机载高光谱成像仪成像质量研究

发布时间：2017-05-16 20:04

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【摘要】：高光谱成像遥感是在多光谱成像遥感技术基础上发展起来的探测技术。它具有光谱分辨率高、光谱波段数多、信息量丰富等特点,显著提高了探测地球表面特征和物体性质的能力,在矿产资源调查和军事伪装揭露等方面有着广泛的应用。高光谱成像仪的应用以定量化的数据为基础,不仅需要获取清晰的图像,还需要遥感数据具有足够的光谱稳定性。所以研究高光谱成像仪成像质量对高光谱成像仪的研制及其应用等具有重要的工程实际意义。本文针对矿物勘察应用的机载高光谱成像仪,研制了工程样机,分析了机载成像环境(主要为温度和姿态)变化对仪器成像质量的影响,研究了仪器的成像特性及光谱稳定性。基于这些理论分析,利用工程样机开展了高光谱成像仪的飞行成像试验,对所获得的遥感图像进行了成像质量分析与评价,验证了仪器成像特性和光谱稳定性。首先,完成了机载高光谱成像仪工程样机的研制。根据技术指标要求,提出了模块化设计方案,确定并采用了L形板基座整合设计方案,开展了光机结构设计。利用MSC.PatranMSC.Nastran软件对光机结构进行了有限元工程分析,结果表明仪器具有较好的刚度特性及面形精度,整机基频达到297.8 Hz、主反射镜RMS值仅有4.6 nm。最终,完成了机载高光谱成像仪样机的加工、装调及相关技术指标的检测和定标工作。接着,在上述工作的基础上,针对机载成像环境中典型因素(环境温度、载机姿态变化)对高光谱成像仪成像质量的影响,进行了深入的理论分析,开展了仪器成像特性及光谱稳定性研究。首先,研究了温度对高光谱成像仪成像质量的影响。根据机载高光谱成像仪热设计及相关试验数据,分析了机载环境下实际温度载荷的特点;以最小二乘拟合法和齐次坐标变换法为理论依据,编制了刚体位移及面形误差求解程序;对变形过后的光学系统进行了光线追迹,研究了其谱线漂移特性及温度对系统传递函数的影响。结果表明,±10℃温度变化范围内,谱线稳定性较好,不需要再进行光谱定标和光谱修正。接着,分析了姿态对高光谱成像仪成像质量的影响。利用齐次坐标变换法建立了像移速度矢量精确计算模型;提出了像质对姿态精度的要求,确定了稳定平台的补偿精度要求;分析了平台姿态补偿误差对像移速度的影响;研究了给定成像质量要求的飞行参数指标的分配问题,进行了像移速度误差分析。结果表明,稳定平台能有效补偿姿态,满足成像质量的要求。最后,开展了高光谱成像仪室内成像试验和小面积区域航空飞行成像试验。对所获得航拍图像数据,用刃边法测量其传递函数,进行了成像质量评价;从图像数据中提取地物光谱曲线,以氧气吸收峰位置偏移量验证了其光谱稳定性。结果表明,机载高光谱成像仪有较好的成像质量和光谱稳定性。本课题后续可进一步完善机载高光谱成像仪,提高仪器对地物目标识别和分类的准确度,使其能够承担一定业务量的地质遥感飞行任务。
【关键词】：高光谱成像仪 光机结构设计 像移速度矢量 调制传递函数 谱线漂移 成像质量评价
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P627;V243.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.1.1 课题研究背景13-14
• 1.1.2 课题研究的任务、目的和意义14-15
• 1.2 相关领域的研究现状15-25
• 1.2.1 高光谱成像仪发展15-19
• 1.2.2 空间成像环境对像质影响的研究进展19-22
• 1.2.3 光学系统成像质量的评价22-25
• 1.3 论文主要内容和结构安排25-27
• 1.3.1 论文研究对象25
• 1.3.2 论文主要内容25-27
• 第2章 理论基础27-37
• 2.1 光机结构设计思路27-28
• 2.2 模态分析基本理论28-29
• 2.3 光学元件面形精度分析29-31
• 2.4 齐次坐标变换法31-34
• 2.5 随机误差分析34-35
• 2.6 刃边法测量MTF原理35-37
• 第3章 机载高光谱成像仪总体方案及结构设计37-73
• 3.1 引言37-39
• 3.2 机载高光谱成像仪光机结构设计39-48
• 3.2.1 总体思路及布局39-41
• 3.2.2 光机结构优化设计41-48
• 3.3 光谱仪系统整机装配组件的工程分析48-53
• 3.3.1 有限元模型49-50
• 3.3.2 整机模态分析50-52
• 3.3.3 光学元件面形分析52-53
• 3.4 高光谱成像仪装调测试53-64
• 3.4.1 高光谱成像仪加工检测54-58
• 3.4.2 光机分系统装调测试58-64
• 3.4.3 整机集成64
• 3.5 高光谱成像仪定标64-71
• 3.5.1 光谱定标试验65-68
• 3.5.2 辐射定标试验68-71
• 3.6 本章小结71-73
• 第4章 航空成像环境对高光谱成像仪成像质量的影响73-99
• 4.1 引言73-74
• 4.2 载机环境温度对高光谱成像仪成像质量的影响74-85
• 4.2.1 机载温度环境的特点74-76
• 4.2.2 温度对机载高光谱成像仪谱线漂移的影响76-81
• 4.2.3 热光学试验81-82
• 4.2.4 温度对高光谱成像仪光学传递函数的影响82-85
• 4.3 载机飞行姿态对高光谱成像仪成像质量的影响85-96
• 4.3.1 像移速度向量模型推导85-87
• 4.3.2 成像质量对飞行姿态的要求与分析87-89
• 4.3.3 载机姿态参数对成像的影响分析89-93
• 4.3.4 误差分析93-96
• 4.4 本章小结96-99
• 第5章 机载高光谱成像仪成像质量试验验证99-117
• 5.1 引言99
• 5.2 飞行成像试验99-106
• 5.2.1 地面成像试验99-100
• 5.2.2 航空飞行成像试验100-106
• 5.3 试验结果分析106-116
• 5.3.1 图像数据传函测量106-112
• 5.3.2 光谱稳定性分析112-116
• 5.4 本章小结116-117
• 第6章 总结与展望117-121
• 6.1 论文主要工作及创新点117-118
• 6.2 研究展望118-121
• 参考文献121-131
• 在学期间学术成果情况131-133
• 指导教师及作者简介133-135
• 致谢135-136

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