高光谱成像仪等效焦面装调模组设计

高光谱成像仪CCD组件在装调时,纵向需要满足20 μm焦深要求,横向需要实现光谱维、空间维的对准。为了避免检测时对昂贵的CCD频繁安装、拆除,设计了一种等效焦面装调模组。等效模组按照CCD组件的实测尺寸精密制造,提供了可供显微镜观察的模拟光谱像。通过测量实际光谱像和模拟光谱像的位置差别能够获取修磨垫的修整量,并实现光谱像和CCD像元的横向对准。试验表明,存在工具显微镜测量误差、修磨垫加工误差、互换性误差时,光谱像面各处离焦量均小于焦深。试验中仅用3次迭代即达到MTF为0.3的要求,提高了装调效率和操作安全性。     

探测器像元尺寸对航空光电系统成像性能影响分析

针对航空光电系统成像性能要求,从探测器像元尺寸出发,研究了探测器像元尺寸对探测器动态范围、信噪比、调制传递函数等性能参数的影响,并分析了探测器像元尺寸对光电系统分辨率、信噪比、探测识别作用距离等总体性能参数的影响,最后列举了国外典型航空光电系统参数及其选用的探测器参数。通过分析探测器性能参数与系统总体性能参数之间的关系,给出探测器像元尺寸选型及航空光电系统Fλ/d典型值的建议,即一般情况下航空光电系统为了获得远距离高像质图像,优先选用大像元探测器,并综合权衡探测器像元尺寸与系统Fλ/d之间的关系,将Fλ/d控制在2以内。     

用于成像侦察的CCD探测器成像分辨力的探讨

通过对CCD探测器成像过程的模拟,分析了CCD成像在像元几何尺寸及成像灰度方面的数字离散化特征对CCD成像分辨力的影响,给出了CCD成像分辨力与CCD像元分辨力的关系,同时也给出了在相应情况下的调制度传递函数(MTF)的数值。     

高灵敏度APS CMOS图像传感器光谱探测技术研究

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能,在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题,建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试,分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平;结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统,进行了光谱成像试验,验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明,CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求,可用于高光谱探测。     

基于图像处理技术的航空相机镜头焦面自准直定位研究

提出基于图像处理技术的航空相机镜头焦面定位的方法,利用光电自准直原理进行焦面定位,并选用两种图像清晰度评价函数实时提取图像清晰度特征,采用优化的爬山算法进行快速检焦。仿真实验结果表明:利用本系统对焦距为750 mm,F数为6.3,CCD像元尺寸为6.8 m6.8 m,成像光谱为500 nm~800 nm的航空相机进行焦面定位精度测定,得到相机的半焦深为0.040 mm,可用于航空CCD相机的焦面检定及航空CCD相机的自动调焦系统。     

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

用PtNe灯对大气紫外成像光谱仪进行光谱定标

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气紫外成像光谱仪的特点,选取PtNe空心阴极放电灯作为定标光源,建立了定标装置,对仪器进行了光谱定标。通过对仪器的输出结果进行数据处理,得到了像元序号与波长的函数表达式。定标结果表明,大气紫外成像光谱仪光谱定标的不确定度为0.043 nm。     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

取样平均法提高CCD多道探测器信噪比

应用取样平均法有效地提高了CCD光学多道探测器信噪比,当采样次数为m时,信噪比提高m~(1/2)倍,应用于实验得到了高信噪比的各种光谱谱图。     

面向小行星探测的可见-红外光谱成像光学系统

设计了一种用于小行星探测的宽波段可见-红外Offner型光谱成像光学系统。该系统的工作波段覆盖0.4～2.7μm,其可见-近红外(VNIR)通道(0.4～1.0μm)和短波红外(SWIR)通道(1.0～2.7μm)的F数分别为6和3。通过求解及优化初始结构,设计完成的光学系统点列图直径小于单个像元尺寸,且在Nyquist频率处的调制传递函数(MTF)值不小于0.51。为改善系统的光谱响应,满足宽波段成像的需求,系统中的凸面光栅被分成两个具有不同周期的区域,分别工作在VNIR通道和SWIR通道。根据光学设计结果,开展原理样机研制并进行性能测试。测试结果表明,研制得到的光学系统成像质量良好,满足设计指标要求。     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

干涉成像光谱仪等波长光谱重建方法研究

干涉型成像光谱仪是嫦娥1号(CE-1)卫星的重要设备,用于分析月球表面物质成分含量及其分布,目前所得到的2B级科学数据的光谱分辨率为325 cm-1,转化为波长分辨率表示后各谱段不一样,第一个波段为7.6 nm,最后一个波段为29 nm,这引入两个问题：(1)与地面波谱库中用于标定和比对的光谱分辨率描述方式不一致;(2)由于波段窄而进入的信号少,造成短波光谱信噪比差。基于CE-1干涉成像光谱仪光谱重建模型,讨论了波长分辨率与截止函数的关系,提出了一种随波长及波长分辨率变化的可调截止函数,并选取相应Sinc函数进行切趾,实现了波段覆盖范围内任意指定波长分辨率的光谱数据重建。利用该方法对CE-1号在轨0B数据进行处理,得到了29 nm等波长高光谱图像,采用光谱信噪、主成分分析和无监督分类等方法对重建结果与同区域2级科学数据进行比对,结果表明：短波波段光谱信噪比提高了4倍,平均提高了2.4倍,基于光谱特征的分类结果一致,数据质量大大改善。EWSR方法的优点有：(1)在保持光谱信息量的情况下,虽然牺牲部分光谱分辨率,但提高短波波段的光谱信噪比;(2)实现了在波段覆盖范围内任意指定波长位置或任意设定波长分辨率的光谱数据重建。     

应用波前编码技术提高空间相机的稳健性

通常情况下,焦面在光学系统焦深范围内移动,空间相机像质变化较小,一旦移出焦深范围,像质将出现不同程度的下降。波前编码(WFC)成像技术具有很好的扩展焦深功能,能够使光学系统表现出离焦不敏感的特性。采用了扩展多项式在光瞳处引入三次相位分布,以光学传递函数作为系统像质衡量准则构建了自定义评价函数,进行了波前编码光学系统的设计,并搭建了实验装置。实验结果表明,复原后的波前编码图像不仅与原系统成像质量相当,并且在较大的焦深范围内保持一致,验证了波前编码技术提升空间相机稳定性的可行性。     

分形粗糙面合成孔径雷达成像研究

研究了分形粗糙面的成像问题. 分形粗糙面能够较好的逼近真实环境, 采用带限形式的Weierstrass-Mandelbrot函数建立了分形粗糙面几何模型, 对分形粗糙面参数的选取进行了讨论. 对大尺度粗糙面散射问题提出了一种基于大面元的Kirchhoff近似方法, 采用面元模型来计算粗糙面总的后向散射场以及每一个面元的后向散射场, 并对面元的尺寸选取进行了研究, 通过与解析解进行对比证明了该方法的正确性. 在分形理论建立的确定性粗糙面几何模型与面元的Kirchhoff方法获取的散射场的基础上, 采用正侧视条带式成像模式, 并选用距离多普勒算法对不同分形参数的粗糙面进行合成孔径雷达(SAR) 成像模拟, 结果显示从SAR像中可以清晰地观察到不同分形参数对粗糙面几何轮廓的影响. 该研究包括了从环境模型、电磁模型到SAR成像技术在内的完整的分形环境SAR像模拟过程, 仿真结果显示出分形环境的SAR像特点, 这对基于分形理论的自然环境的遥感探测以及参数反演具有一定的理论支撑作用.     

可见/近红外超光谱碲镉汞焦平面研究

为了满足可见-近红外波段的高光谱分辨率和高灵敏观测需求, 采用大面阵、低噪声碲镉汞焦平面制备技术和低损伤衬底去除技术, 成功制备了高信噪比大面阵可见/近红外碲镉汞焦平面探测器。无损衬底去除技术采用机械抛光和化学腐蚀相结合的方法, 使焦平面的响应波段拓展至400 nm~2 600 nm。采用信号定量化焦平面测试评价手段对可见/近红外碲镉汞焦平面的性能进行评估, 640×512 25 μm中心距碲镉汞焦平面的波段量子效率可达到88.4%, 信噪比达到287, 有效像元率大于98%, 能够获得清晰的可见和近红外波段图像。     

大焦深成像系统仿真实验研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深是应用光学研究领域的热点问题.本文对采用高次非球面光学掩模板与图像处理相结合增大成像光学系统焦深的新方法进行了深入分析,建立了大焦深成像系统仿真实验模型,并进行了大焦深成像系统仿真实验.实验结果证明了该方法在维持原相对孔径的同时使光学系统在较大的离焦范围内有好的成像质量.实际应用中还要综合考虑模板参量、信噪比等关键因素.     

CO2探测仪1610nm通道光谱仪的精细定焦

基于能量集中度的装调方法采用一套由可调谐激光器、积分球、平行光管和数据采集处理软件等组成的精细定焦系统,以确定CO₂探测仪1 610 nm通道光谱仪的最佳焦面位置并完成探测器的精确安装,以像元光谱响应曲线(ILS)的全高半宽度(FWHM)作为聚焦评价函数,通过调整探测器方位遍历搜寻该函数最小值并作为正焦的最终评价依据,进而完成光谱仪的精细定焦任务。定焦结果显示:探测器获得的光谱响应曲线平均半宽度为0.128 1 nm,与理论值吻合良好。该系统不仅操作简单、结构紧凑且具有较高的定焦精度,也为光谱仪定标等后续工作提供了实验保障。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。