逻辑对本文算法进行建模。在得到直方图统计结果的基础上，算法可在一个时钟周期完成，相比于流水线操作时间减少了5×103 ns，可满足50 frame/s的实时图像处理要求。该系统具有集成度高、图像处理速度快和实时性强等特点。
图像增强 子层分割 即时操作 组合逻辑 image enhancement segmentation sublayer FPGA FPGA realtime operation combinational logic
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了对彩色图像进行实时增强, 本文提出了采用基于插值的分段拉伸算法。首先将彩色RGB图像转换为HSV空间, 在该空间, 对图像直方图进行基于差值的分段拉伸处理, 以达到对图像增强的目的。经过该方法增强后的图像, 细节信息更加丰富, 图像的清晰度得到了改善, 图像的视觉质量也得到了明显提高。经过该算法增强后图像的灰度平均梯度值为直方图均衡化算法的1.95倍。应用现场可编程门阵列(FPGA) 为中央处理器,通过并行处理结构及流水线技术,完成图像空间的转换和图像的实时增强算法, 简化了系统设计, 使处理系统硬件更加紧凑, 运行更加可靠。给出了系统主要功能模块的实现方法, 经现场调试, 可完成每秒30帧×1 024×1 024×24 bit数据的处理, 与直方图均衡化等传统图像增强算法相比, 该算法计算时间缩短了0.807 ms。该系统具有集成度高、图像处理速度快和实时性强等特点。
彩色图像增强 分段拉伸 color images enhancement piecewise linear stretching FPGA FPGA
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对红外图像具有目标边缘和细节模糊的缺点，提出一种双峰高斯函数规定化的变分红外图像增强算法。该方法将图像变换到梯度域，得到图像的梯度直方图,构造出一个双峰高斯函数，以此对梯度直方图的分布加以约束,用变分方法对梯度场中增强的图像进行重建以提高图像的对比度和增强目标边缘和细节信息。为了防止噪声被放大，在构造增强的梯度场时,对噪声做了幅值切割。实验结果表明，该算法无论是在视觉效果上还是在图像信息熵评估值定量指标上均明显优于直方图均衡化和规定化算法，为红外图像提供了很好的视觉效果。
图像处理 红外图像增强 梯度场规定化 变分法
1 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林, 长春130033
2 中国科学院大学, 北京100049
由于超光谱图像数据量大, 文章提出了一种能够对超光谱图像进行实时压缩处理的嵌入式系统。该系统采用cyclone3系列的EP3C16 FPGA为协处理器, 完成数据缓存、逻辑控制以及外部接口的控制。以TI公司的TMS320C6455为中央处理器, 实现超光谱图像的实时压缩处理。该系统具有高速的特点, 通过实验证明可以对带宽为1 024 byte×129 行×16 bit×200 帧的图像数据进行快速传输并压缩。图像实时压缩后, 通过ASI接口传输给下级系统。该系统稳定性好, 结构具有可扩展可重建的特性。
嵌入式系统 超光谱压缩 embedded system hyperspectral compression DSP+FPGA DSP+FPGA
