基于阶跃集成滤光片分光的红外光谱成像技术研究

发布时间：2017-03-28 08:15

  本文关键词：基于阶跃集成滤光片分光的红外光谱成像技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：航天成像光谱技术作为遥感领域内重要的一项观测技术,提供了大量高空间分辨率、高光谱分辨率的图谱数据,促进了国民经济建设中诸多行业的迅速发展。这些行业的发展亦对空间分辨率、光谱分辨率和谱段数目提出了更高的要求。然而,不断提高的空间/光谱分辨率大大增加了成像光谱仪设计过程中仪器功耗、体积、重量的约束难度。本课题基于近年来迅速发展成熟的阶跃集成滤光片技术,围绕以下几个方面,对轻小型化的中短波红外成像光谱仪的关键技术展开了研究。论文从中短波红外光谱成像技术轻小型化、分光方案统筹优化这两条核心思路出发,分析对比了多种分光方式。结果表明,色散分光及滤光片分光方式适合于高帧频下的航天高光谱成像应用场景。从理论上推导了信噪比SNR在中短波波段上的等效性,并引入大气散射和仪器背景辐射对信噪比模型进行修正。根据修正后的信噪比模型以及系统衍射限,定量设计了一个15 nm光谱分辨率、10 m地物分辨率,工作在500 km轨道高度的短波红外成像光谱仪。结果表明,基于6级TDI的阶跃集成滤光片分光方案能在2.0μm~2.5μm波段上信噪比达到100左右,口径趋近衍射限制,灵敏度和系统体积等均优于色散型分光方案。论文在投影原理以及所设计的高精度集成滤光片—焦平面匹配结构的基础上,给出了平行光输入模式下产生特征图案的方案。通过对比基于最小二乘线性回归的直线边沿亚像素定位方法、基于面积的最小二乘直线边缘亚像素定位方法,以及基于Zernike正交矩的直线边沿亚像素定位方法,选取基于Zernike正交矩的直线边沿亚像素定位方法识别该特征图案,从而完成后安装非侵入式检测,模拟仿真后进行实验。结果显示,集成滤光片旋转失配1.146901°,投影宽度6.09个像元,仅存在旋转失配。对工作状态下的集成滤光片光谱成像系统进行了光谱定标实验,实验表明,集成滤光片在低温下的透过率曲线与常温状态下相差不大。从理论上推导了一种逼近滤光片阻光区域曲线的方法,分析了理论误差。在此基础上,提出了一种不利用单色仪,仅根据不同档温度黑体目标作系统输入,即可反演出高斯型光谱响应曲线的最优表征参数,并证明了最优参数的唯一性,进行了试验。还分析了飞行平台的俯仰、偏航、侧滚对光谱失配的影响,反过来给出了对飞行平台俯仰、偏航、侧滚姿态稳定性的要求。基于集成滤光片的短波红外光谱成像系统实现了高光谱扫描成像,获得了3D数据立方体、伪彩图及64个波段上的灰度图像。最后还给出了通过并行化、云端化提升反演算法速率的建议。
【关键词】：光谱成像 阶跃集成滤光片 Zernike正交矩 非侵入式检测 光谱响应曲线反演
【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】：2015
【分类号】：TN219
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-23
• 1.1 成像光谱技术概述11-13
• 1.2 国内外红外成像光谱技术发展现状13-20
• 1.3 中短波红外光谱成像技术瓶颈20-21
• 1.4 本课题研究意义及内容安排21-23
• 2 红外光谱成像系统技术分析23-43
• 2.1 红外光谱成像系统设计的核心思路23-24
• 2.2 分光技术类型24-28
• 2.2.1 谐衍射型分光技术24-26
• 2.2.2 干涉型分光技术26
• 2.2.3 棱镜/光栅色散型分光技术26-27
• 2.2.4 滤光片分光技术27-28
• 2.3 分光方式的优选分析28-39
• 2.3.1 光谱分辨率29
• 2.3.2 引入仪器背景辐射与大气散射修正的灵敏度模型29-39
• 2.4 阶跃集成滤光片设计研究39-42
• 2.5 本章小结42-43
• 3 高精度匹配结构设计仿真与安装研究43-64
• 3.1 集成滤光片—焦平面的高精度匹配结构设计43-50
• 3.1.1 探测器内部具体结构43-44
• 3.1.2 集成滤光片—焦平面匹配结构设计44-48
• 3.1.3 集成滤光片—焦平面对中标记的设计48-50
• 3.2 集成滤光片—焦平面高精度匹配结构的力学仿真50-58
• 3.2.1 静力学分析51-57
• 3.2.2 热力学分析57-58
• 3.3 集成滤光片—焦平面高精度匹配结构的安装方法58-62
• 3.4 本章小结62-64
• 4 阶跃集成滤光片的后安装检测方法研究64-92
• 4.1 后安装检测的意义64-65
• 4.2 算法设计65-76
• 4.2.1 投影原理65-66
• 4.2.2 平行光的需求分析及产生66-68
• 4.2.3 基于最小二乘线性回归的直线边沿亚像素定位方法68
• 4.2.4 基于面积的最小二乘直线边沿亚像素定位方法68-71
• 4.2.5 基于Zernike正交矩的直线边沿亚像素定位方法71-76
• 4.3 信息获取电子学系统实现研究76-87
• 4.3.1 偏压生成78-80
• 4.3.2 模拟信号调理模块80-84
• 4.3.3 电子学系统主控84-85
• 4.3.4 电子学信息获取系统的噪声测量85-87
• 4.4 集成滤光片后安装检测结果及评估87-91
• 4.4.1 轻微冲击下集成滤光片安装的可靠性研究90-91
• 4.5 本章小结91-92
• 5 集成滤光片带外干扰及光谱定标研究92-123
• 5.1 信息预处理研究92-100
• 5.1.1 探测器的非均匀性处理研究92-97
• 5.1.2 盲元检测方法的研究97-100
• 5.2 光谱带外辐射干扰100-109
• 5.2.1 带外辐射干扰方法研究102-106
• 5.2.2 带外辐射干扰研究方法误差分析106-109
• 5.3 光谱标定方法109-118
• 5.3.1 基于单色仪的光谱定标109-111
• 5.3.2 基于高斯模板最优逼近的光谱定标111-118
• 5.4 平台姿态误差影响研究118-122
• 5.5 本章小结122-123
• 6 综合成像实验123-131
• 6.1 高光谱成像实验123-131
• 7 总结与展望131-134
• 参考文献134-137
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王跃明;祝倩;王建宇;庄晓琼;;短波红外高光谱成像仪背景辐射特征研究[J];红外与毫米波学报;2011年03期

2 孙强,于斌,王肇圻,母国光,卢振武;谐衍射双波段红外超光谱探测系统研究[J];物理学报;2004年03期

3 齐英剑;池娟;张彬;;基于Zernike矩亚像素边缘检测的改进算法[J];西安邮电学院学报;2010年05期

  本文关键词：基于阶跃集成滤光片分光的红外光谱成像技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：271941