【文章內容簡介】 高光譜成像儀項目 14 項有關光譜成像技術的研究課題，研制成功了空間調制型干涉光譜成像儀原理樣機、機載空間調制干涉光譜成像儀、環(huán)境減災衛(wèi)星超光譜成像儀、靜態(tài)大孔徑干涉光譜成像儀原理樣機等多種形式的光譜成像儀。 目前，項目組已經完成了三款光譜成像儀的產品研制工作。一款為便攜式多光譜成像儀；一款為警用痕跡探測光譜分析儀；另一款為基于MZ 干涉儀的高分辨率光譜成像儀。 研制的便攜式多光譜成像儀可以獲取可見光（ 400720nm）數據，譜段數最大為 33 個，分辨率為 10nm，像元 數為 1024 768。便攜式多光譜成像儀小巧輕便，便于攜帶，可以在室內和戶外快速獲取目標的光譜信息，并進行數據處理和光譜分析。 研制的警用痕跡探測光譜分析儀，譜段范圍覆蓋了部分可見光至近紅外區(qū)域（ 6501100nm），光譜分辨率為 10nm，像元數 1280 960。警用痕跡探測光譜分析儀可完全脫離電腦工作，自帶可充電電池及觸摸屏，適合于野外應用。 研制的基于 MZ 干涉儀的高分辨率光譜成像儀為高光譜成像設備，譜段范圍覆蓋了部分可見光至近紅外區(qū)域（ 6501100nm），光譜分辨率為 7~10nm，像元數 1024768 ?；?MZ 干涉儀的高分辨率光譜成像儀具有較高的光譜分辨率，覆蓋到近紅外譜段，可以分析目標的近紅外光譜信息。 軟件技術積累 黃旻等技術核心項目組先后承擔了總裝預研項目“高光譜圖譜數據分析與處理技術研究”、中科院創(chuàng)新方向性項目“中國典型地區(qū)特征波譜數據庫技術研究”、中科院創(chuàng)新方向性項目“超光譜成像儀數據高精度反演技術研究”、“干涉型超光譜成像儀數據處理技術研究”、 “ 繞 高光譜成像儀項目 15 月探測工程干涉成像光譜儀地面處理系統(tǒng)研制 ” ，完成并開發(fā)了干涉型超光譜成像儀數據處理軟件、多光譜數據分析與處理軟件，獲 得了相應的軟件著作權。 開發(fā)的光譜數據處理與分析軟件架構如下圖所示，可以實現如下功能： （ 1） 光譜數據采集控制：設置采集參數、采集并存儲數據； （ 2） 光譜數據可視化：波段數據顯示、偽彩色顯示、多位量化顯示； （ 3） 光譜數據預處理：圖像去噪、不均勻光照處理、數據歸一化； （ 4） 光譜特征提取與選擇： PCA、 ICA 算法； （ 5） 光譜模式分類：聚類分析、監(jiān)督分類； （ 6） 光譜解混合：基于線性模型的最小二乘法； （ 7） 光譜數據反演：傅立葉反變換實現數據還原，形成數據立方體。 高光譜成像儀項目 16 圖 光譜分析軟件架構圖 本項目研究小組的成員分別來自自動控制、精密光學、精密機械、電子技術、生物、化學等各個學科方向，充分體現了多學科交叉的研究優(yōu)勢。本項目研究成員均有成功研制大型儀器設備的經歷。 總體發(fā)展規(guī)劃 宗旨和目的 基礎 ? 依托核心光電和激光測繪項目，圍繞做強做大目標，緊抓核心要素（技術、資源、人才、資本），發(fā)展產業(yè)鏈。 發(fā)展思路 ? 合理規(guī)劃、合作共贏、量力而行 程序啟動 就緒 參數設置 數據快視 數據存儲為BSQ 序列 讀取原始光譜數據 格式轉換 光譜曲線實時顯示 讀取原始光譜數據 監(jiān)督分類、聚類分析、光譜辨別、光譜解混合 保存結果數據 讀取圖像數據 偽彩色處理 保存結果圖像 結束 光譜數據采集 光譜數據預處理 光譜數據分析 圖像處 理 高光譜成像儀項目 17 定性 和定 量 ? 定性：核心光譜技術、激光雷達、數字信號處理、圖形圖像處理、材料等跨學科跨行業(yè)合作與融合 ? 定量：核心技術層次的高度、投資的強度 、達產銷售規(guī)模 、銷售利潤率、銷售稅收貢獻率、每股利潤 。 高光譜的產業(yè)發(fā)展思路 從宏觀應用走向微觀應用 ? 當前的高光譜技術領先、主要應用在宏觀勘測和國防運用，即將走向醫(yī)療衛(wèi)生、材料科學、安全偵查、食品衛(wèi)生、農業(yè)環(huán)保等微觀應用，難度在于市場拓展。 需要跨學科與跨行業(yè)合作 ? 需要跨學科的研究：生物生化、材料鑒別、圖形圖像、數字信號分析、材料圖譜、數據庫等。需要大量的基礎材料數據庫積累和應用研究積累。 ? 需要跨領域的合作：核心技術、關鍵生產制造、項目管理、市場與服務、投融資服務、人才服務。 為形成產業(yè)格局，需要把握關鍵工藝 和關鍵部件的整合 ? 園區(qū)內就關鍵工藝和關鍵部件設立產業(yè)鏈整合與合作； ? 非關鍵工藝和部件立足與外包。 激光雷達的產業(yè)發(fā)展思路 從空間測量走向更多 3D 應用 高光譜成像儀項目 18 ? 確保當前激光雷達設備研發(fā)的高精密性和寬應用性是關鍵。 ? 主要應用于交通、運輸、地形地貌等方面的測量和工程化運用、以及 3D 信息運用和媒體運用。 需要跨學科與跨行業(yè)合作 ? 需要跨學科的研究和跨領域的合作 ? 需要大量的 3D 數據庫積累和應用研究積累。 緊抓設備與運營相關產業(yè)鏈的整合 ? 園區(qū)內就關鍵部件設立產業(yè)鏈整合與合作 ? 非關鍵工藝和部件立足與外包 ? 建立運營機制， 擴大創(chuàng)新應用的范圍。 指導原則 產業(yè)發(fā)展的環(huán)境因素 重中之重 ? 法規(guī)、政策、財稅和宏微觀經濟趨勢 ? 參與的企業(yè)之間、人才之間、投資方之間和融資渠道之間的關系 ? 核心項目與產業(yè)上下游之間的關系 ? 有所為有所不為的準則 共贏與均衡策略 核心思路 ? 合作共贏是唯一可以優(yōu)化環(huán)境，促進發(fā)展的途徑 ? 發(fā)展速度與環(huán)境應該相協(xié)調 高光譜成像儀項目 19 ? 量力而行原則 產業(yè)鏈取舍原則 抓大放小 ? 核心把握：光源、先進光學制造、光譜和測量之間的相互促進關系 ? 產業(yè)鏈上下游整合規(guī)則與合作原則： ? 擴大微觀應用領域：醫(yī)療、材料、測量、勘測、應用計算于預測 ? 定性 與定量并舉考核原則 以人為本原則 動力源泉 ? 一切事物發(fā)展，都以發(fā)揮人的主觀能動性為第一原則 ? 產業(yè)化需要合適的人才組合和隊伍，是基礎環(huán)節(jié) ? 樹立各分支領頭人或領軍人物 強調資源、資本和核心競爭力的匹配 量力而行 ? 園區(qū)用地，量力而行。 ? 按照規(guī)劃逐步推進。 高光譜成像儀項目 20 第四章 市場分析與產品方案 產品概述 建設初期，本團隊從市場容量大小、市場需求迫切性兩個方面，對可利用既有高技術轉化為產品進行了研究和分析，選擇市場容量大、技術難度適宜、研發(fā)周期相對短和市場容易接受的如下產品，并投入開發(fā)和推廣： 警用痕跡探測儀 ：在目前可用 痕跡檢測的基礎上進行了升級，同時可利用把產生不可見光的各種痕跡識別出來，可很好的提供證據和提高破案率。 例如在交通肇事案件中，受害人衣服上經常沾有犯罪嫌疑人駕駛的嫌疑車輛上的油漆。鑒別兩種油漆是否同一是此類案件中最常遇到的問題之一。以往的油漆鑒定，一般是采用紅外光譜、拉曼光譜、原子吸收光譜等儀器分析方法，分析其有機、無機成分的異同，其分析過程復雜、耗時耗力，而且鑒定結論表述繁瑣，需要專業(yè)人員進行解釋。如果采用光譜成像技術，可直接收集兩種油漆的 圖像及 光譜，如果二者成分相同，則在計算機終端顯示為一種顏色；如果二者 不同，則在計算機終端顯示為不同顏色。檢驗過程快捷，結論直觀易懂。 另外，在文件檢驗、指紋物證提取等方面也有廣泛應用。此儀器可扭轉完全依賴進口的局面。價格適中。產品如下圖所示： 高光譜成像儀項目 21 圖 警用痕跡探測儀 生物醫(yī)學用光譜顯微成像儀 ：作為無創(chuàng)無損可視化成像技術新的方法和手段，光譜成像技術在本質上可以反映分子調控所引發(fā)的生物體生理分子水平和整體機能的變化，因此在生物醫(yī)學領域具有極重要的學術和應用價值，具備極廣泛的應用前景。在病理學領域 , 主要研究對象仍然是組織切片固定和染色的顯微鏡檢測。細胞病理學樣品經常使用RowmanoskyGiemsa 和巴氏染料染色，相對于經典的 Hamp。E 染料，這些染料具有更豐富的顏色。伴隨著炎癥的出現、腫瘤的形成和其他生理學、病理學過程，細胞成分將會發(fā)生變化，因而影響到染料的分布、強度和顏色。由于對診斷具有重要意義光譜特征的變化可能是微小的，因而通過普通顯微鏡是很難覺察得到的，然而 , 利用光譜成像技術，人們能夠區(qū)分細胞相互之間的類型，包括同一種細胞體系中腫瘤細胞和正常細胞之間的差異。因而利用光譜成像技術可以為各種疾病的成因和更精確的診斷提供新的標準和依據；在組織學和免疫組織化學領域，光譜成 像技術結合熒光標記技術組成的光譜成像系統(tǒng)，除了可獲得空間形態(tài)上的信息外，還可獲得細胞豐富的結構、化學組成、生理行為等生物學特性信息。用于組織學的大多數染料一般具有很寬的吸收光譜，正是由于這一特征而限制了傳統(tǒng)顯微鏡的應用。染料的吸收光譜在可見光范圍緩慢地 高光譜成像儀項目 22 交叉，具有大于 20nm 帶寬的光譜結構，而光譜成像正是利用各種染料不同的光譜外形，來挖掘這些特征而染料的濃度是與樣品的成分和含量密切相關的，因而可以在病理學和免疫組織化學中對組織樣品進行定量分析。此儀器可解決進口替代，價格高，需求旺。產品如下圖所示： 圖 生物醫(yī)學用光譜顯微成像儀 考古文物高光譜成像系 統(tǒng) ： 文物 是文化的產物，是人類社會發(fā)展過程中的珍貴歷史遺存物。它從不同的領域和側面反映出歷史上人們改造世界的狀況，是研究人類社會歷史的實物資料。通過對文物的分析，可以獲得文物所處時代的歷史信息、制作文物的技術應用、修復文物的 高光譜成像儀項目 23 材料信息等，從而我們可以推斷文物所處的時代、推動技術的發(fā)展和對文物的修復。對于文物的分析，其中最重要的任務之一是要保護文物的完整性，理想的文物分析技術應該是無損的，而光譜成像分析技術正具備了這一特點，和常用的 XRD、 XRF 等文物分析方法 比較，無需從文物上取樣，從而避免對文物所產生的破壞。此高光譜成像系統(tǒng)可應用于 文物修復 ,文物鑒別 ,考古等 領域。產品如下圖所示： 圖 考古文物高光譜成像系統(tǒng) 農用土壤肥力光譜分析儀 ：土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分是植物生長的重要基礎，要實施科學施肥，必須根據土壤和植物的養(yǎng)分需求進行相應的供給，即測土配方施肥方法，傳統(tǒng)土壤肥力的測試方法主要包括由 比色盒組成的土壤養(yǎng)分速測箱 、 基于離子選擇電極和場效應管設計的電子土壤測試儀 、 基于分光和濾光的光電比色儀 、 采用反射計試紙交換法 等，這些方法操作比較復雜費時，需要專業(yè) 人員操作。而土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分在特定光譜譜段含有敏感的光譜信息，基于光譜技術的土壤肥力分析儀，通過建立一階微分光譜的光譜吸光度與氮、磷、鉀含量之間的定量分析模型，可以準確、方便、動態(tài)的分析土壤缺肥的情況，指導農民施肥，不僅可節(jié)約 30%的用肥，而且可大幅度改善環(huán)保保護的 高光譜成像儀項目 24 壓力，且使用價格低廉。 農用土壤水分光譜測定 儀 ： 土壤水分是土壤的重要組成部分，對作物的生長 、 節(jié)水灌溉等有著非常重要的作用， 應用光譜分析技術，結合特征識別、特征提取的光譜圖像數據處理方法，不破壞樣品，不需要化學試劑，可實現土壤水分的實時快 速檢測。 為差異化的節(jié)水灌概提供科學的依據，同時精確的供水也有利于提高作物的產量和品質 。 農用葉綠素光譜成像分析儀 ： 根據 葉綠素對特定光譜的吸收特點，結合數據挖掘及數據融合技術， 葉綠素光譜成像分析儀 可以即時 直觀的 測量 顯示 植物的葉綠素相對含量或 “ 綠色程度 ” ，植物葉片中的葉綠