大视场三线阵立体航测相机光学系统研究

发布时间：2017-09-25 02:30

  本文关键词：大视场三线阵立体航测相机光学系统研究

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【摘要】：三线阵立体航测相机作为航空摄影测量的典型测绘设备,它可快速获取数字化的基础地理信息,具有体积小、重量轻、宽覆盖、作业效率高,基高比大等优点,是航空摄影测量走向数字时代的升级换代产品,受到许多国家的高度重视。我国在三线阵立体航测相机领域还是空白,与国外差距较大,而目前国外典型三线阵立体航测相机存在工作视场角小,分辨率低等缺点,已难以满足国民经济建设对大比例尺地形图的测绘需求。研制大视场高分辨三线阵立体航测相机一个重要的难点就在于如何解决大视场与高分辨率之间相互制约的关系。传统的高分辨相机只能采取折衷的方法对视场和分辨率兼顾,而要同时实现大视场高分辨率成像,这对光学设计来说是一个不小的挑战。本文以大视场三线阵立体航测相机光学系统为研究对象,主要研究了大视场三线阵航测相机的实现形式、大视场高分辨率光学系统设计、RGB多光谱分光系统以及如何同时实现大视场与高分辨成像等光学问题。主要研究成果包含以下几个方面:1)在分析大视场三线阵立体航测相机的各项技术指标的基础上,提出了三种不同的航测相机系统设计思路,它们分别是非像方远心、像方远心、同心多尺度航测相机光学系统。2)分别对两种传统设计思路(非像方远心和像方远心)的航测相机光学系统、RGB多光谱分光、探测器拼接等分系统进行详细分析与设计,最终完成了传统的大视场高分辨航测相机系统设计,解决了大视场高分辨航测相机设计难题。3)针对传统方法中的RGB多光谱分光难题,开展了多光谱分光系统的研究。提出了一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光方法,解决了近距离探测器多光谱分光难题。论文提出的多光谱分光系统可实现对水平相距仅4个像元的线阵探测器进行多光谱分光。4)在国内较早开展了同心多尺度光学系统的研究,并提出了将同心多尺度方法应用于航空机载测绘相机光学系统的设计思路,成功解决了大视场与高分辨率之间的矛盾,并对该成像技术进行了深入研究。推导了同心物镜近轴成像公式;研究并分析了同心物镜的像差特性,推导了同心物镜消球差、消色差条件;研究了同心多尺度系统的成像特性、系统设计参数预估、中继单元孔径排列以及同心多尺度系统设计方法等,并给出了系统设计流程,最终设计了同心多尺度大视场高分辨三线阵立体航测相机光学系统。5)作为对线阵成像系统的推广,开展了基于面阵探测器的大视场高分辨成像系统的研究。设计了一个焦距60mm,视场角100°×60°,图像像素可达数十亿的大视场高分辨同心多尺度成像系统。6)对三种不同设计思路(非像方远心系统、像方远心系统、同心多尺度系统)的航测相机光学系统进行对比,并分析了同心多尺度大视场航测相机光学系统与传统方法设计的光学系统的优缺点,确定了选择非像方远心系统作为航测相机的光学系统。研究结果也表明:同心多尺度成像系统成功地避开了光学设计和加工、探测器拼接等一系列技术挑战,是实现大视场高分辨成像的有效途径,它将在大视场成像领域,尤其是传统光学设计难以实现的应用场合,获得良好的成像性能,体现出自身广角成像的优势。
【关键词】：三线阵航测相机 立体测绘 线阵推扫 光学系统 同心多尺度、大视场 高分辨率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 引言12
• 1.2 三线阵立体航测相机研究目的与意义12-14
• 1.3 三线阵立体航测相机研究现状与发展趋势14-27
• 1.3.1 国外研究现状14-25
• 1.3.2 国内研究现状25-27
• 1.4 论文主要研究内容27-32
• 第二章 三线阵立体航测相机测绘原理32-48
• 2.1 三线阵立体航测相机成像与立体定向原理32-34
• 2.2 三线阵CCD数字影像坐标关系数学模型34-37
• 2.2.1 框幅像坐标35-36
• 2.2.2 推扫像坐标36-37
• 2.3 三线阵立体航测相机设计基础37-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 非像方远心航测相机光学系统研究48-68
• 3.1 非像方远心系统设计思路48-52
• 3.2 非像方远心系统优缺点52
• 3.3 非像方远心光学系统设计52-59
• 3.4 RGB干涉滤光片59-64
• 3.4.1 多光谱分光方式59-60
• 3.4.2 多光谱分光设计60-64
• 3.5 线阵探测器的拼接64-66
• 3.6 本章小结66-68
• 第四章 像方远心航测相机光学系统研究68-86
• 4.1 像方远心系统设计思路68-70
• 4.2 像方远心光路优缺点70-71
• 4.3 像方远心光学系统设计71-77
• 4.4 RGB分光棱镜设计77-80
• 4.5 光学拼接棱镜设计80-82
• 4.6 像方远心航测相机性能预估82-85
• 4.7 本章小结85-86
• 第五章 同心多尺度航测相机光学系统研究86-138
• 5.1 同心多尺度成像系统概述86-88
• 5.2 同心多尺度系统研究现状88-89
• 5.3 同心光学系统的理论基础89-100
• 5.3.1 同心系统的近轴光路计算90-95
• 5.3.2 同心光学系统的像差及消像差条件95-99
• 5.3.3 同心物镜的成像特性99-100
• 5.4 同心光学系统的设计100-108
• 5.4.1 双层同心光学系统101-105
• 5.4.2 多层同心光学系统105-108
• 5.5 同心多尺度航测相机光学系统的设计108-130
• 5.5.1 同心多尺度系统成像特点108-113
• 5.5.2 同心多尺度系统参数预估及设计方法113-117
• 5.5.3 同心多尺度系统设计117-130
• 5.6 亿万像素同心多尺度高分辨率成像系统130-137
• 5.6.1 光学系统设计130-134
• 5.6.2 中继单元光束分割134-135
• 5.6.3 中继单元阵列的排列135-137
• 5.7 本章小结137-138
• 第六章 三种光学系统设计结果的分析与比较138-158
• 6.1 三种航测相机光学系统设计结果138-141
• 6.2 设计结果的分析与比较141-157
• 6.2.1 成像质量对比143-151
• 6.2.2 视场适用范围分析151-153
• 6.2.3 其他方面对比153-157
• 6.3 本章小结157-158
• 第七章 总结与展望158-162
• 7.1 主要工作总结158-159
• 7.2 论文创新点159-160
• 7.3 后续工作展望160-162
• 参考文献162-168
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果168-169

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