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光纤视场折叠高分辨率超光谱成像仪装调方法和检测技术研究

作　者: 何煦
导　师: 向阳
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 光纤视场折叠超光谱成像仪线列光纤传像束成像质量评价对比度传递函数装配与调整耦合偏差
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

宽视场高分辨率超光谱成像方法、原理和组成是航天遥感领域的关键技术。实用化的高分辨率超光谱成像仪与卫星平台结合构成各类空间遥感器,被广泛应用于航天领域。现阶段高分辨率超光谱成像仪存在的主要问题是视场较窄,对应的地面刈幅宽度无法满足航天超光谱成像业务化的应用需求。因此应用新技术、新方法,发展成像光谱技术的新概念,扩展航天高分辨率超光谱成像仪的视场宽度具有重要的应用价值与学术意义,该领域是高分辨率超光谱成像技术未来发展的重点与前沿。在我们发展的“光纤视场折叠高分辨率超光谱成像仪”中,提出了高分辨率超光谱成像的新概念与新方法,应用光纤传像技术,拓展了仪器的视场。新的成像方法使仪器的光路结构等方面存在新颖性与特殊性,因此在系统成像质量评价、装调等领域存在新的内容需要研究与深入探讨。论文结合光纤视场折叠高分辨率超光谱成像仪原理样机的成像原理,分别对光纤折叠视场成像光谱仪的装调技术以及评价方法开展研究。论文研究内容包括5个主要部分:1.由于常规的成像光谱仪采用固定刃口狭缝实现视场分离,夹缝是空间连续的,因此狭缝与探测器之间的耦合关系满足空间不变性。由于光纤视场折叠成像光谱仪采用了离散采样的线列光纤实现视场折叠,因此论文以此为出发点,从理论模型与试验方法两方面重点研究了采用耦合对比度传递函数作为评价依据,进行线列光纤与探测器对准的方法。进行了对准装调试验,并进行的实验室测试,以及室外光谱成像试验。2.以光纤视场折叠成像光谱仪成像原理为基础,研究原理样机的装调方法,建立装调流程,归纳出针对同轴折射式光学系统的装配、对准与精确调整方法。提出了针对原理样机中望远成像镜、光谱仪准直镜、光谱仪成像镜的装调方法,进行了装调试验。通过镜头主要指标的测试,验证了装调方案的可行性。3.对原理样机中的关键部件—线列光纤传像束的离散采样过程进行分析,研究序排线列光纤对图像的离散采样与重构方式。根据传递函数的对比度定义研究了在方波输入下,线列光纤传像束对比度传递函数表达式。建立了解析形式的线列光纤束对比度传递函数的数理模型。并以解析表达式为基础仿真分析了光纤传像束对方波信号输入的输出特性与输出周期。4.研究了线列光纤对比度传递函数的特性。论文以解析表达式为基础,研究光纤数、初位置、输入信号频域特性与线列光纤对比度传递函数之间的作用规律。研究结果表明:在Nyquist频率和分频处,对比度传递函数随初位置振荡。在Nyquist频率和分频附近频域,线列光纤对比度传递函数随线列中光纤数增加振荡收敛。具体的收敛规律是,输入方波频率与Nyquist频率越接近,对比度传递函数收敛为一固定值的速度越慢。而当频率偏离量超过10%数量级,仿真结果表明光纤数与初位置对线列光纤对比度传递函数的影响很小。5.根据装调过程中线列光纤束与探测器像元间存在的对准偏差,研究了由线列光纤束、探测器构成的耦合采样成像系统对方波输入的响应特性,推导了线列光纤束与探测器耦合对比度传递函数的数理模型,并进一步提出初位置平均对比度传递函数、耦合平均对比度传递函数的定义。对初位置、输入信号频域特性、耦合偏差与耦合对比度传递函数间的作用规律进行仿真分析。研究结果表明:在小于Nyquist频率的频域内,耦合对比度传递函数与初位置平均对比度传递函数随耦合偏差周期振荡。输入方波频率与Nyquist频率越接近、线列中包含的光纤数越少、初位置偏差越大,耦合对比度传递函数随耦合偏差的振动幅值越大。此外,在上述频域范围内,耦合离散采样系统的耦合平均对比度传递函数不符合级联相乘规律。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-25
  1.1 引言  13-21
    1.1.1 面阵列探测器推扫式成像光谱仪  14-15
    1.1.2 超光谱成像仪  15-18
    1.1.3 光纤视场折叠超光谱成像仪  18-19
    1.1.4 无源光纤线列成像器件  19-21
  1.2 本文研究的目的、意义及主要内容  21-25
    1.2.1 本文研究的目的及意义  21-23
    1.2.2 本文研究的主要内容  23-25
第二章光纤传像束的对比度传递函数  25-57
  2.1 引言  25
  2.2 光学传递函数的发展历史  25-29
    2.2.1 光学系统成像质量的主要评价方法  25-27
    2.2.2 光学传递函数理论的建立与发展过程  27-28
    2.2.3 光学传递函数理论的扩展  28-29
  2.3 对比度传递函数的基本理论  29-44
    2.3.1 傅立叶变换、δ函数  29-31
    2.3.2 线性不变光学系统的传递函数  31-33
    2.3.3 光学传递函数的计算  33-34
    2.3.4 光学传递函数测试的主要方法  34-36
    2.3.5 对比度传递函数（CTF）及其物理意义  36-40
    2.3.6 离散成像系统的采样过程  40-42
    2.3.7 扩展的光学传递函数理论  42-44
  2.4 线列光纤传像束对比度传递函数  44-56
    2.4.1 方波信号频谱在线列光纤束的传递过程分析  44-47
    2.4.2 光纤传像束对比度定义下的对比传递函数  47-56
  2.5 本章小结  56-57
第三章光纤传像束对比度传递函数性质研究  57-75
  3.1 引言  57
  3.2 光纤数对线列光纤对比度传递函数的影响  57-69
    3.2.1 奈奎斯特分频处  58
    3.2.2 奈奎斯特分频附近  58-65
    3.2.3 奈奎斯特频率附近  65-69
  3.3 初位置对光纤传像束对比度传递函数的影响  69-72
    3.3.1 奈奎斯特频率、分频处  69
    3.3.2 奈奎斯特频率附近频域  69-72
  3.4 不同初位置下的CTF 曲线  72-74
  3.5 本章小结  74-75
第四章线列光纤传像束与探测器耦合对比度传递函数研究  75-91
  4.1 引言  75
  4.2 光纤传像束与探测器耦合对比度传递函数表达式建立  75-79
  4.3 耦合偏差对耦合对比度传递函数的影响  79-89
    4.3.1 奈奎斯特分频处  79-81
    4.3.2 奈奎斯特频率附近  81-83
    4.3.3 奈奎斯特分频附近  83-87
    4.3.4 初位置平均对比度传递函数CTF t 的曲线仿真  87-89
  4.4 耦合平均对比度传递函数  89-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章超光谱成像仪原理样机组件的装调  91-121
  5.1 引言  91
  5.2 成像光谱仪原理样机的组成与工作原理  91-95
    5.2.1 成像光谱仪原理样机的系统组成  91-93
    5.2.2 成像光谱仪原理样机的工作原理  93-95
  5.3 折射式光学系统的装调技术  95-109
    5.3.1 光学镜头装配与调整要素  96-99
    5.3.2 单透镜的装调技术  99-103
    5.3.3 多透镜组的装调原理  103-104
    5.3.4 多透镜组光学镜头的定心方法  104-109
  5.4 基于干涉原理的多透镜组装调方法  109-116
  5.5 成像光谱仪原理样机镜头的检测试验  116-119
  5.6 棱镜、平面反射镜组件的装调方法  119-120
  5.7 本章小结  120-121
第六章超光谱成像仪原理样机整机的装调  121-139
  6.1 引言  121
  6.2 线列光纤传像束与光学镜头的装调方法  121-123
    6.2.1 线列光纤传像束与望远系统的装调方法  121-123
    6.2.2 线列光纤传像束与光谱仪准直镜的装调方法  123
  6.3 成像光谱仪原理样机整机系统的装调方法  123-128
  6.4 成像光谱仪原理样机CCD 探测器的装调方法  128-133
    6.4.1 对比度传递函数（CTF）的测量方法  129-130
    6.4.2 CCD 组件的装调试验方法  130-133
  6.5 成像光谱仪原理样机整机系统实验室CTF 检测试验  133-135
  6.6 成像光谱仪原理样机室外成像试验  135-138
  6.7 本章小结  138-139
第七章总结与展望  139-143
参考文献  143-151
在学期间学术成果情况  151-152
指导教师及作者简介  152-153
  导师简介  152
  作者简介  152-153
致谢  153

光纤视场折叠高分辨率超光谱成像仪装调方法和检测技术研究

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