推帚式超光谱成像仪光学系统的选择

能量利用率和宽视场是目前空间光学系统设计研究的热点之一。着重从能量、视场两方面分析了短波红外推帚式色散型超光谱成像仪望远系统和光谱仪系统的结构特点和光学性能。结果表明：采用离轴三反结构的望远系统＋棱镜色散型光谱仪系统是比较好的方案。     

宽谱段成像光谱仪前置物镜的设计

为满足高光谱成像光谱仪的要求,研究了可见光-短波红外宽谱段的消色差像方远心前置物镜的设计问题。针对0.5～2.5μm谱段、焦距750 mm、F/#为5和视场角±0.8°的设计要求,进行了设计方案分析,提出了R-C折反式光学系统的设计方法;透镜校正组的设计中分析了可见光、短波红外波段的材料特性,并选择了适合该系统的材料F_Silica。最终设计的系统结构简单,很好地校正了色差以及单色像差,还实现了像方远心光路。设计结果满足光谱仪的要求,在整个谱段和全视场范围内,系统成像质量接近衍射极限。     

采用Wollaston棱镜的空间调制干涉成像光谱仪

空间调制干涉成像光谱仪相对时间调制型干涉成像光谱仪具有稳定性强、实时性好、小型化、费用低等特点,Wollaston棱镜分光系统的参数设计直接关系到光谱仪性能的优劣,针对Wollaston棱镜分光原理展开分析和计算,给出不同材料Wollaston棱镜在不同结构角条件下分束角与波长的关系以及不同波长条件下入射角与棱镜厚度的关系,给出了选择和设计Wollaston分光棱镜的一些原则,为可应用于航天遥感的空间调制干涉成像光谱仪的设计及研制提供理论依据。     

基于成像光谱仪中的α-BBO晶体渥拉斯顿棱镜设计

为了拓展成像光谱仪的紫外光谱范围,设计了以高温相偏硼酸钡晶体为双折射材料的渥拉斯顿棱镜。采用计算机模拟的方法进行了理论分析,取得了参量数据图。偏硼酸钡渥拉斯顿棱镜的分束角在紫外区随波长变长呈非线性关系,但在小结构角的情况下有利于整个光谱区内分束角的稳定;棱镜结构角加大会使视场角变小,增大棱镜的结构角和宽度有利提高光谱分辨率。结果表明,当在紫外光至可见光波段使用时,高温相偏硼酸钡渥拉斯顿棱镜设计厚度为6mm~8mm,结构角不大于15°,入射角控制在1°内比较合适。这一结果为进一步研制可用于紫外光谱范围的成像光谱仪提供了必要的理论依据。     

黑体与恒星相结合的短波红外遥感器在轨辐射定标简析

为满足气象水文、天文观测等领域对短波红外遥感器高精度探测需求,近年来对短波红外探测定量化应用的需求越来越高。本文针对高轨面阵短波红外遥感器在轨各种因素引起的非均匀性变化情况,基于面源黑体定标结合恒星定标的在轨绝对辐射定标设计方案,结合某遥感器任务研制过程的具体实际,分析了定标精度主要影响因素及优化措施,包括星上定标方案优化、星上黑体温度控制优化、恒星提取算法优化等。通过实验室测试对在轨辐射定标方法进行了验证,并对在轨绝对辐射定标不确定度进行预估,评估结果表明定标不确定度能够满足应用要求。     

基于成像光谱仪中的α-BBO晶体渥拉斯顿棱镜设计

为了拓展成像光谱仪的紫外光谱范围,设计了以高温相偏硼酸钡晶体为双折射材料的渥拉斯顿棱镜。采用计算机模拟的方法进行了理论分析,取得了参量数据图。偏硼酸钡渥拉斯顿棱镜的分束角在紫外区随波长变长呈非线性关系,但在小结构角的情况下有利于整个光谱区内分束角的稳定;棱镜结构角加大会使视场角变小,增大棱镜的结构角和宽度有利提高光谱分辨率。结果表明,当在紫外光至可见光波段使用时,高温相偏硼酸钡渥拉斯顿棱镜设计厚度为6mm~8mm,结构角不大于15°,入射角控制在1°内比较合适。这一结果为进一步研制可用于紫外光谱范围的成像光谱仪提供了必要的理论依据。     

红外光谱辐射计镜头视场角测量研究

红外光谱辐射计作为经典的航空发动机红外辐射强度测试仪器,具有光谱分辨率高、测量精度高、响应快、光谱范围广等优点。在使用过程中,红外光谱辐射计需要根据被测目标尺寸及测量距离选择合适的镜头,利用测量的光谱辐射亮度乘以镜头视场的面积,才能得到发动机红外辐射强度。由于加工及装配误差,红外光谱辐射计配套镜头的视场角会偏离其出厂默认值,导致测试偏差。设计了一种红外光谱辐射计镜头视场角测量方法,制作了测量装置,并测量了VSR-3型红外光谱辐射计的标准镜头的视场角。测量结果表明：镜头有效视场角与出厂默认角度存在4%的偏差。通过修正该偏差,能够提高航空发动机红外辐射强度测量精度。     

机载高光谱可见近红外/短波红外模块视轴角自校正方法研究

外视场拼接是实现机载高光谱成像系统同时具有大视场与宽光谱采样范围的有效方式。由于各个成像单机独立安装,对应的可见近红外模块单机与短波红外模块单机之间的视轴角会在设备长时间运行后产生变化,视轴角的变化会对可见/短波红外的数据融合效果产生负面影响。而视场重叠使基于对极几何和平面单应性的校正方法不能有效地解算出对应可见/短波红外单机之间的视轴角,因此无法对视轴角偏差导致的图像失配进行修正。针对使用外视场拼接来扩大总视场和总响应带宽特点的机载高光谱成像系统,本文提出了一种视轴角和焦距校正算法。通过使用多级特征筛选方法,结合最小化重投影误差,实现了可见近红外/短波红外对应单机之间视轴角与相对焦距的自校正,提高了图像配准精度。该算法已经应用于AMMIS机载大视场高光谱成像仪。实验结果表明,该方法最大平均误差小于0.2像素,且对倾斜放置的相机也具有很好的适应性。     

一种红外成像系统的畸变测试方法

红外成像系统图像畸变控制的良好与否对其能否在应用平台上发挥应有作用极为关键,因此在实验室内对红外成像系统的图像畸变进行测试、分析是极其必要的,本文提出了一种结合质心亚像素识别和精密测角的局部畸变测试方法,读取点靶在各个局部视场的质心变化并进一步计算即可得到畸变。采用该方法可以较好地解决点列质心法测试大视场系统操作性不高以及局部畸变法定位不够精确的问题,采用本方法对某型号红外成像系统进行了局部畸变测试,取得了与理论较为相符的测试结果,其相对畸变测试误差不超过0.02%,可以很好地满足红外成像系统的畸变测试需求,并对成像系统性能进行评估,有效反馈图像畸变对红外成像系统探测能力的影响。     

定标漫反射板实验室系统级BRDF测量方法

星上定标系统是卫星遥感器的重要组成部分,用于实现仪器的星上辐射定标等功能。介绍了安装在某一时间调制型傅里叶变换光谱仪上的星上定标系统,该星上定标系统采用漫反射板太阳辐射定标方法进行仪器在轨全口径、全光路、全视场的星上辐射定标。定标漫反射板在光谱仪光路最前端反射太阳光,通过已知的大气外太阳照度和漫反射板的双向反射分布函数BRDF确立辐亮度标准。定标漫反射板的BRDF需要在实验室进行精确测量。介绍了在光谱仪整机状态下使用太阳模拟器和标准漫反射板进行定标漫反射板实验室系统级BRDF测量的方法,对使用定标漫反射板系统级BRDF进行星上辐射定标时的绝对辐射定标精度进行了分析,绝对辐射定标精度能够满足5%的指标要求。     

利用恒星对天文观测系统光轴平行性检校

基于地基天文观测系统光轴平行性的校验需求,建立了一套高精度多光轴平行性检测系统。针对具有成像光谱仪的天文观测系统,将恒星作为点光源,利用天文跟踪系统完成对恒星星象及相应光谱数据的同步采集。在光谱维视场中,成像光谱仪不易准确地确定恒星的位置,该检测方案利用赤道仪控制系统和成像光谱仪狭缝视场的特点,对恒星目标进行一维扫描,将成像光谱仪接收到的恒星能量随着扫描位置进行拟合来确定光谱维视场中心,通过高斯拟合法来计算光学仪器之间光轴的平行性偏差。试验结果表明:测量结果不确定度为1.52,该检测系统结构简单,满足成像光谱仪和其它成像仪器野外高精度快速检测光轴一致性的要求。     

Hadamard变换成像光谱仪实验室辐射定标方法

Hadamard变换成像光谱仪采用多通道探测数字变换技术实现光谱成像。主要介绍了基于数字微镜阵列器件的Hadamard变换成像光谱仪的工作原理与仪器结构,研究设计了一套适用于该Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方案。用远距点光源光路进行CMOS探测器像元响应不均匀性修正,获得相对定标精度达到4.6%;采用太阳模拟光源和均匀平行光路,用光谱辐射度计实现标准辐射亮度的传递进行光谱辐射定标,绝对定标精度达到8.92%。通过实物成像,Hadamard变换成像光谱仪的实验室辐射定标方法精确、实用。     

Livermore成像博里叶变换红外光谱仪

Lowrence Livermore国家实验室目前正在运行一台超光谱成像仪,即Livermore成像傅里叶变换红外光谱仪(LIFTIRS).这台仪器能够以可控光谱精度在从3到12.5μm红外波段范围内工作.本文介绍了它的工作特性,现行能力,数据输出量和定标结果.为了在更大范围内应用红外遥感,例如气态排出物的识别和测绘,表面温度的遥测,以及基于物质的红外发射率特性对表面物质类型进行分类等等.正在研制Livermore成像傅里叶变换光谱仪与其它系统比较IFTS     

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500nm,全视场达23.9°。     

精准农业观测高数值孔径短波红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在1.0~2.5 m短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数,着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件,使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间,确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能,光学系统F数为1.5,视场28,狭缝长度25 mm,光谱分辨率12.7 nm,空间分辨率1 mrad,系统像差得到充分校正,公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测试转台结构设计

在星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的研制过程中, 需要对其信噪比、光谱分辨率、光谱定标精度等性能指 标进行测试, 为此需要设计专用二维转台以实现不同视场在不同角度下的测试。根据光谱仪参数测试要求, 提出转台 设计方案, 设计转台结构, 建立三维模型, 并对主要零部件进行选型。转台的方位轴 ±180◦ 转动, 满足 114◦ 的主视场测 试要求; 俯仰轴 ±20◦ 翻转, 实现太阳视场需求; 机械定位精度为 ±0.01◦。转台提供两种安装方式, 光谱仪竖立安装进 行太阳视场测试, 水平安装进行主视场测试。转台支撑框架在不同的工况下承受载荷的作用, 利用有限元软件对框架 结构进行仿真, 分析结果验证了框架设计的合理性。     

基于误差分析的岩芯高光谱数据几何校正方法

南京地质调查中心研制的推扫式岩芯成像光谱仪由可见近红外成像光谱仪、短波红外成像光谱仪以及载有岩芯盘的导轨构成。导轨匀速运动的控制误差、两台独立成像光谱仪不同的空间分辨率不同以及不重合的视场范围,导致所获得的数据存在几何畸变,无法直接进行应用处理。针对上述问题,在分析了畸变产生机理的基础上,提出了基于三角形靶标的拉伸压缩畸变校正方法以及像元级与亚像元级联合配准方法。通过在岩芯盘一侧布设等腰直角三角形靶标,实现无位置姿态参数下的几何拉伸压缩畸变检测与校正;同时将尺度不便特征变化与扩展的相位相关方法相结合进行图像配准,提高图像配准的精度。实验结果表明,利用南京地质调查中心研制的岩芯成像光谱仪的实测高光谱数据进行方法性能验证,经过几何校正处理后的岩芯高光谱数据,拉伸压缩畸变校正精度为0.28个像元,配准精度优于0.1个像元。     

TMA 空间相机性能稳定性的全状态分析与测试

光学系统波像差是空间相机的关键成像性能指标,其稳定性决定了成像质量的稳定性。针对大视场TMA 空间相机研制过程和在轨成像时重力和温度变化状态,用有限元方法分析反射镜位置公差、面形等尺寸稳定性,结合反射镜的加工面形,计算光学系统波像差,分析成像性能稳定性的变化;采用实验室多方向重力(水平、悬挂、向上、向下等)和204环境调温状态模拟测试,系统波像差平均在/14.7～/12.4 之间,单个视场最低为/11。波像差的分析数据与测试结果趋势一致,各状态平均误差范围为-0.012 6 ～0.003 1 ,最大单点误差为-0.023;在不同状态下的传函复合测试结果都达0.21 以上,相对变化小于-4.8%。该方法作为分析、验证系统成像稳定性有效便捷的手段,应用到大视场TMA 空间相机的研制中,指导设计、分析薄弱环节,通过全状态的分析和测试,说明大视场TMA空间相机具有良好稳定的成像性能。     

宽光谱、大视场小畸变望远系统设计

设计了一个应用于成像光谱仪的望远系统,针对成像光谱仪的特点,由前置望远镜及后置光谱仪组成。前置望远系统的参数以及成像质量对整个成像光谱仪应用显得非常重要。设计了一个谱段范围1～2.5 m、视场为28.10.3、相对口径为1/4、焦距长度为60 mm的望远系统。系统在谱段1～2.5 m宽谱段范围内通过玻璃的匹配校正了色差及二级光谱,畸变控制在0.2%以内,很好地保证了与后续光谱仪的对接,此设计可用于航空领域进行大视场、高分辨率成像。     

应用于二类水体大气校正的短波红外推扫成像系统设计

为了对近海浑浊的二类水体水色遥感进行大气校正,采用国产800×2短波红外InGaAs探测器、窄带滤光片和透射式像方远心光学系统研制了1.232~1.252mm和1.630~1.654mm双波段短波红外推扫成像系统。该成像系统具备在轨注入工作参数的能力,可灵活调节成像工作模式。经测试,双波段线阵短波红外成像系统的MTF、信噪比以及光谱响应均达到较高性能,有望提供一种有效的二类水体大气校正手段。