【摘要】：本論文針對(duì)小型空、天平臺(tái)(如無人機(jī)、立方星)以及實(shí)驗(yàn)室、野外試驗(yàn)和車載平臺(tái)對(duì)高性能和小型化高光譜成像儀器的迫切需求,在中國科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金的支持下,完成了一種新型Dyson高光譜成像技術(shù)的研究并研制了樣機(jī),該技術(shù)具有相對(duì)孔徑大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),在保證儀器實(shí)現(xiàn)高信噪比的同時(shí),有效地消除了譜線彎曲、色畸變等問題。本文創(chuàng)新性地提出物面-像面分離的設(shè)計(jì)思想,對(duì)傳統(tǒng)Dyson結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,有效解決了傳統(tǒng)Dyson高光譜成像系統(tǒng)中各關(guān)鍵部件在空間上的重疊問題,突破了該類型高光譜成像技術(shù)難以工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)�；谠撛O(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)出相對(duì)孔徑達(dá)到1/1.5、光譜分辨率達(dá)到1.67nm、視場(chǎng)角達(dá)到36.87°的高性能高光譜成像系統(tǒng)。為驗(yàn)證本文提出的新型Dyson高光譜成像技術(shù)的正確性,研制了的原理樣機(jī),該樣機(jī)的光譜分辨率設(shè)計(jì)值1.6nm,并且具有1/2.5的大相對(duì)孔徑和0.22mrad的高空間分辨能力,而樣機(jī)體積僅為96mm×120mm×260mm,重量?jī)H1.7千克。同時(shí),對(duì)該原理樣機(jī)進(jìn)行了光譜定標(biāo)、室外推掃實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)飛行等實(shí)驗(yàn)。定標(biāo)結(jié)果顯示:平均光譜分辨率測(cè)定值為1.62nm,色畸變?yōu)?.1%,譜線彎曲為4μm,與理論設(shè)計(jì)結(jié)果相符。飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該新型Dyson高光譜成像系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、光譜分辨率高、體積小、重量輕、外形規(guī)則、功耗低、容易與平臺(tái)接口對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)。論文包括以下幾個(gè)部分:1.介紹了本文選題的背景和意義和光譜成像技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的論述,在此基礎(chǔ)上總結(jié)出光譜成像技術(shù)向著大視場(chǎng)、高信噪比或高分辨率、小型化等方向發(fā)展的趨勢(shì),并指出基于Dyson結(jié)構(gòu)的高光譜成像技術(shù)滿足上述發(fā)展方向。2.論述了光譜成像儀的基本原理和實(shí)現(xiàn)方式,重點(diǎn)介紹了濾光片型、干涉型和色散型光譜成像技術(shù)的原理。通過各種原理性能對(duì)比,指出基于Dyson結(jié)構(gòu)的高光譜成像技術(shù)是一種最適合完成小型化高性能光譜成像儀器的技術(shù)形式。3.分析了Dyson結(jié)構(gòu)光學(xué)特性和Dyson光譜成像儀的像差特性。證明了Dyson結(jié)構(gòu)的賽德爾像差為0,具有良好的光學(xué)性能。將光柵分光對(duì)像差的影響引入系統(tǒng)中進(jìn)行分析,得出等間距平行刻蝕的光柵不會(huì)引入額外像差。完成了公式推導(dǎo),為Dyson高光譜成像儀的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。4.提出物面-像面分離的設(shè)計(jì)思想,對(duì)Dyson高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,解決了傳統(tǒng)Dyson高光譜成像技術(shù)由于緊湊結(jié)構(gòu)帶來的空間部件重疊問題。采用該設(shè)計(jì),通過普通工業(yè)相機(jī)即可完成小型化高光譜成像儀的緊湊布局和快速構(gòu)建。并基于該設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出了一種新型的Dyson高光譜成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑、高光譜分辨的光譜成像目的。5.研制出新型Dyson高光譜成像儀原理樣機(jī)。在研制中提出了一種大相對(duì)孔徑、中等焦距和視場(chǎng)的遠(yuǎn)心望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)形式,具有高分辨成像能力,在76lp/mm處仍具有接近衍射極限的成像效果,極其適合基于小像元CMOS器件的光譜成像系統(tǒng)。同時(shí),提出了Dyson高光譜成像技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)成像質(zhì)量明顯得以改善。分析了樣機(jī)系統(tǒng)信噪比,充分證明了設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。6.對(duì)新型Dyson高光譜成像樣機(jī)進(jìn)行了光譜、輻射定標(biāo)、室外試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。充分驗(yàn)證了新型Dyson高光譜成像樣機(jī)的優(yōu)越性、穩(wěn)定性,獲取了良好的光譜圖像數(shù)據(jù)。
【圖文】：

像合一”的特點(diǎn)，在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生活生產(chǎn)等民用領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括：1)礦物探查和地質(zhì)勘探礦物探查和地質(zhì)勘探是光譜成像儀最早應(yīng)用的方向。各種礦物和巖石在不同光譜譜段上具有各自的光譜特征，利用高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息能夠很好的進(jìn)行礦物和巖石診斷，確定巖礦分布特征，反演礦物豐度分布，從而進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、高效的完成現(xiàn)代地質(zhì)填圖和礦物填圖[7][8][9][10]。利用光譜成像技術(shù)進(jìn)行礦物勘探和地址勘探的成功案例非常多。利用AVIRIS 的高光譜圖像數(shù)據(jù)，科研人員在 1995 年編制內(nèi)達(dá)華州赤銅礦分布。1998年利用 USGS 的光譜庫和 AVIRIS 圖像對(duì)美國黃石國家公園進(jìn)行礦物填圖。2004年利用 HyMap 高光譜圖像遙感調(diào)查了陶土分布區(qū)，生成了陶土豐度圖。2004年利用 AVIRIS 高光譜圖像數(shù)據(jù)對(duì)透閃石、陽起石及滑石的礦物分布圖進(jìn)行編制等等[11]。

圖 1.2 高光譜成像分析海底類型及不同類型的表觀光譜反射圖 1.3 利用高光譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行海水深度反演和海岸地貌探測(cè)農(nóng)、林、牧業(yè)應(yīng)用業(yè)部關(guān)于《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》中指出，，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)技任務(wù)的重點(diǎn)是工科農(nóng)業(yè)信息的智能化感知和識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)。光譜成實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一，光譜成像技術(shù)利用植物葉
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH744.1

【參考文獻(xiàn)】

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2 孫佳音;劉英;李淳;劉建卓;張曉龍;孫強(qiáng);;Offner型與Dyson型長(zhǎng)波紅外成像光譜儀性能對(duì)比研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2014年10期

3 嚴(yán)羚瑋;;寬波段高分辨率Dyson成像光譜儀設(shè)計(jì)研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2014年04期

4 薛慶生;王淑榮;于向陽;;大相對(duì)孔徑寬波段Dyson光譜成像系統(tǒng)[J];光學(xué)精密工程;2013年10期

5 麻永平;張煒;劉東旭;;高光譜偵察技術(shù)特點(diǎn)及其對(duì)地面軍事目標(biāo)威脅分析[J];上海航天;2012年01期

6 劉玉娟;唐玉國;巴音賀希格;崔繼承;齊向東;;紅外成像光譜測(cè)量中Dyson光學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J];光譜學(xué)與光譜分析;2012年02期

7 相里斌;呂群波;黃e

本文編號(hào)：2705065