红外光谱分析法（精选4篇）
红外光谱分析法 篇1
摘要：目的 分析泥巴样胆囊结石的成分并探讨其形成机制。方法 2009年11月-2013年7月对38例患者的泥巴样胆囊结石进行研究,傅里叶变换红外光谱法(FTIR)分析结石成分;光学显微镜观察并分析结石的微观形态。结果 38例患者B超检查结果显示:30例为胆囊结石(78.95%),6例为胆泥(15.79%),2例为泥沙样结石(5.26%)。38例泥巴样胆囊结石FTIR分析判定为碳酸钙结石;其中28例(73.68%)为文石型,6例(15.79%)为方解石型,4例(10.53%)为方解石-文石混合型。光镜下主要见各种形态的碳酸钙结晶;其中有15例检出华支睾吸虫卵,检出率为39.47%。结论 泥巴样胆囊结石是一种碳酸钙型结石。
关键词：胆囊结石,碳酸钙,胆泥,红外光谱
胆石病是世界上一个普遍而棘手的健康问题。胆石病在欧美地区发病率为10%~15%,在美国每年超过70万患者接受胆囊切除术并造成约65亿美元的经济负担[1]。在中国胆石病的发病率同样在上升,并成为一个主要的健康问题,据估计中国的胆石病发病率已经从1989年的4.3%上升到2012年的12.1%[2]。近年来,国内外学者在胆囊结石方面做了大量研究,但对于泥巴样胆囊结石的研究较少。本研究观察2009年11月 -2013年7月在我院普外科行保胆取石术的38例胆囊结石患者,其外观呈泥巴样,颜色呈白色、黄色、绿色、黑色,与常见的胆固醇型、胆色素型、混合型等胆囊结石外观不同,并对此38例泥巴样胆囊结石进行傅里叶变换红外光谱法(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR) 定性分析和光镜下微观形态分析,以探讨其结石成分及形成机制。
1 材料与方法
1.1 研究对象
一般资料:38例泥巴样结石标本来自2009年11月 -2013年7月在我院普外科行保胆取石术的38例胆囊结石患者,术前超声检查显示为胆囊结石、胆泥或泥沙样结石。男性患者25例,年龄32~61岁,平均(43.32±7.61)岁;女性患者13例,年龄22~57岁,平均(39.54±11.84)岁。
1.2 诊断标准
胆泥:主要是一种超声诊断,超声表现为胆囊有一层回声样物质而无声影,成分分析结果显示由胆固醇结晶、胆红素钙以及其他钙盐组成,主要是胆固醇单水结晶和胆红素颗粒嵌入黏液胶状物形成的一种沉淀物[3]。
泥沙样结石:超声表现为胆囊后壁沉积的较强回声带,后方伴淡声影,改变体位可观察到结石的移动[4]。泥沙样结石外观细小,呈黑色、棕褐色沙粒样,成分分析结果显示主要由胆红素钙组成,含有少量的其他钙盐、胆固醇。
泥巴样结石:超声检查结果显示为胆囊结石、胆泥或泥沙样结石的超声表现,肉眼外观为白色、黄色、绿色、黑色烂泥巴样,质地湿软,干燥后质地坚硬,呈泥土样。
1.3 材料
仪器与试剂:光学显微镜(奥林巴斯BX51,日本);傅里叶变换红外光谱仪(BRUKER TENSOR27,德国);标准品胆固醇、胆红素、碳酸钙、硬脂酸钙试剂均购自Sigma公司。
1.4 方法
1.4.1红外光谱法(FTIR)检测泥巴样结石成分结石经破碎后称取2 mg,与KBr粉末按1∶150 mg的比例混匀研磨,压片,用傅立叶变换红外光谱仪检测,得到红外光谱图。将所得红外光谱图与胆固醇、胆红素、碳酸钙、硬脂酸钙等各种标准样品的谱图进行比较,根据红外光谱图特征吸收峰的位置、形状、强度,并参考相关文献[5,6],从而判断结石类型。
1.4.2泥巴样结石的光镜检查结石标本经干燥箱37℃进行干燥、研碎后直接称取约10 mg,加200μl生理盐水,用研钵研磨结石标本,260目尼龙纱过滤后,涂成大小约1.5 cm×1.5 cm薄片3~4张,光学显微镜下观察,并采集图片。
2 结果
2.1 泥巴样胆囊结石患者的 B 超检查结果及结石颜色
38例患者进行B超检查,结果显示:30例为胆囊结石(78.95%),6例为胆泥(15.79%),2例为泥沙样结石(5.26%)。38例结石的外观分别为白色陶土样、黄色泥巴样、绿色泥巴样、黑色泥巴样。B超显示为胆囊结石的30例患者结石,其外观颜色有15例黄色,8例白色,7例绿色。B超显示为胆泥的6例患者胆石中2例绿色,2例白色,1例黄色,1例黑色。B超显示为泥沙样结石的2例患者结石,其颜色均为绿色。见表1和图1。
A:白色陶土样;B:淡黄色泥巴样;C:黄色泥巴样;D:棕黄色泥巴样;E:绿色泥巴样;F:墨绿色泥巴样;G:黑色泥巴样
2.2 泥巴胆囊样结石的 FTIR 定性分析结果
38例泥巴样结石的FTIR定性分析结果均为碳酸钙型结石,包括方解石型、文石型、混合型(方解石- 文石混合型)三种类型。其中,文石型碳酸钙占绝大多数(73.68%),而方解石型(15.79%)、混合型碳酸钙(10.53%)则较少见。见表2和图2。
2.3 泥巴样结石的光镜检查结果
结石光镜镜检主要由碳酸钙晶体组成,见少量胆红素颗粒及黏液样物质。碳酸钙晶体呈现多种形态,包括纺锤样、哑铃样、圆球样、年轮样、团块样、针杆样等结晶形态,以纺锤样、哑铃样、针杆样结晶为多见。见图3,光镜下观察泥巴样胆囊结石的微观形态时发现,38例泥巴样胆囊结石中15例检出华支睾吸虫卵,检出率为39.47%。在各种颜色泥巴样胆石中,绿色结石的虫卵检出率最高(63.64%);其次为白色结石(40.00%);黄色结石(25.00%);黑色结石仅有1例,未检出华支睾吸虫卵。在碳酸钙结石类型中 , 文石型结 石的华支 睾吸虫卵 检出率为42.86%,方解石型的虫卵检出率为33.33%,混合型碳酸钙结石虫卵检出率为25.00%。因例数偏少,三种碳酸钙型结石的华支睾吸虫卵检出率未作统计学比较。见表3、4,图4。
注:“混合型”指结石标本在 FTIR 谱图中同时具有很强的方解石型和文石型碳酸钙特征吸收峰。
A:碳酸钙标准品,特征吸收峰为 1 422 cm-1,875 cm-1,712 cm-1;B:方解石型碳酸钙结石,特征吸收峰为 1 419~1 497 cm-1之间有一个很强且宽的吸收峰,875 cm-1,712 cm-1;C:文石型碳酸钙结石,特征吸收峰为 1 419~1 497 cm-1之间有一个很强且宽的吸收峰,855 cm-1,712cm-1,699 cm-1;D:方解石 - 文石混合型碳酸钙结石,同时有方解石、文石的特征吸收峰
A:纺锤样;B:哑铃样;C:圆球样;D:年轮样;E:团块样;F:针杆样;G:针杆样
红色箭头所指为华支睾吸虫卵,呈芝麻形状,大小约 29μm×17μm,虫卵表面黏附有胆红素、黏液等物质
注:“混合型”指结石标本在 FTIR 谱图中同时具有很强的方解石型和文石型碳酸钙特征吸收峰
3 讨论
关于胆石的发病机理已经有许多理论和假说被提出来,但胆石的形成和生长情况仍未被全部了解[7]。泥巴样胆囊结石是比较少见的一种胆结石,其泥巴样的外观形态容易与胆泥的概念混淆。根据文献[3]报道,胆泥是一种超声诊断,超声检查时胆泥表现为胆囊有一层回声样物质而无声影,由胆固醇结晶、胆红素钙以及其他钙盐组成,主要是胆固醇单水结晶和胆红素颗粒嵌入黏液胶状物形成的一种沉淀物。而本研究的泥巴样结石B超检查显示大部分有声影,是已成形的胆囊结石,与文献报道的胆泥不同。
FTIR作为测定人体胆结石成分的主要分析手段之一,非常敏感而且具有特异性,能快速可靠地为胆石成分分析提供重要的定性、定量信息[8,9,10,11]。本研究38例泥巴样胆囊结石经FTIR定性分析,全部判定为碳酸钙型结石。本研究的16例黄色泥巴样结石FTIR定性分析结果显示,有4例为方解石型碳酸钙,9例为文石型碳酸钙,3例为方解石 - 文石混合型碳酸钙,均为碳酸钙型结石,而曾繁清[12]报道的3例黄泥样结石为硬脂酸钙结石。为进一步分析泥巴样胆囊结石的微观形态,将结石标本作涂片进行光镜观察,发现38例结石在光镜下主要由大量各种形状的碳酸钙结晶组成,可见少量的胆红素颗粒、黏液,与FTIR成分分析判定为碳酸钙结石的结果相符,其中15例结石检出华支睾吸虫卵,光镜下可见华支睾吸虫卵与碳酸钙晶体、胆红素颗粒及黏液样物质相互黏附。
目前胆结石的形成机制尚未完全明确,泥巴样胆囊结石(碳酸钙结石)的形成机制,可能是由于胆囊上皮膜病变,细胞间的连接处膜电化学梯度改变,钙的被动吸收减少并在胆汁中潴留,胆汁中的钙与碳酸盐、胆红素盐等结合,形成钙沉积[13]。同时,笔者推测,华支睾吸虫感染在泥巴样碳酸钙结石形成过程中起了重要作用,其作用机理可能是:华支睾吸虫卵的刺激、破坏作用加速了胆囊上皮膜病变,加剧了上述过程,并且华支睾吸虫卵的刺激促使黏蛋白分泌增加,构成胆汁离子扩散的屏障,使胆汁致石力增强,从而参与了结石的形成。
红外光谱分析法 篇2
1 材料与方法
1. 1 材料本次研究所用当归均经北京中药研究所鉴定科专家鉴定为正品, 实验所用试剂均为纯剂。
1. 1. 1 粉碎当归饮片, 过20 目筛, 称取50 g, 用10 倍量水煎煮3 次, 20 min/ 次, 过滤后将滤液合并, 浓缩干燥, 获得样品甲水提物。
1. 1. 2 粉碎当归饮片, 过20 目筛, 称取50 g, 用10 倍量水蒸气蒸馏8 h, 获得蒸馏液, 保留药渣。药渣进行2 次水提[3], 200 ml/ 次水提取20 min, 过滤, 合并滤液, 获得样品乙药渣提取物。
1. 1. 3 使用乙醚对上步所得蒸馏液进行萃取, 保留乙醚层, 置于通风橱, 常温下挥发乙醚, 获得样品丙乙醚提取物。
1. 2 实验仪器及设备本次实验所用仪器为Pekin Elmer公司生产的Spectrum GX型傅里叶变换宫外光谱仪, 测定范围为400~4000 cm-1, DTGS检测器, 分辨率4 cm-1, 扫描16 次, OPD速度为0.2 cm/s, 在扫描过程中可实时扣除水和二氧化碳的干扰。
1. 3 样品测定采用溴化钾压片法进行测定。分别取适量上述制备的样品干燥粉碎, 过200 目筛。取1 mg样品粉末放于玛瑙研钵中, 并与约100 mg溴化钾粉末混合, 均匀研磨后压制成片, 制作成厚度约1 mm的透明晶片, 作为供试品。将其放入ALPHA-T型傅里叶变外光谱仪中, 用DTGS检测器扫描测定, 将获得红外光谱, 光谱范围4000~400 cm-1, 分辨率为4 cm-1, 将扫面信号累加次数16 次, 在扫描时将扣除水和二氧化碳的干扰。
2 结果
2. 1 当归粉末的红外光谱图特征观察当归粉末的红外光谱图, 可知3562、3389、3341 cm-1 为羟基O-H伸缩振动吸收峰, 2932 cm-1 为亚甲基C-H反对成伸缩振动吸收峰, 1735 cm-1 为酯羰基C=O伸缩振动吸收峰, 1673 cm-1 主要为O-H弯曲振动吸收峰, 1459、1430 cm-1 为C-H弯曲振动吸收峰。1300 cm-1 以下, 1239、1116、1068、1053、990cm-1 等均为C-O伸缩振动吸收峰, 这些均为当归中糖类物质的特征峰。与蔗糖的红外光谱比较, 二者十分相似, 由此可知当归为高蔗糖类药材。
2. 2 当归不同提取物比较当归药材中1300 cm-1 以下, 1239、1116、1068、1053、990 cm-1 等均为C-O伸缩振动吸收峰, 这些均为当归中糖类物质的特征峰。在水提取物和药渣提取物中, 仅看到一个宽大的峰, 可能为多个吸收峰相互叠加导致。比较其他位置吸收峰, 当归水提取物和药渣提取物中主要含有当归多糖等物质, 较少的含有挥发油等内酯类物质。并且乙醚提取物中含有较多的酯类成分。
2. 3 分析提取方法的优劣通过比较各个样品的红外光谱图可知, 药渣提取物比水提物含有更多的脂溶性成分, 糖类成分的含量低于水提取物, 水蒸气蒸馏法仅能蒸馏出少量沸点低易挥发的挥发油类成分, 药渣中残留了较多的脂溶性及糖类成分。
3 小结
研究表明, 当归中的主要化合物包括挥发油、有机酸、多糖及黄酮等, 其质量控制指标为阿魏酸和藁本内酯。在中药发挥作用的过程中并非单一的化学成分起作用, 而是整体的化学成分相互作用共同发挥作用, 而单个的化学成分则是药理作用的物质基础, 因此仅检测某几个化学成分并不能有效的反映药材的治疗效果, 需要一种效率高、可行的分析方法。我国具有丰富的药材资源, 加强中药质量管理是实现中药现代化的关键环节。传统的中药鉴别方法受到主观和客观多种因素的影响, 过程繁琐复杂。红外光谱技术的出现则为中药材的鉴定和分析提供了新的手段和技术。
参考文献
[1]娄雅静, 蔡皓, 刘晓, 等.傅里叶变换红外光谱快速鉴别当归与硫磺熏蒸当归的研究.中国中药杂志, 2012 (8) :1127-1132.
[2]陈娟, 陈文豪, 王瑞, 等.中药复方愈溃胶囊中挥发油的β-环糊精包合工艺.中国实验方剂学杂志, 2011, 17 (14) :19-22.
同一方向碧玺的红外光谱谱学特征 篇3
1 样品测试条件
本次测试样品为大小不一的六块碧玺薄片,样品方向切片一致,均垂直于C轴。样品颜色比较相近,为褐色—褐绿色系列,且透明度很好。为了更细致地分析垂直于C轴碧玺的红外光谱谱学特征,本次实验采用了两种方法对样品进行了测试(直接透射法和镜面反射法),所用测试仪器为傅立叶变换红外光谱仪(Nicolet 550型),测试中设定的分辨率为16,扫描次数为32,透射法扫描范围为6000~2000 cm-1,反射法扫描范围为2000~400cm-1。
2 采用直接透射法对碧玺样品进行红外测试
透射法表现出2000cm-1以下波数范围全吸收,仅能测出部分中红外区(6000~2000 cm-1 )和近红外区内的由O—H,N—H,C—H 等官能团引起的基频、合频及倍频振动,测不到碧玺指纹区的重要信息。在测试过程中,分成两个波数段对样品进行测试,即6000~2000 cm-1段和2000~400 cm-1段。由于透射法测得的2000~400 cm-1的指纹区信息不可取,故最后采用6000~2000 cm-1的红外图谱进行分析。其测试结果如图1和图2所示:
由图1、图2的官能团区的红外光谱可见,垂直于C轴的六个碧玺样品的红外吸收峰的位置和强度基本相似,这与它们的颜色近似有关,同时也说明同一方向碧玺的官能团区特征基本相同。以样品bx-5的红外光谱为例,详细分析垂直于C轴方向的3000~6000 cm-1的红外吸收峰,其具有如下特征:
(1) 3000~3800 cm-1区的3020 cm-1、3333 cm-1、3493 cm-1、3597 cm-1、3686 cm-1为(OH)-的振动吸收峰,这个谱带强度很大,与Cristiane等[1]对Li-Fe 电气石系列中(OH)-的归属保持一致;
(2) 4200~4600 cm-1区的4167 cm-1、4206 cm-1、4345 cm-1、4441 cm-1、4541 cm-1、4594 cm-1吸收峰为硅氧四面体中Si-O伸缩振动峰与(OH)-的振动吸收峰的组合频,碧玺中(OH)-有两种形式[2],一种是纯羟基,另一种形式为水的羟基,图1、图2红外图谱中所有样品均在5175 cm-1处有吸收,此谱峰为水的弯曲振动和伸缩振动的组合频,说明电气石体内含有水分子。
4 采用镜面反射法对碧玺样品进行红外测试
鉴于上面透射法红外测试透射不能表征宝石矿物晶体(或分子) 的结构,获得的结构信息十分有限,即不能测试2000cm-1以下的指纹区信息,这里采用镜面反射法来补充碧玺指纹区的红外信息。在透射法测试结果的基础上,针对指纹区信息,镜面反射测试时仅就2000~400cm-1对样品进行了测试,其测试结果如图3和图4所示:
由图3和图4碧玺的指纹区信息可见,六个垂直于C轴样品的指纹区的红外吸收峰的位置和强度也基本相似,这与它们具有相似的颜色一致,且与它们具有同一方向一致。仍选取样品bx-5的红外光谱为例,详细分析垂直于C轴方向的2000~400 cm-1的红外吸收峰,其具有如下特征:
(1) 700~850 cm-1区的720cm-1、796 cm-1、844 cm-1为Si-O-Si的振动吸收峰,与张良钜[3]测得Si-O-Si的振动区(700~790cm-1)基本一致,其中720cm-1吸收峰较强,796 cm-1较弱;
(2)980~1100cm-1区的988 cm-1、1028 cm-1、1057 cm-1、1110 cm-1为O-Si-O的振动吸收峰,其中1057 cm-1吸收峰很弱,其他均较强,表明碧玺垂直于C轴方向Si-O振动很强。
(3) 1299 cm-1、1346 cm-1为(BO3)3- 振动吸收峰,另外还有511 cm-1、520 cm-1、589 cm-1吸收峰也是由(BO3)3-振动引起的,吸收峰均较强。
4 结论
综上所述,垂直于C轴的碧玺的红外光谱特征主要体现在(OH)- 的振动、硅氧四面体中Si-O伸缩振动、水的弯曲振动和伸缩振动及(BO3)3- 振动。同一方向的碧玺具有几乎相同的红外光谱谱学特征,它们振动峰的位置和强度也相似,这可能与它们相近的颜色有一定关系。此外,根据红外光谱振动强度可以看出碧玺垂直于C轴方向Si-O很强,这与其岛状结构有关。然而,以上分析只是对碧玺红外光谱单方面的归纳总结,有待进一步与平行于C轴的碧玺的红外光谱进行进一步的比较研究。
参考文献
[1]Cristiane Castaneda,Sigrid G Eeckhout,Geraldo Magela daCosta.Effect of heat treatment on tourmaline f rom Brazil[J].Phys Chem Minerals,2006,33(3):207-216.
[2]彭明生,王后裕.电气石中水的振动谱学研究及其意义[J].矿物学报,1995,15(4):372-377.
红外光谱分析法 篇4
然而,由于在热红外面阵探测器、深低温光学制冷等关键技术的限制,此前热红外谱段的高光谱成像系统在国内尚无成熟样机提供数据,因此也少有人从事相关热红外高光谱图像数据的处理工作。
现依托于在科技部863计划支持下研制的国内第一套热红外高光谱成像系统,研究了相关的热红外高光谱图像的非均匀性校正方法,提出了一套处理方法,得到了优良的热红外高光谱数据集。为后续的应用打下了基础。
1 基于光栅分光的热红外高光谱系统
热红外高光谱系统采用Sofradir公司生产的MARS VLW RM4型号探测器芯片[3],自行研制冷屏,杜瓦进行探测器组件封装,该红外高光谱成像仪载荷工程样机主要技术指标如下。
光谱范围:8.0~11.5μm;成像波段数:180;光谱分辨率:42 nm;量化位数:14 bits;瞬时视场:1mrad;总视场:14.5°;NEΔT:≤0.2 K@300 K(平均)。
系统框图如图1所示,实物图如图2所示。
其工作原理如下,目标信号经过成像镜会聚到狭缝处,经过光栅分光后再入射到探测器焦平面。每一列对应一个光谱通道,每个光谱通道的光谱宽度为42 nm,共180通道。由于目标不同的光谱维数据在探测器上成像只有一列,因此需要通过扫描的方式得到目标景物的高光谱图像。通过合并每个光谱通道在时间维上的图像,最终得到高光谱数据集,用以提取目标景物的光谱信息,如图3所示。
2 热红外高光谱图像非均匀性处理方法
由于受热红外探测器制作工艺、工作条件、功耗成本等因素的限制,目前的热红外探测器阵列性能还远比不上可见光探测器,存在较大的噪声和非均匀性。同时考虑到热红外背景噪声等因素的影响,目标信号是十分微弱的。对于热红外高光谱图像,最大可能的去除非均匀性噪声和提高信噪比是十分重要的。为此,经实际检验,提出了一套基于两点校正的处理方法,方法处理流程如图4。
2.1 基于波段的两点校正算法
在进行校正前,应首先剔除以下几种情况的坏点像元:(1)响应率过高或者过低的点;(2)响应波动太大的点;(3)响应不变的点,即盲元。
常规的红外图像两点非均匀性校正算法期望输出采用的是全焦平面像元输出的平均值,但在高光谱图像中,焦平面上的不同列,也就是不同谱段的像元之间的输出是不同的,必须区别对待。为此,采用两点校正算法时应单独对每列图像进行,而不是以整个焦平面为单位进行。在进行非均匀性校正之前,先提取每个通道的光谱图像,由于黑体在每个波段上辐射的能量可以认为是相等的,因此可以基于每个通道的光谱图像进行两点法校正。按如下公式计算[4]。
式(1)中,Vi,s(φ2)和Vi,s(φ1)分别是低温黑体和高温黑体在第i个光谱通道上的平均响应;Vj(φ2)和Vj(φ1)分别为第j个像素点对低温黑体和高温黑体的响应值;ki,j和bi,j分别为第i个光谱通道第j个像素的增益和偏置系数。
2.2 基于傅里叶变换的条纹去除[5]
红外焦平面器件一般有多路信号输出端口,各个输出端口之间存在信号的不一致性,另外,不同位置的红外探测光敏元对相同红外辐射也会产生不同的输出信号,最终使得红外图像内出现一种类似于条纹状的非均匀性高频噪声。经过常规的非均匀性校正,一般仍会在图像中残留较严重的条纹噪声,这种条纹噪声是基于焦平面是4路输出的基础上的。现提出一种新的基于一维傅里叶变换的条纹噪声去除技术。快速傅里叶变化(FFT)表达式如下。
将图像的像元依焦平面1,2,3,4路输出的顺序按时间先后排列成一维数列,之后经过FFT变换,将FFT的谱线中以4为周期和以160,320为周期的谱线置0(这些点的谱线值过高,意味着存在着以这些值为频率的周期信号,这里也可以取其左右相邻谱线幅值的均值),最后得到的数据再反变换即可得到消除条纹的图像。方法简图如图5。
同时,对于实际红外拍摄图像的时候,图像本身可能含有这几个频率的谱线,但实际图像中,不会有如此整数的强烈谱线,这几根特殊谱线的幅值与其相邻谱线的值基本相似。为此可以考虑将原本置0的谱线用左右相邻的谱线强度的平均值代替。
以经过非均匀校正后黑体红外图像为实验数据,对比传统的基于矩匹配[6]的方法。为了更客观地对本文算法进行评价,以图像剩余非均匀性,图像RMS噪声为依据对图像处理效果进行评价,剩余非均匀性,均方差越低,则表示图像的质量越好。实验结果如图6和表1所示。
从处理结果和剩余非均匀性的降低可以看出本文提出的这种条纹噪声去除方法的有效性。
2.3 像元合并
对于一般的机载应用场合,相对于速高比,热红外探测器的帧频是有很大余量的。因此当提取出不同波段的条带图像时,每个波段的图像的像元在时间维上是有重叠的,因此可以通过对这些像元进行叠加来提高性噪比[7]。结合所搭载飞机的速高比,本文所使用的热红外高光谱机载成像系统使用6个像元的合并技术路线。示意图如图7。
3 实验室和飞行试验验证
为综合验证本文提出的针对热红外高光谱成像系统非均匀性处理方法的有效性,在实验室,利用转台和红外波段反射镜来模拟飞机推扫过程,采用热红外制冷型320×256焦平面器件。通过反射镜的转动,扫描远处目标场景,而焦平面本身并不运动,从而得到推扫图像。之后迅速用不同温度的黑体采集定标校正数据,用以后续的处理,同时推扫了一组常温黑体的图像,可以用来计算这幅黑体推扫图像经过最终处理后的剩余非均匀性,来评价方法的有效性。非均匀性校正采用两点法,采集的两个定标温度点为15℃,25℃。所有扫描的原始图像为320×256×1 044帧。
从结果可以看到,在8~11μm的波段上获得了清晰的图像。为量化分析最终的处理结果,以推扫的黑体图像来计算最终的剩余非均匀性,这里剩余非均匀性使用国际定义,计算如下,对于一个M行N列的红外焦平面探测器,其非均匀性UR为
式(4)中,d和h分别为死像元和过热像元个数,R(i,j)为探测器不同像元。
最终得到的处理后的中心波长为10μm的推扫黑体图像的剩余非均匀性为0.001 9,全波段NETD平均低于200 km,结果理想。以此为基础,最终于舟山完成了飞行试验,相关试验参数如下,速高比决定了成像系统的最小帧频数,其计算如表2。
M=V/H,其中V表示飞机的速度(m/s),H表示飞行高度(m),最终M的单位为rad/s。
经过对得到的数据处理,最终处理得到的热红外100谱段的数据以及最终的高光谱数据集如下,可以看到经过本文相关方法处理,在热红外波段得到了清晰均匀的图像(图9),结合地物中布置的光谱定标版,得到了地物的8~11.5μm的高光谱数据集,为后续应用打下了基础。
图9热红外高光谱数据立方体(部分)Fig.9 Thermal infrared hyperspectral data sets
4 结论
针对光栅分光的热红外高光谱系统的特点,提出了结合基于波段的非均匀性校正方法和基于一维傅里叶变换的条纹噪声去除的综合数据处理方法。实验结果表明,该方法能够很好地完成热红外高光谱图像非均匀性校正功能,不具有场景依赖的特点,并且保持了目标信号的原始光谱特性。经过实验室和飞行试验验证,得到了良好的实验结果,为后续热红外高光谱数据的数据处理和应用打下了良好的基础。
摘要：热红外高光谱成像因其被动成像、全天候工作等诸多优点,在军事和民用领域得到了日益广泛的应用,但国内受限于热红外面阵探测器、深低温光学系统等关键技术,少有基于实用样机高光谱数据集的数据处理研究。现以国内首次研制的实用热红外高光谱成像系统为依托,研究了一套相关的高光谱数据处理方法,为进一步光谱数据应用打下了基础。
关键词：热红外高光谱系统,非均匀性校正,条纹噪声
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