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光谱成像技术的分类
光谱成像技术的分类 光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。 光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。 1基于光谱分辨率分类 光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。它们的区别如表1所示。 表1多、高、超光谱的比较 分类分辨 率 通道数光谱典型例子 多光谱（Multi-spectral）10-1λ 量级 5—30ETM+ ASTER 高光谱（Hyper-spectral）10-2λ 量级 100— 200 AVIRIS 超光谱（Ultra-spectral）10-3λ 量级 1000— 10000 GIFTS
2 基于信息获取方式分类 光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。 挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。AVIRIS就是通过挥扫成像[1]。 推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。 凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。 图1 典型的光谱成像过程：a挥扫式；b推扫式；c凝视式；d快照式 快照式是一种新兴的图谱信息获取方式，它不需扫描便可获取三维图谱信息。快照式光谱成像技术实现方式主要有三种：一种是视场分割三维成像的方式，利用玻璃堆进视场分割，再利用分光器件将三维信息展开到二维平面进行面探测
多光谱相机原理及组成
多光谱相机原理及组成 多光谱成像技术自从面世以来,便被应用于空间遥感领域。而随着搭载平台的小型化和野外应用的需求，光谱成像仪在农业、林业、军事、医药、科研等领域的需求也越来越大。而在此之前成像技术并没有那么高，只能对特定的单一的谱段进行成像。虽然分辨率高但是数据量大难以进行分析、存储、检索，而多光谱成像是将所有的信息结合在一起，这不仅仅是二维空间信息，同时也把光谱的辐射信息也包含在内，从而在更宽的谱段范围内成像。 多光谱相机的基本构成 1.光学系统 可以在各个谱段内范围内成像，可以很好的的控制杂散光，是多光谱相机最重要的部分，对工作谱段范围和分辨能力起了决定性的作用，还可以设定工作焦距视场角大小等 2.控制和信息处理器 控制监督多光谱相机的整个工作过程，并收集图像数据，并进行储存。 3.热控装置 由温度控制器、隔热材料、散热器、热控涂层等组成 4.其他结构 物镜、电路系统、探测器及其他零配件 多光谱相机的工作谱段范围 人眼所能能识别的光谱区间为可见光区间，波长从400nm到700nm;普通数码相机的光谱响应区间与人眼识别的光谱区间相同，包含蓝、绿、红、三个波段;而多光谱相机的工作谱段范围在其基础上，可以分可见光、近红外光、紫外光等每台多光谱相机的分辨率不同，所应用的领域也不同 就比如说我们在做植被调查的时候，植被的可见光波段对绿色比较敏感对红色和蓝色反射较弱。相对于可见光波段，植被在近红外波段具有很强的反射特性，多数植被在可见光波段的光谱差异很小。而在近红外波段的光谱差异更大，光谱差异越明显越有利于分类。 光谱特性 我们知道像素运用复杂的大气准则来，复原反射光谱和辐射光谱所的到的数据分析，得到不同物质的反射率不同，称之为光谱特征。如果有足够的光谱特证，可用于识别场景中的专用材质，其中包括光谱范围、宽度、分辨率。范围是指相机获取图像来自的光谱段，谱段的宽度反映了谱段设置的要求、通过努力衡量大气中物质的光谱特性还有传感器的光谱响应，就要考虑大气中的吸收和散射。多光谱相机的光学系统 光学系统是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射(或反射)球面组成的光学系统称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。其中参数包括焦距、视场角、相对孔径等。 多光谱相机的反射光学系统 如果光学系统中的光学镜片为反射镜，则此系统称之为反射系统，反射式光学系统最大的优势就在于其光谱范围很大，对各个谱段都适用，并且不需要矫正二级光谱，但是因选用的是非球面镜片，会使系统的加工和装配变得十分困难，增加制作工艺难度
成像光谱仪及其应用概述
成像光谱仪简介及其应用概述 成像光谱仪：将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。在陆地、大气、海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。 成像光谱仪–概述 成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高成像光谱仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平.。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。 成像光谱仪主要性能参数是：（1）噪声等效反射率差（NE?p），体现为信噪比（SNR）；（2）瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。 高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定量分析，其图象处理模式的关键技术有：⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体（见图一）的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法； ⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。 高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。 成像光谱仪的基本原理
反射式数字全息显微镜光学系统
数字全息显微镜的光学系统设计 摘要 数字全息显微术是把数字全息和全息显微相结合，用CCD代替传统的全息干板来实现全息显微的过程。 本文通过理论的分析和计算，完成了以下工作： 1）在数字全息的方法上，介绍和比较了几种记录和再现的方法;并选择了无透镜傅里叶变换与同轴全息相结合的光路，可以最大利用CCD分辨率和简化光路。在系统光路中加入相移技术，消除零级和共轭像。 2）在1/2英寸CCD情况下，利用干涉仪原理设计出了基本光路;分析并选择了各个部件的具体参数;分析计算了系统中需要满足的条件。计算出在几种物镜预放大情况下，系统的分辨率和放大率。 在对微小物体做近距离显微时，本文的显微系统极限分辨率理论长度可以达到0.8μm左右。 关键词：全息术；数字全息显微；预放大技术。
Optical system design of digital holographic microscopy Abstract Digital holographic microscopy digital holography and holographic microscopy combined with CCD, instead of the traditional holographic plate to realize the process of holographic microscopy. In this paper, through the theoretical analysis and calculation, completed the following works: 1）Introduced and compared several recording and reproducing methods in the selection of digital holographic method，and chooses the lens-less Fourier transform and coaxial holographic to be the light path which can use CCD resolution and simplified the optical path. In the optical system with phase shifting technique to eliminate the effect of zero order and conjugate image. 2)In 1/2 inch CCD cases, using an interferometer principle to design the basic light path; Analysis and select the specific parameters of components；Calculate the conditions to meet the system. Calculate the system resolution and magnification in several objectives. In the short distance microscopic, the microscopic system can reach 1μm resolution lenth, Key Words: Holography;Digital holography microscopy;Preamplification -technology；
米级车载高分辨率光电成像系统光学设计_刘莹奇
第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 米级车载高分辨率光电成像系统光学设计 刘莹奇1,2，王志1，刘欣悦1，卫沛峰1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049) 摘要：研究了一套能实现机动式布站的米级车载可见光和红外高分辨率光学成像系统新方案。主系统口径1.2m，采用无焦卡塞格林形式，遮拦比1:10；机上中、长波红外成像通道采用共口径光谱分光、二次成像的形式，冷阑匹配效率100％，F数为4；机下成像光学系统焦距47m，F数为39，光学设计满足高分辨率与白天成像的要求，且成像质量达到衍射极限；各通道光学系统结构紧凑。光学设计与分析结果表明：该套光学系统能够用于空中和空间目标的全天时移动式高分辨率可见、红外成像。 关键词：大口径望远镜；高分辨率成像；白天成像；移动式光电跟踪系统；光学设计 中图分类号：TB133文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1512-05 Optical design of vehicle-based high resolution E-O imaging system using meter class telescope Liu Yingqi1,2,Wang Zhi1,Liu Xinyue1,Wei Peifeng1 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:A set of meter class aperture and vehicle-based optical system including visible,infrared imaging, which was used for motional E-O imaging,was studied.The main system aperture was1.2m,the form of afocal Cassegrain was adopted,and obstruction ratio was1:10.The front aperture of on-vehicle imaging system was shared by MWIR and LWIR,then the spectrum was separately reimaged in the terminal.The F number was4,and100%cold shield efficiency was realized.The focal length of the off-vehicle imaging system was47m and the F number was39.The optical design meet the requiement of high resolution and daylight imaging,and the imaging quality of each channel reached diffraction limit in the off-vehicle imaging system.The optical system configuration of each channel was compact.The design and analysis results indicate that mobile high resolution imaging and all-day imaging of targets in the air and space can be realized with the optical system. Key words:large aperture telescope;high resolution imaging;daylight imaging; mobile E-O tracking system;optical design 收稿日期：2010-12-05；修订日期：2011-01-03 基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新研究项目专项资金 作者简介：刘莹奇（1984-），男，研究实习员，博士研究生，主要从事新型光学系统设计工作。Email:a1032510210@https://www.360docs.net/doc/b211510235.html, 导师简介：卢振武(1955-),男,研究员,博士生导师,主要从事衍射光学等方面的研究。Email:luzw@https://www.360docs.net/doc/b211510235.html,
基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计
第!!卷! 第"期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析#$%&!!!'$&"!(( )),)-)),=)*+!年"月!!!!!!!!!!!!.(/012$30$(4567.(/0125%865%43938:; :31!)*+!!基于"::425结构分视场成像光谱仪光学设计 吴从均+ ) 颜昌翔+" 刘!伟+ 代!虎+ )+<中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学一部!吉林长春!+!**!! )<中国科学院大学!北京! +***J I 摘!要!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C R R 6/2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J **^P 高度!波段范围为*&J " +*P !焦距为,)*P P !E 数为L !全视场大小为J &!V 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+*)J c +*)J !像元大小+"*Pc +"*P 的B B E 探测器"通过g H S 8N 软件优化和公差分析后!系统在)"%(+P P \+处S ?>优于*&=)!光谱分辨率优于L 6P !地面分辨率小于+*P !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"关键词!C R R 6/2 %成像光谱仪%分视场%光学设计中图分类号 C J !!!!文献标识码 8!!!%"& +*&!I =J K &9336&+***-*L I ! )*+! *"-)),)-*L !收稿日期 )*+)-++-)+ 修订日期 )*+!-*)-+=!基金项目 国家# "=!计划$项目#)*++88+)8+*!$资助!作者简介 吴从均!+I "=年生!中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生!!/-P 59%&Q :0$6;K :6,"I ! +=!<0$P "通讯联系人!!/-P 59%&4560j ! 09$P (<50<06引!言 !!星载超光谱成像仪按地面像元分辨率分为中分辨率和高 分辨率!中分辨率超光谱成像仪地面分辨率为数百米至数千 米量级!高分辨率超光谱成像仪为数十米量级' +("目前制约星载成像光谱仪发展的主要是探测器和分光方式!国内星载设备探测器一般都通过国外购买!价格昂贵!而且购买的渠道越来越窄%分光方式上!光栅和棱镜作为传统的分光元件!各自存在一定的缺点"傅里叶变换光谱仪虽然是一种比较理想的成像光谱仪形式!但环境要求非常高!往往信噪比并不是很高%基于8C ?>)T B ?> )波带片等二元光学元件和折衍射系统组合的分光在星载应用中相对还不成熟')!!("传 统光谱仪系统包括准直和成像系统!一些独特结构的光谱仪系统采用汇聚光路!这种方法在很大程度上都采用了准直和成像对称形式!C R R 6/2结构就是一种对称严格的结构形式"C R R 6/2光栅成像光谱仪在)*世纪I *年代初就已经被提 出了!随着光栅制造水平的提高!其结构简单)利于小型化 的突出优势逐渐被放大!已经在应用中崭露头角'J ("文献 'L !=(分别从如何消除像散等离轴像差上分析了C R R 6/2成像 光谱仪的设计方法!文献',(给出了在汇聚光路中和在发散光路中分别采用光栅和曲面棱镜设计成像光谱仪的光学系统 并比较了两者的优缺点!程欣等' "(采用在汇聚光路中加入>p 24棱镜作为分光元件设计了光谱范围在* &J ")&L *P 的成像光谱仪"一些相关文献中还对C R R 6/2成像光谱仪的机械结构设计'I ()图像数据压缩)装调方法'+*(和杂散光'++(的分 析研究" 分视场成像光谱仪#3:Z -R 9/%79P 5;96;3(/012$P /1/2!.>@. $能有效增大地面刈副宽度!利用视场分割思想!将望远镜宽线视场分割)折叠成窄线视场阵列!通过一个光谱仪进行分光!充分发挥面阵探测器的优势!各窄线视场的光谱图像数据按序首尾相连!便得到了宽线视场情况下的高分辨率超光谱成像数据"早期的宽视场大部分采用视场分离器分 别进入不同光谱仪系统' +)(!这种情况下光谱仪必须根据视场分离的结果置很多台!而且体积大"本方法大大减小了仪器的体积和重量" +!C R R 6/2光谱仪的设计方法!!对于C R R 6/2结构的数值分析设计在文献'L !=(中给出了详细的设计过程!而且这些结构都是通过离轴形式对其进行分析!过程极为繁琐"下面从同轴结构出发进行分析!可以很快得到这种初始结构"'('!确定凸面光栅的曲率半径
光学设计
大连民族学院 工程光学课程设计（论文）平行光管物镜设计 学院（系）：物理与材料工程学院 专业：光电子技术科学 学生姓名：任增鑫 学号：2010053216 指导教师：芦永军 完成日期：2013-11-18 大连民族学院
摘要 平行光管是通过它取得来自无限远的光束，此光束谓之平行光。是装校调整光学仪器的重要工具，也是光学量度仪器中的重要组成部分，配用不同的分划板，连同测微目镜头，或显微镜系统，则可以测定透镜组的焦距，鉴别率，及其他成像质量。将附配的调整式平面反光镜固定于被检运动直的工件上，用附配于光管的高斯自准目镜头，通过光管上的高斯目镜观察，可以进行运动工件的直线性检验。在实际成像过程中，物体成的像应该与设计的光学系统一致，达到设计要求的放大倍数。所以，可以通过近轴光学公式计算出理想成像的位置和大小，近似地代表实际光学系统中所要求成的像的位置和大小。近轴光学公式对于工程光学设计有着重要的意义和作用，根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。平行光管物镜物镜采用双胶合结构。双胶合结构能够很好的校正几种初级像差，而且结构简单，所以大多用此结构进行设计。 关键词：平行光管物镜；微小角度；近轴光学公式；双胶合结构
目录 摘要...........................................................................................I 设计要求： (2) 第一章绪论 (2) 第二章Zmeax光学设计软件简介 (3) 第三章平行光管物镜参数的手工计算 (5) 第四章课程设计结果Zmeax验证 (7) 致谢 (9)
高光谱成像国内外研究与应用
前言 随着科学技术的发展，人们的感官得到了延伸，认识事物的能力也不断的提高，其中光谱成像和雷达成像成为其中的佼佼者，高谱和图像使人们能够在大千世界更好的认识到事物。高光谱成像技术作为一项优点显著，实用的成像技术，从20世纪80年代开始得到了世界各国的重视，经过深入的研究和发展如今已经被广泛地应用于各个领域。 高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域,它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命,它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。 高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，其中最突出的应用是在遥感探测领域，并在民用领域有着更大的应用前景。 本文通过分析介绍高光谱图像的成像原理，探讨了高光谱图像在国内外发展现状及其应用。
1.高光谱图像成像原理及特点 1.1高光谱遥感基本概念 高光谱遥感是通过高光谱传感器探测物体反射的电磁波而获得地物目标的空间和频谱数据，成立于20世纪初期的测谱学就是它的基础。高光谱遥感的出现使得许多使用宽波段无法探查到的物体，更加容易被探测到，所以高光谱遥感的出现时成功的是革命性的。 1.2高光谱图像成像原理 光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。 其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是象元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总想是各象元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。 1.3高光谱遥感的特点 （1）波段多且宽度窄能够使得高光谱遥感探测到别的宽波段无法探测到的物体。 （2）光谱响应范围更广和光谱分辨率高使得它能够更加精细的发硬出被探测物的微小特征。 （3）它可以提供空间域和光谱域信息也就是“谱像合一”。 （4）数据量大和信息冗余多，由于高光谱数据的波段多，其数据量大，而且和相邻波段的相关性比较高就使得信息冗余度增加很多。 （5）高光谱遥感的数据描述模型多能够分析的更灵活。经常使用的3种模型有：图像，光谱和特征模型。 1.4高光谱的优势 随着高光谱成像的光谱分辨率的提高，其探测能力也有所增强。因此，与全色和多光谱成像相比较，高光谱成像有以下显著优著: (1)有着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像在经过光谱反射率重建后，能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线，与它的实测值相匹配，将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中。 (2)对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱
方形孔径棱镜式成像光谱仪光学设计_吴从均
第３３卷 第１２期光 学 学 报 Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．１２ ２０１３年１ ２月ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１３ 方形孔径棱镜式成像光谱仪光学设计 吴从均１，２ 颜昌翔１ 刘 伟１ 张军强 １ １ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３ ２ 中国科学院大学，北京（ ） １０００４９ 摘要 为满足星载高光谱成像的需要，通过分析实际星载成像光谱仪应用需求，确定了光学设计的指标。设计中，使用方形孔径代替圆形孔径，采用双胶合棱镜和单棱镜作为分光元件分别设计可见近红外（ＶＮＩＲ）和短波红外（ＳＷＩＲ）光谱仪，并利用远心离轴三反结构设计望远物镜；分析了双胶合棱镜校正色散非线性的原理，利用光学软件Ｚｅｍａｘ分别设计了望远物镜和光谱仪系统，并采用沿轨方向视场分离的方法实现了ＳＷＩＲ和ＶＮＩＲ的分别成像。对光学系统的整体分析结果表明，该系统能够满足光谱分辨率和地面分辨率指标的要求，方形尺寸不仅可减小成像光谱仪的纵向尺寸，更有助于对像差的校正，利于实际工程应用。对ＶＮＩＲ波段色散结果的分析表明胶合棱镜能够很好地校正棱镜色散非线性。 关键词 光学设计；成像光谱仪；胶合棱镜；像质分析；色散补偿 中图分类号 Ｏ４３３ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１３３３．１２２２００１ Ｐｒｉｓｍ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ａｐ ｅｒｔｕｒｅＷｕ Ｃｏｎｇｊｕｎ１， ２ Ｙａｎ Ｃｈａｎｇｘｉａｎｇ１ Ｌｉｕ Ｗｅｉ １ Ｚｈａｎｇ Ｊｕｎｑｉａｎｇ１ １ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇ ｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ２ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，烄烆 烌 烎 ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ－ｂｏｒｎｅ ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙ ｓｔｅｍ ａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ，ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｃｉｒｃｌｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ，ａｎｄｄｏｕｂｌｅｔ ｐｒｉｓｍ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｉｓｍ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｄｅｓｉｇ ｎ ｖｉｓｉｂｌｅ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＶＮＩＲ）ａｎｄ ｓｈｏｒｔ－ｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ（ＳＷＩＲ）ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒ ａｎａｓｔｉｇｍａｔ（ＴＭＡ）ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｔｅｌｅｓｃｏｐ ｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｐｒｉｓｍｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｉｓｍ ｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴＭＡ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｚｅｍａｘ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓｐｌｉｔｔｅｒ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ＶＮＩＲ ａｎｄ ＳＷＩＲ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒｏｕｎｄ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｎｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ＶＮＩＲ ｂａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｄｏｕｂｌｅｔ ｐ ｒｉｓｍ ｉｓ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｐ ｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｉｓｍ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｐｒｉｓｍｓ；ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ２ ２０．４８３０；３００．６１９０；２３０．２０３５ 收稿日期：２０１３－０５－１４；收到修改稿日期：２０１３－０７－ ０１基金项目：国家８６３计划（２０１１ＡＡ１２Ａ１０３ ）作者简介：吴从均（１９８６—），男，博士研究生，主要从事空间光学仪器光学设计和光学检测等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｃｏｎｇｊ ｕｎ７８９＠１６３．ｃｏｍ导师简介：颜昌翔（１９７３—），男，研究员，博士生导师，主要从事空间光学遥感技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｃｘ＠ｃｉｏｍｐ ．ａｃ．ｃｎ１２２２００１－ １
三反射式柱面光学系统设计及优化
第28卷 第7期光 学 学 报 Vol.28,No.72008年7月 ACTA OP TICA SINICA J uly ,2008 文章编号:025322239(2008)0721359205 三反射式柱面光学系统设计及优化 梁敏勇 廖宁放 冯 洁 林 宇 崔德琪 (北京理工大学信息科学技术学院颜色科学与工程国家专业实验室,北京100081) 摘要 针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构。对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向上高空间分辨率要求。其子午面总视场均达到了3°,在45lp/mm 分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6。关键词 光学设计;三反射式柱面;线聚焦;光线追迹;二次曲线柱面 中图分类号 O433.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS20082807.1359 Des i g n a n d Op t i miz a t i on of Th ree Cyli n d rical Ref lect ors Op t ical S ys t e m Liang Minyong Liao Ningfang Feng J ie Lin Yu Cui Deqi (Nat ion al L abor ator y of Color Scie nce a n d Engi neeri ng ,School of I nf or m a tion Science a n d Tech nology , Beiji ng I nstit ute of Tech nology ,Beiji ng 100081,Chi n a ) Abs t r act A single cylindrical reflector usually has defects of distortional imaging beam and limited field of view usually less than 1°.A three cylindrical reflectors system is p resented to overcome these defects.Based on the ray t racing of cylindrical reflector ,a three circularly cylindrical reflectors and a three conic 2cylindrical reflectors system have been designed.The f ull field of view (FOV )has reached 3°in tangential plane ;on the edge of FOV ,the modulation t ransfer f unction (M TF )of the former design at 45lp/mm is better than 0.2and the latter is better than 0.6.A new optimization method using parabolic 2cylindrical reflector is p resented.This method can be used to optimize the M TF in tangential plane ,and the final M TF satisfies the requirement of the high spatial resolution in imaging spect rometer field. Key w or ds optical design ;three cylindrical reflectors ;line focusing ;ray t racing ;conic 2cylindrical reflector 收稿日期:2007210211;收到修改稿日期:2008201215 基金项目:国家863计划(2006AA12Z124)和国家自然科学基金(60377042)资助课题。 作者简介:梁敏勇(1981-),男,博士研究生,主要从事成像光谱技术、高光谱技术等方面的研究。 E 2mail :L my @https://www.360docs.net/doc/b211510235.html, 导师简介:廖宁放(1960-),男,教授,博士生导师,主要从事成像光谱技术、颜色与图像技术等方面的研究。 E 2mail :Liaonf @https://www.360docs.net/doc/b211510235.html, 1 引 言 随着光学加工工艺的日益发展,包含各种新型光学表面的光学系统不断涌现。柱面光学面形结构已广泛应用到各种光学系统中。例如在宽银幕电影的摄影镜头和放映镜头中,在希望获得变形图像(影像在两个相互垂直的方向上具有不同的缩放比例)等实用场合,都可以采用圆柱面透镜或圆柱面反射镜系统。在需要进行长狭缝聚光的仪器中和一些激光应用中,需要把圆激光束变换成线光束,例如激光 柱面波干涉仪、光切法三维面形测量、X 射线激光线 聚焦等[1～5]。此外,在遥感领域的推扫型成像光谱仪光路系统中,包括萨尼亚克(Sagnac )透射型[6]和菲涅耳全反射型傅里叶成像光谱仪[7],高通量干涉型计算层析成像光谱仪光路中也使用柱面光学系统实现投影功能[8,9]。柱面系统成像性能的优劣直接影响成像光谱仪系统的空间分辨率[10]。 针对传统单片柱透镜和柱面反射镜的成像光束不能产生理想线聚焦[11],且视场小等缺点,本文提
成像光谱技术简介
成像光谱技术 1.成像光谱技术发展简述 光谱技术是指利用光与物质的相互作用研究分子结构及动态特性的学科，即通过获取光的发射、吸收与散射信息可获得与样品相关的化学信息，成像技术则是获取目标的影像信息，研究目标的空间特性信息。这两个独立的学科在各自的领域里已有数百年的发展历史，但是知道上个世纪六十年代，遥感技术兴起，空间探测和地表探测一时成为科学界研究的热点，人们希望得到的不单纯是目标的影响信息或者目标的光谱信息，而是同时得到影像信息和光谱信息，这一需求极大的导致了成像技术和光谱技术的结合，催生出了成像光谱技术。 所谓光谱成像技术，其本质是充分利用了物质对不同电磁波谱的吸收或辐射特性，在普通的二维空间成像的基础上，增加了一维的光谱信息。由于地物物质组成的不同，其对应的光谱之间存在差异（即指纹效应），从而可以利用地物目标的光谱进行识别和分类。光谱成像技术可以在电磁波段的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多窄并且光谱连续的图像数据，为每个像元提供一条完整并且连续的光谱曲线。 图1 成像光谱技术示意图 图1.1就是成像光谱技术的示意图，成像光谱仪得到一个三维的数据立方体，从每个空间象元都可以提取一条连续的光谱曲线，通过谱线的特征分析，继而用于后续的测探等目的。 2.成像光谱仪的分类 成像光谱仪是成像光谱技术发展的必然产物，是可以同时获取影像信息与像元的光谱信息的光学传感器，是成像光谱技术得以实现的实物载体，根据不同的分类标准可以进行多种分类，主要有以下几种： (1)根据成像光谱仪的光谱分辨率不同，可以分为多光谱成像仪
(Multispectral Imager, MSI)，高光谱成像仪(Hyperspectral Imager, HSI)，超光谱成像仪(Hyperspectral Imager, USI)。 多光谱成像仪：获得的目标物的波段在3~12之间，光谱分辨率一般在 100nm左右，主要用于地带分类等方面。 高光谱成像仪：获得的目标物的波段在100~200之间，光谱分辨率在10nm 左右，被广泛用于遥感中。 超光谱成像仪：获得的目标物的波段在1000~10000之间，光谱分辨率在 1nm以下，通常用于大气微粒探测等精细探测领域。 (2)按照分光原理的不同可以分为棱镜色散型、光栅衍射型、滤光片型、干涉 型以及计算层析型。 棱镜色散型和光栅衍射型分别是利用棱镜的色散和光栅的衍射来获取目标物的光谱，这两类光谱仪都是直接型光谱仪，即可以直接得到目标物的光谱曲线，具有原理简单和性能稳定等优点。 滤光片型光谱仪是采用相机加滤光片的方案，分光元件为滤光片，有多种形式，有线性滤光片、旋转滤光片等。这种光谱仪也是一种间接成像光谱仪，需要调制才能获得整个数据立方体 干涉型光谱仪是采用干涉仪实现两束相干光的干涉，从而获得目标物的干涉图。该类型的光谱仪其采集到干涉图和最终需要反演得到光谱图之间存在傅里叶变换关系，故其也称傅里叶变换光谱仪。 (3)按照扫描方式不同，成像光谱技术可分为挥扫式(Whiskbroom)、推扫式(Pushbroom)和凝视(Staring)成像光谱仪。 挥扫视：主要利用扫描镜，将空间信息按照一定的顺序输入，再由光谱仪对各点进行光谱分光，这类光谱仪的探测器一般为线阵。 推扫式：采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，先将扫描成像于光谱仪的狭缝上，在通过运动获得另一维的光谱数据。 凝视型：无需探测器的运动，在任意时刻即可获取目标的二维空间信息以及一维光谱信息。 此外，还有多种分类方法，比如按照数据称重理论和调制方式以及搭载平台的不同等等。 3.成像光谱技术的应用 成像光谱技术应用方向可以分为两大类：军用和民用。在军用方面，由于成像光谱仪特别是高光谱成像仪具有在光谱上区分地物类型的能力，因此它在地物的精细分类、目标检测和变化检测上体现出较强的优势，成为一种重要的战场侦察手段。早在20世纪末，美国军方就有实验表明高光谱图像可以分辨出
【CN110057449A】基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910354155.8 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 上海卫星工程研究所 地址 201109 上海市闵行区元江路3666号 (72)发明人 张波 周爱明 舒锐 杜冬 王凯 唐琪佳 曹亮 秦雷 谢少彪 (74)专利代理机构 上海航天局专利中心 31107 代理人 余岢 (51)Int.Cl. G01J 3/28(2006.01) (54)发明名称基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法(57)摘要本发明涉及一种基于视场分光高光谱成像探测的空中动目标的高度及速度计算方法，包括：对同一场景下的不同视场的多台光谱仪成像探测数据进行预处理；对不同光谱仪的成像探测数据分别进行动目标检测，确定动目标在探测图像中的位置；计算不同光谱仪探测到的目标投影在大地坐标系下X、Y方向的位置差、成像时间差以及相应时刻目标投影处成像视轴的方位角、俯仰角；计算得到目标的高度；计算得到目标速度及航向。本发明利用了不同视场的多台光谱仪对同一动目标的成像关系求解动目标的高度和速度值，解决了准确实施高光谱探测数据大气校正所需要的动目标高度、动目标状态准确描述所需的速度的问题，有利于获得更为准确的空中动目 标光谱特征。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 110057449 A 2019.07.26 C N 110057449 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110057449 A 1.一种基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，对同一场景下不同视场的多台光谱仪探测成像数据进行预处理； 步骤2，对多台光谱仪的探测成像数据进行目标检测，并确定动目标投影在图像中的位置； 步骤3，计算多台光谱仪探测到的目标投影在大地坐标系下X、Y方向的位置差、成像时间差以及成像时目标投影处视轴的方位角、俯仰角； 步骤4，计算得到空中动目标的高度； 步骤5，计算得到空中动目标的速度及航向。 2.如权利要求1的基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法，其特征在于，大地坐标系下X、Y方向的位置差可以通过先计算目标投影在大地坐标系下的坐标，再进行直接坐标相减的方法得到。 3.如权利要求1的基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法，其特征在于，大地坐标系下X、Y方向的位置差还可以先对不同视场的多台光谱仪探测图像进行图像配准，得到不同动目标投影在大地坐标系统X、Y方向的像元差，再乘以探测图像的空间分辨率得到。 4.如权利要求1的基于视场分光高光谱探测的空中目标高度和速度计算方法，其特征在于，所述动目标高度和速度的计算方法也适用于同一仪器或设备对目标的多次成像场景的目标高度计算。 2
