高光谱遥感能够提供丰富的地球表面信息, 因而受国内外学者的广泛关注。 受到技术与工艺水平影响, 目前单个高光谱相机无法同时满足成像大视场和高分辨率的应用需求。 拼接式高光谱相机技术将多个高光谱相机组合成一个成像系统, 有效地扩大了高光谱相机的视场, 在精准农业、 对地观测、 环境监测等方面有着广泛的运用。 由于探测器像元响应, 光学系统, 电子学系统等因素的影响, 高光谱相机的焦平面阵列在同一均匀辐射源下, 探测器单个像元输出会出现不一致的现象, 该现象即为高光谱相机的非均匀性。 拼接式高光谱相机的非均匀性会严重影响相机成像质量与图像判读。 目前, 非均匀性校正主要分为基于定标的校正方法和基于场景的校正方法两大类。 通过对中国科学院空天信息创新研究院研制的拼接式高光谱相机非均匀性的分析, 建立了单台相机和多台相机间的非均匀性模型, 并根据非均匀性模型提出了一种基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法。 该方法综合运用了实验室定标数据与实时飞行数据, 利用实验室辐射定标校正单台相机非均匀性, 利用相机间重叠视场并引入小波滤波计算非均匀性系数校正多相机间的非均匀性。 由于该方法在实验室仅需要对单台相机进行辐射定标, 因此也摆脱了需要大口径积分球光源的限制。 开展了一系列对不同方法处理后图像质量进行评价的实验。 选取了存在非均匀性两个不同的波段图像作为原始图像, 并用该方法与对比方法对原始图像进行处理。 为了能够定量地对不同方法的校正效果进行对比, 引入了图像质量的提高系数(IF), 非均匀性(NU)与光谱角(SA)三个评价指标。 结果证明, 本文提出的基于重叠视场的拼接式高光谱相机非均匀性校正方法具有最好的非均匀性校正效果, 同时最大程度保留了光谱特性。

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面, 重量轻, 易集成, 可实现多种功能, 被广泛应用于诸多领域。 传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦, 无法满足系统集成化需求。 不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差, 超表面依靠界面相位变化来进行相位调控, 可实现十分轻薄的光学系统。 研究传输相位型超表面, 使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。 将超表面引入光谱成像系统中, 通过优化亚波长结构尺寸, 进行结构排布, 开展超表面光谱成像系统研究, 实现多波长色散与聚焦独立调控。 利用该方法, 扫描不同单元结构参数对相位的影响, 依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布, 仿真实现了一个波段范围为510~720 nm, 焦距为2 mm, 谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。 通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布, 并分析了系统的成像性能。 相比于传统光栅或棱镜分光结构, 超表面光谱成像系统可有效减小系统体积, 其超轻、 超薄、 便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性, 为小型化、 轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420~2500 nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350 mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。

光学观测是空间目标识别的重要手段, 由于探测距离远, 视场中的空间目标多呈现为非分辨的点目标。 相比于传统的定轨测量和光度测量, 光谱探测提供了波长维的可分辨信息, 极大的提升了目标表面材质判别能力, 并为目标状态反演提供了更可靠的依据, 极具应用潜力。 介绍了近年来国内外学者在空间点目标光谱探测及特征识别方面的典型研究进展, 依据主要研究方法, 分为多通道测光探测、 高光谱探测、 实验室光谱特性测量、 目标特性建模仿真四个方向。 其中, 多通道测光获得了低光谱分辨率的测量数据, 是常用的广域空间目标分类判别手段; 高光谱探测研究反射能量在波长维的精细分布, 有助于反演重点目标的材质组成; 实验室光谱特性测量可在受控条件下模拟目标探测的物理过程, 提供材质光谱特性数据库; 目标特性建模仿真则对物理属性抽象特征化, 研究目标光谱变化过程。 通过分析国内外研究成果, 总结当前研究的能力与不足, 提出几点研究思路, 为后续研究开展提供参考。

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求, 克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、 成本高的不足, 提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。 将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前, 利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制, 使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型, 采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。 量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、 能量利用率高、 体积小、 光谱范围宽和成本低等优势。 分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响, 以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。 分析得出谱段间隔越低, 光谱分辨率越高; 重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低; 适当的提高谱段间隔, 可以提高重建的准确性。 将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比, 可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好, 验证了该技术的可行性。 量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径, 在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。

在时间调制傅里叶变换光谱仪中, 直线运动型动镜很难精确驱动, 容易引起倾斜和剪切的问题。 旋转型动镜可以解决该类问题。 介绍了一种转镜式傅里叶变换光谱仪方案, 并对其进行了原理分析和光程差公式推导, 提出了工程设计约束条件。 该光谱仪由一个分束器, 两个固定平面镜, 两面平行固定在一个转轴上旋转的平面反射镜, 前置镜, 后置镜及探测器组成。 通过原理介绍得出, 该光谱仪结构简单, 两条分光光线经同一平面镜反射后干涉, 使仪器更容易装调;通过光程差推算得出, 该光谱仪容易实现大光程差, 光谱分辨率高;通过工程设计约束及仿真分析得出, 该光谱仪需要在高速旋转的条件下实现高分辨率采样, 容易实现精确运动控制, 稳定性好, 测量速度快。

线性渐变滤光片(LVF)被广泛应用于各种小型快速分光测试设备中.分光特性进行研究,给出了其分光特性的高斯函数表达式,分析了各个参数与线性渐变滤光片中心透过率、谱线宽度和线性渐变系数等特性的关系.将光谱成像仪标定的单色仪法引入线性渐变滤光片的分光特性检测中,讨论了检测系统的敏感性,并给出了相应的误差容限公式.分析表明单色仪出射狭缝相对光轴平移量,以及滤光片倾斜角度对检测精度影响最大,实际测量中可通过光路和系统机构的调整达到精度要求.构建检测系统完成了对成品线性渐变滤光片分光特性的检测,结果表明对中心透过率的测量均方根误差小于0.05%,验证了方法的精确性,普适性,检测结果可为线性渐变滤光片相关系统的设计和标定提供参数指导.

对地球大气温室气体进行高精度的探测, 是当今数值天气预报和气候与大气环境变化监测的发展需求。 利用OP/FTIR测量法, 将一台国内率先自行研制的中波红外反射转镜式干涉光谱仪, 首次成功地用于地表大气CO2红外吸收光谱的测量。 该反射转镜式干涉光谱仪的工作谱段为2 100～3 150 cm-1, 光谱分辨率为2 cm-1。 设计了大气成分探测方法, 建立了大气浓度参数反演数理依据和定量分析算法。 采用基于比尔定律的直接法和基于HITRAN数据库及仪器函数的仿真拟合法, 建立了反演模型, 并对CO2分子的浓度进行了反演。 根据观测和模型分析, CO2的浓度反演结果在300～370 ppm, 呈现出随自然环境变化先缓慢降低再快速升高的趋势, 并在下午至傍晚之间达到低值; 同时, 随时间的变化, 用直接法计算的CO2浓度和用拟合法的仿真值表现出了良好的一致性, 所有测量数据之间的相关性高达99.79%, 相对误差不超过2.00%, 达到了较高的反演精度。 结果表明, 在遥感测量大气成分方面, 基于红外反射转镜式干涉光谱仪的OP/FTIR法是可行且有效的技术手段, 直接法或拟合法皆可实现高精度的浓度反演。

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成, 针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求, 通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析, 并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构, 研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系, 给出了附加光程差公式和误差容限公式, 对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。 结果表明, 相比Sagnac型横向剪切干涉仪, 因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移, 为保证过零单边采样的要求, 需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束, 其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm; 而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%, 基本可以忽略不计。