新型Dyson高光谱成像系统研究

发布时间：2020-06-09 18:17

【摘要】：本论文针对小型空、天平台(如无人机、立方星)以及实验室、野外试验和车载平台对高性能和小型化高光谱成像仪器的迫切需求,在中国科学院光谱成像技术重点实验室基金的支持下,完成了一种新型Dyson高光谱成像技术的研究并研制了样机,该技术具有相对孔径大、结构紧凑、体积小、重量轻等优点,在保证仪器实现高信噪比的同时,有效地消除了谱线弯曲、色畸变等问题。本文创新性地提出物面-像面分离的设计思想,对传统Dyson结构进行了改进和优化,有效解决了传统Dyson高光谱成像系统中各关键部件在空间上的重叠问题,突破了该类型高光谱成像技术难以工程实现的技术难点。基于该设计思想,设计出相对孔径达到1/1.5、光谱分辨率达到1.67nm、视场角达到36.87°的高性能高光谱成像系统。为验证本文提出的新型Dyson高光谱成像技术的正确性,研制了的原理样机,该样机的光谱分辨率设计值1.6nm,并且具有1/2.5的大相对孔径和0.22mrad的高空间分辨能力,而样机体积仅为96mm×120mm×260mm,重量仅1.7千克。同时,对该原理样机进行了光谱定标、室外推扫实验和外场飞行等实验。定标结果显示:平均光谱分辨率测定值为1.62nm,色畸变为0.1%,谱线弯曲为4μm,与理论设计结果相符。飞行实验结果表明,该新型Dyson高光谱成像系统具有稳定性好、光谱分辨率高、体积小、重量轻、外形规则、功耗低、容易与平台接口对接等优点。论文包括以下几个部分:1.介绍了本文选题的背景和意义和光谱成像技术的主要应用领域。对国内外的研究现状进行了系统的论述,在此基础上总结出光谱成像技术向着大视场、高信噪比或高分辨率、小型化等方向发展的趋势,并指出基于Dyson结构的高光谱成像技术满足上述发展方向。2.论述了光谱成像仪的基本原理和实现方式,重点介绍了滤光片型、干涉型和色散型光谱成像技术的原理。通过各种原理性能对比,指出基于Dyson结构的高光谱成像技术是一种最适合完成小型化高性能光谱成像仪器的技术形式。3.分析了Dyson结构光学特性和Dyson光谱成像仪的像差特性。证明了Dyson结构的赛德尔像差为0,具有良好的光学性能。将光栅分光对像差的影响引入系统中进行分析,得出等间距平行刻蚀的光栅不会引入额外像差。完成了公式推导,为Dyson高光谱成像仪的设计提供理论基础。4.提出物面-像面分离的设计思想,对Dyson高光谱成像系统进行了改进和优化,解决了传统Dyson高光谱成像技术由于紧凑结构带来的空间部件重叠问题。采用该设计,通过普通工业相机即可完成小型化高光谱成像仪的紧凑布局和快速构建。并基于该设计思想设计出了一种新型的Dyson高光谱成像系统,实现了大视场、大相对孔径、高光谱分辨的光谱成像目的。5.研制出新型Dyson高光谱成像仪原理样机。在研制中提出了一种大相对孔径、中等焦距和视场的远心望远物镜的设计形式,具有高分辨成像能力,在76lp/mm处仍具有接近衍射极限的成像效果,极其适合基于小像元CMOS器件的光谱成像系统。同时,提出了Dyson高光谱成像技术的一体化设计方法,系统成像质量明显得以改善。分析了样机系统信噪比,充分证明了设计的优越性。6.对新型Dyson高光谱成像样机进行了光谱、辐射定标、室外试验和飞行试验。充分验证了新型Dyson高光谱成像样机的优越性、稳定性,获取了良好的光谱图像数据。
【图文】：

矿物,蚀变,分布图,高光谱图像

像合一”的特点，在众多的应用领域均具有广阔的应用前景和潜力。在国民经济建设、生活生产等民用领域的主要应用包括：1)矿物探查和地质勘探矿物探查和地质勘探是光谱成像仪最早应用的方向。各种矿物和岩石在不同光谱谱段上具有各自的光谱特征，利用高光谱数据的光谱信息能够很好的进行矿物和岩石诊断，确定岩矿分布特征，反演矿物丰度分布，从而进行快速、准确、高效的完成现代地质填图和矿物填图[7][8][9][10]。利用光谱成像技术进行矿物勘探和地址勘探的成功案例非常多。利用AVIRIS 的高光谱图像数据，科研人员在 1995 年编制内达华州赤铜矿分布。1998年利用 USGS 的光谱库和 AVIRIS 图像对美国黄石国家公园进行矿物填图。2004年利用 HyMap 高光谱图像遥感调查了陶土分布区，生成了陶土丰度图。2004年利用 AVIRIS 高光谱图像数据对透闪石、阳起石及滑石的矿物分布图进行编制等等[11]。

高光谱,光谱反射,表观,类型

图 1.2 高光谱成像分析海底类型及不同类型的表观光谱反射图 1.3 利用高光谱成像数据进行海水深度反演和海岸地貌探测农、林、牧业应用业部关于《“十三五”农业科技发展规划》中指出，，精准农业与智慧农技任务的重点是工科农业信息的智能化感知和识别关键技术。光谱成实现智慧农业和精准农业的重要技术之一，光谱成像技术利用植物叶
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.1

【参考文献】