长波红外高光谱成像仪光学技术研究

发布时间：2017-10-03 23:02

  本文关键词：长波红外高光谱成像仪光学技术研究

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【摘要】：高光谱成像仪的精细分光能力能探测出物质微小的差异,而长波红外谱段是大气的主要透过窗口之一,又是地物光谱特征的重要覆盖区域,因此长波红外高光谱成像仪在遥感应用领域,尤其是在矿物勘探,化学化工,城市热流分析以及军事等方面,具有重要的应用价值。本文首先介绍了国内外长波红外高光谱成像仪的研究发展现状,指出长波红外高光谱成像技术必定也会像可见短波高光谱成像技术一样,向着宽幅、高分辨率的方向发展。接着对长波红外精细分光方式进行了详细的研究,发现光栅色散型分光方式在长波红外波段具有独特的优势。利用改进型的Offner结构设计了一款长狭缝小F数的光谱仪以及与之匹配的望远镜,并对核心器件凸面闪耀光栅进行了深入的设计分析。最后讨论了长波红外系统背景辐射抑制方法,为仪器的性能提升打下了坚实的基础。论文的主要研究内容及创新点如下:1.设计并实现了国内首个基于凸面闪耀光栅分光的长波红外光谱仪的光学系统,该系统采用改进型的同轴Offner结构,性能指标先进。其狭缝视场达到60mm,F数为2,成像弥散斑半径小于5μm,MTF达到衍射极限,光谱弯曲及光谱畸变均小于10μm。2.对核心分光器件进行了深入的研究,提出了一种先进行衍射效率优化设计,再进行基本结构参数计算的闪耀光栅设计方法,并评估各类参数误差对光栅最终性能造成的影响,为多种槽型结构的凸面闪耀光栅更灵活的应用于成像光谱仪奠定基础。3.研究了高阶非球面在简化光学结构方面的应用,并仅用6片透镜设计了一款视场60°、F数为2、近似像方远心的透射式望远镜,适用于宽幅高分辨率的高光谱成像系统。4.分析了长波红外高光谱成像仪背景辐射的抑制方法,提出多种常温抑制手段联合可以大幅降低背景辐射的影响,在仪器200K的温度下即可达到单一制冷到100K温度下的背景辐射抑制效果。
【关键词】：长波红外 光谱成像 Offner结构 凸面闪耀光栅 背景辐射抑制
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 长波红外高光谱成像技术概述12-17
• 1.1.1 红外谱段划分12-13
• 1.1.2 高光谱成像技术13-15
• 1.1.3 长波红外高光谱成像仪的应用15-17
• 1.2 长波红外高光谱成像仪的研究情况17-22
• 1.2.1 国外长波红外高光谱成像仪研究情况17-21
• 1.2.2 国内长波红外高光谱成像仪研究情况21-22
• 1.3 研究内容及意义22-24
• 第2章 长波红外光谱仪技术研究24-47
• 2.1 光谱仪分光方式研究24-31
• 2.1.1 传统色散型分光技术24-26
• 2.1.2 传统干涉型分光技术26-27
• 2.1.3 其他新型分光技术27-30
• 2.1.4 适用于LWIR光谱仪的分光技术30-31
• 2.2 光栅色散型LWIR光谱仪31-35
• 2.2.1 基于平面光栅的LWIR光谱仪31-32
• 2.2.2 基于凹面光栅的LWIR光谱仪32-33
• 2.2.3 基于凸面光栅的LWIR光谱仪33-34
• 2.2.4 三种面型光栅分光系统比较34-35
• 2.3 长狭缝小F数LWIR光谱仪设计35-40
• 2.3.1 技术指标要求35-36
• 2.3.2 优化设计及结果36-40
• 2.4 光谱仪系统的评价40-46
• 2.4.1 光谱仪的像质评价40-44
• 2.4.2 光谱仪的光谱特性评价44-46
• 2.5 本章小节46-47
• 第3章 核心分光器件研究47-64
• 3.1 闪耀光栅的基本特性47-51
• 3.1.1 闪耀光栅方程47-49
• 3.1.2 光强分布49
• 3.1.3 光栅色散率49-50
• 3.1.4 光栅光谱分辨率50-51
• 3.2 闪耀光栅槽结构类型及衍射效率51-54
• 3.2.1 闪耀光栅槽结构类型51-53
• 3.2.2 衍射效率计算53-54
• 3.3 光谱仪用闪耀光栅的设计54-59
• 3.3.1 衍射效率优化设计55-57
• 3.3.2 结构参数设计57-59
• 3.4 参数误差的影响分析59-62
• 3.4.1 刻线误差的影响59
• 3.4.2 入射角变化的影响59-60
• 3.4.3 闪耀角误差的影响60-61
• 3.4.4 刻槽质量的影响61-62
• 3.5 本章小节62-64
• 第4章 前置望远镜技术研究64-77
• 4.1 前置望远镜技术要求64-65
• 4.2 前置望远镜设计方案65-67
• 4.2.1 技术指标要求65
• 4.2.2 结构选型65-66
• 4.2.3 长波红外材料特性66-67
• 4.3 优化设计及结果67-72
• 4.4 成像光谱仪一体化及其像质评价72-76
• 4.4.1 望远镜光谱仪一体化设计72-73
• 4.4.2 像质评价73-76
• 4.5 本章小节76-77
• 第5章 长波红外成像光谱仪背景辐射抑制技术研究77-96
• 5.1 热辐射基本理论77-78
• 5.2 目标信号辐射计算78-79
• 5.3 长波红外成像光谱仪背景辐射分析79-83
• 5.4 长波红外背景辐射抑制方法83-95
• 5.4.1 系统制冷83-88
• 5.4.2 冷屏设计88-90
• 5.4.3 制冷滤光片滤光技术90-91
• 5.4.4 降低光机表面发射率技术91-95
• 5.4.5 电子学调制技术95
• 5.5 本章小节95-96
• 第6章 长波红外成像光谱仪可行性分析及验证96-113
• 6.1 光学系统容差分析96-102
• 6.1.1 光谱仪容差分析96-98
• 6.1.2 望远镜容差分析98-102
• 6.2 光学系统装配方案102-107
• 6.2.1 系统装调流程102-103
• 6.2.2 光谱仪详细装配方案103-107
• 6.2.3 望远镜装配方案107
• 6.3 光学系统调试方案107-110
• 6.3.1 光谱仪调试方案107-108
• 6.3.2 望远镜调试方案108-109
• 6.3.3 成像光谱仪整机调试方案109-110
• 6.4 成像光谱仪整机测试110-112
• 6.4.1 MTF测试110-111
• 6.4.2 噪声等效温差测试111-112
• 6.5 本章小节112-113
• 第7章 结论和展望113-115
• 7.1 结论113-114
• 7.2 展望114-115
• 参考文献115-119
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果119

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