航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片（AOTF）光谱仪、液晶可调谐滤光片（LCTF）光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。     

月球表面原位光谱探测技术研究与应用（特约）

探测月球与行星表面物质化学成分是了解其起源及演化历史的关键，而光谱探测技术则是物质成分识别与定量反演研究的重要手段。原位（In-Situ）光谱探测有别于空间探测中的环绕器遥感及采样返回探测，是指在目标现场进行的近距离光谱探测。我国“嫦娥三号”任务科学研究与资源勘查，需要开展月球表面原位光谱探测技术研究，突破凝视型时序扫描的新型声光光谱探测关键技术，研发适应表面恶劣环境的高性能、轻小型、高可靠仪器，在国际上率先实现月球表面光谱原位探测及分析。论文结合以“嫦娥三号、四号”为典型应用的红外成像光谱仪，介绍据此发展起来的月球表面原位光谱探测技术，包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用；最后，也简要介绍了即将应用的“嫦娥五号”月球矿物光谱分析仪。     

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪可对星际矿物成分、大气成分进行有效识别,但由于深空探测目标温度很低,为了抑制光谱仪自身噪声,提高分辨率,需要红外谱段工作在几十K的低温环境下,这对制冷系统设计提出了严峻的挑战。在调研国外用于金星、彗星探测的可见/红外成像光谱仪(VIRTIS)制冷技术的基础上,对宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统进行了设计与仿真分析,仿真结果显示M和H探测器部件温度梯度非常小,约为410-2 K;探测器工作温度70 K;M和H部件壳体温度为1301 K;框架温度为2001 K,符合制冷系统设计要求。研究成果对在深空探测领域具有通用性的低温高光谱成像系统中制冷系统的研制具有一定的指导意义。     

短波红外Hadmard变换高光谱成像技术研究

Hadmard变换成像光谱技术基于Hadmard变换光学基本原理,采用线阵探测器件实现高光谱成像,多通道探测优势使其在一定条件下可以获得与推帚式高光谱成像相当水平的探测信噪比.本文在阐述Hadmard变换成像光谱技术基本原理的基础上,通过类比光机扫描成像和推帚式成像,论证了Hadmard变换成像光谱技术的探测信噪比优势,设计了一套基于线阵短波红外器件、DMD芯片和双Offner光栅光谱仪系统的高光谱成像光谱仪,并简要论证了其工程可行性.     

基于AOTF的成像光谱技术在深空探测中的应用

首先介绍了欧空局(ESA)火星快车(Mars Express)上装载的火星大气特征研究光谱 仪(Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars, SPICAM)和红外矿物光谱制图 仪(Observatory of Mineralogy, Water, Ice and Activity or IR Mineralogical Mapper, OMEGA)以及美国火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上搭载的紧凑型火星勘测成像光谱仪(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM)的特点指标 及其相关应用。然后介绍了新型分光器件——声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) 的原理及特点,并对拟用于月球探测的基于该分光技术的CE-3红外成像光谱仪和CE-5月球矿物光谱分 析仪进行了简要介绍。最后介绍了其光谱定标、辐射定标以及在宽温度范围内工作时的温度特性分析与校正,为AOTF在 深空探测中的进一步应用提供了技术参考。     

基于LCTF的大幅面高分辨率多光谱仪光学系统设计

将液晶可调滤光片（LCTF）应用到真彩色多光谱图像采集中,设计了一款大面阵、高分辨率、轻小型的多光谱成像系统。系统利用LCTF 空间分辨率和光谱分辨率高、波长选择灵活、调谐时间短等特点,可实现幅面大小约210 mm148 mm,分辨率达到350 ppi 的多光谱图像采集,工作谱段为420~720 nm,光谱分辨率为10 nm。结果表明,该成像系统在空间频率为91 lp/mm 时,31 个波段处轴上0 视场和轴外1.0 视场的传递函数均0.30,全视场畸变0.1%,成像质量良好,可用于大面阵、高分辨率多光谱图像的采集与分析。     

基于Offner凸面光栅星载CO2成像光谱仪光学系统设计

星载CO₂成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点,已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大,信噪比低,成像质量不佳的问题,文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切,提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件,设计在1594~1619 nm波段范围内,F数为2.5,光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明,点列图均方根（RMS）半径小于5 μm,系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外,该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法,进一步提高光谱信号的探测强度,该设计方案能够满足应用于星载CO₂成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。     

干涉成像光谱技术及其空间应用

在遥感领域,高光谱成像技术于20世纪末取得了重大突破,它是当前遥感领域的前沿技术之一。干涉成像光谱仪是继色散成像光谱仪之后新出现的一种成像光谱仪,它通过获取目标干涉图,从而间接得到高光谱影像的先进遥感设备,具有高通量、多通道以及光谱采样连续等诸多优点,代表着未来高光谱发展的一个重要方向。结合西安光机所在干涉成像光谱方面的科研工作,比较了干涉成像光谱仪与色散成像光谱仪的优缺点,分析了干涉成像光谱仪的工作原理,结合项目进行的机载飞行试验结果,介绍了干涉成像光谱仪在目标识别、农作物普查等方面的应用。     

基于FPGA的干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原研究

对目标的实时探测与识别是当前干涉式红外成像光谱仪领域研究的热点问题,而光谱仪实时光谱复原是有效解决该问题的前提。利用可见光相机模拟干涉仪而得到干涉图信号,利用高速大容量FPGA芯片设计了一种干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原系统。系统主要由干涉图数据预处理、实时光谱复原以及光谱显示等模块组成,以流水线方式运行,能够实时输出目标的光谱信息,具有运算速度快、体积小、便于算法升级等优点,为光谱仪对目标的实时探测与识别研究奠定了良好的技术基础。     

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。     

基于压缩感知的液晶可调谐滤波器光谱快速采集方法

为提高液晶可调谐滤波器（Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF）的光谱采集效率,提出了一种适用于LCTF光谱成像系统的快速采集方法,设计构建了更加完善的观测矩阵,在压缩感知理论框架内实现了光谱超分辨率重建,并通过实验验证了该方法的可行性。实验结果表明,在采样率为18.08%（采样步长30 nm）时,重建得到的4.81 nm分辨率光谱与传统全采样光谱的相关系数为0.91,超分辨率重建峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR）为99.63 dB,采集速度是传统方式的5.53倍。该方法在保证光谱分辨率和光谱识别准确率的前提下,实现了光谱数据的快速和轻量化采集,为动态目标测量和快速检测提供了可行的技术途径,拓展了LCTF光谱成像技术的应用场景。     

双谱段Offner光谱成像仪设计

相比基于平面或凹面光栅的光谱成像仪,采用凸面光栅作为分光元件的Offner光谱成像仪具有数值孔径大、无谱线弯曲、色畸变小、结构紧凑和加工装调简单等诸多优点,在各个领域获得越来越多的应用。为了满足深空探测任务对载荷高度集成化、宽光谱响应范围、轻小型化等多方面严格要求,采用Offner结构设计了一种双谱段光谱成像仪,并巧妙地利用光栅分区分光,使系统在宽谱段内具有优良的像质,且体积小、结构简单,满足了设计要求。光学系统所有反射曲面均为球面,公差较松,有利于加工和装调。对凸面光栅进行了设计,并分析了其衍射效率,该设计可以有效扩大整个系统的动态范围。     

非均匀温度场下红外热成像仪温控系统设计

为降低外界环境温度和内部发热元件形成的非均匀温度场对红外热成像仪的成像性能影响。通过Proe和Ansys ICEPARK建立红外热成像仪的有限元模型,在红外镜头表面进行黑色阳极氧化、喷砂处理增强辐射换热,以及安装风扇增强对流换热保证高温环境时的散热,低温环境时采用热电阻进行温升设计,并仿真分析红外热成像仪在不同温度环境下整机内部温度分布和红外镜头温度分布情况,并利用在高低温箱的红外热成像仪来观察平行光管中的靶标图的成像质量,验证温控设计的高效性。结果表明:所采用温度控制电路板对风扇与热电阻能进行温度控制,当环境温度下降至0℃和升高至30℃时,启动温控系统使红外热成像仪光学系统温度正常,保证红外热成像仪的成像质量。     

双波段消热差红外鱼眼光学系统设计

双波段鱼眼红外光学系统可以获取中波和长波两波段的图像信息,同时由于其大视场的特性,可以大大增加目标信息获取范围。根据光学系统的设计要求对光学系统进行了设计,全视场196,4.4~5.4 m/7.8~8.8 m波段内清晰成像,考虑到冷光栏的制冷效应,F#严格与冷光栏匹配,达到100%的冷光栏效应。推导了大视场被动消热差公式,通过对玻璃材料的优化选择,达到了双波段消热差,所设计的光学系统结构相对简单,成像质量较好,系统各个波段在-40~60 ℃的工作温度下实现了消热差,满足使用需求。     

热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响,红外焦平面阵列不可避免地存在盲元,严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像,空间维只剩一维,与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标,有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发,以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据,在数据规则化处理的基础上,自动提取有效像元目标的伪光谱曲线,采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验,结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息,检测精度较高,盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。     

基于LCTF的水下光谱成像系统研制

水下光谱成像技术在水下目标物识别、海洋生态监测等领域有着重要作用。基于实际工程使用环境设计了基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的水下光谱成像系统。该系统通过采用LCTF作为滤光结构以获得水下目标物的光谱信息。水下光谱成像系统在宽光谱LED光源的照明下,进行水池实验获得了目标物在波长400~700 nm之间的31个通道光谱图像。对水下具有相似颜色的不同物体的光谱信息进行了讨论和分析,结果表明:该系统有助于水下目标物识别和分类。在海试中对珊瑚进行了原位观测,成功获取了珊瑚礁的水下光谱图像。该系统有望应用于海洋遥感、海洋生态环境监测等领域。     

基于高光谱图像的东北稻米品种快速分类

针对稻米品种无损鉴别需求,利用高光谱技术分析了3种稻米样品的光谱图像特征,实现了利用液晶可调滤波器(LCTF)光谱相机对3种稻米的探测、分类与鉴别。通过高光谱相机采集稻米样品的VIS/NIR光谱图像,运用Matlab软件及ENVI软件对高光谱图像进行处理分析,获得各样本的相对反射率曲线,结合图像阈值分割技术,得到各波段光谱图像的二值图像。结合图像及数据,分析不同品种稻米的光谱差异,发现稻米于480~550 nm波段有较为明显的特征峰,品种之间光谱差异明显,且不同品种稻米的二值图像明暗占比不同,以此完成稻米品种的分类与鉴别。研究结果表明,光谱图像的相对反射率和二值图像在稻米品种快速分类与识别的应用中具有较好的应用前景。     

地球静止轨道甚高分辨率成像系统热控方案

地球静止轨道甚高分辨率成像系统利用薄膜衍射成像可实现对地1 m分辨率。成像系统中的索杆铰接式伸展臂尺寸较长、变形精度要求高,主镜尺寸较大、厚度较薄,系统成像质量对镜面变形要求高,使得伸展臂和主镜的热控成为系统热设计的难点。在调研国内外可展开式遮光罩技术和大口径薄膜镜面热控技术的基础上,对地球静止轨道甚高分辨率成像系统的伸展臂和主镜进行了初步热分析,给出了系统热控方案。分析了可展开式圆锥形遮光罩在四种极端工况下的温度分布,确定了热控方案的可行性。     

近距离热成像系统的光谱匹配因数──微分光谱匹配因数

导出了适用于近距离面目标热成像系统的微分光谱匹配因数（亦称质量因数）且。当Ｔ≈３００Ｋ、λ＝８～１４μｍ时，当Ｔ≈１０００Ｋ，λ＝３～５μｍ时，决定热成像系统的温度分辨率：ＮＥＴＤ，ＭＲＴＤ，ＭＤＴＤ。