1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100049
3 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081
常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求，通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时，具有40 mm的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm，系统变倍比小于0.22，F数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS）均小于12 μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。
光学设计 成像光谱仪 Offner系统 optical design imaging spectrometer Offner system
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
随着搭载平台技术的不断进步，对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求，轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题，本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导，得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构，并逐步进行优化。同时，在狭缝处引入一块平面反射镜，对望远系统进行折叠，避免狭缝与探测器干涉，并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm，F数优于3，在奈奎斯特频率为 20 lp/mm 时，调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于7 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。
光学设计 成像光谱仪 自准直 轻小型
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201200
为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测，对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后，使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅，通过添加距离约束，将四个光谱通道控制在合理的机械结构范围内，最终设计了一款四通道分光、低F数的光谱仪系统。该系统使用圆阵列转线列光纤，提高了接收系统对大气回波信号的接收强度，实现了对266，289，316，532 nm回波信号强度的精确探测。设计结果表明，光谱仪系统可连接0.12数值孔径的线列光纤，在266，289，316 nm光谱分辨力优于0.5 nm，在532 nm处光谱分辨力优于1 nm，满足激光雷达探测光谱分辨率的要求。分析了光谱仪出射狭缝的曲率半径和圆心位置。该设计可实现激光雷达对气溶胶和臭氧的同时探测，简化了系统结构。
激光雷达 臭氧 紫外 光栅 光谱仪和光谱仪器 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411012
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。
光学设计 成像光谱仪 AOTF 中阶梯光栅 光学学报
2023, 43(19): 1922001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 许健民气象卫星创新中心, 北京100081
针对超光谱分辨率成像光谱仪多通道探测需求，本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。该成像光谱仪望远系统采用视场离轴的离轴三反结构，分光系统采用了具有小型轻量化优点的改进型Offner结构。通过对Offner光谱仪结构的理论推导，得出了满足超光谱分辨要求的双通道共光路Offner初始结构参数。为了提高成像光谱仪的成像质量，在Offner结构中引入弯月透镜，并对系统进行逐步优化。最终得到的双通道共光路成像光谱仪工作波段为280~300 nm和370~400 nm，在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm时，双通道的调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于9 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。本文研究对天基超光谱探测成像光谱仪小型化、集成化设计具有重要意义。
Offner 光谱成像系统 光学设计 超光谱分辨率 Offner spectral imaging system optical design hyperspectral resolution
大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
为提升半全局匹配（SGM）算法效率，提出一种基于改进匹配代价计算和路径优化策略的立体匹配算法。代价计算阶段，通过对角线取点方式对局部二值模式（LBP）算子进行优化，降低时间复杂度和数据规模；代价聚合阶段，根据聚合逻辑选择5个方向进行扫描线优化，结合灰度相似性约束和距离约束条件，对聚合路径进行自适应权重赋值；再通过赢者通吃（WTA）策略计算初始视差值，通过左右一致性检测和二次多项式插值算法对视差图作进一步优化。最后算法在Middlebury 2.0和3.0数据平台上进行匹配效率验证，实验结果表明，所提算法相比SGM算法在不损失匹配准确度的情况下，代价计算阶段用时减少63.1%，代价聚合阶段用时减少39.3%，算法整体效率提升54.2%，达到效率提升的目的。
机器视觉 稠密匹配算法 改进局部二值模式算子 自适应权重 视差计算 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1615006
1 山东大学空间科学研究院山东大学前沿交叉科学研究院, 山东 青岛 266273
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
基于压缩感知及深度学习理论的光谱观测编码方案存在滤光器件设计与光谱重建过程复杂、设计光谱透过率难以硬件实现等问题,因此从简化光谱观测系统的思路出发,考虑常见干涉滤光器件的制造难度,提出基于对称三对角Toeplitz矩阵的光谱透过率观测编码方案;采用矩阵理论讨论光谱观测矩阵的适定性,并采用数值仿真方法研究其容差能力。理论分析结果表明,随着光谱观测矩阵规模的增大,对称三对角矩阵的条件数增长较慢,上限可控。数值仿真结果表明,采用非负最小二乘算法进行光谱重建,并在保证特定约束的情况下,增加观测矩阵的规模对对称三对角矩阵光谱观测编码方案适定性的影响较小,仍然可以保证很高的光谱测量重建准确度。
成像系统 宽带滤波 计算光谱测量 光谱编码 观测矩阵 光谱重建
1 山东大学空间科学研究院山东大学前沿交叉科学研究院, 山东 青岛 266237
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100049
基于宽带滤波调制的计算光谱成像技术是航空航天光谱成像遥感领域中一种极具应用潜力的新型计算光谱成像技术。目前该技术主要应用于光谱测量仪器的小型化领域,缺少针对光谱成像遥感领域的相关研究。因此,针对该技术应用于光谱成像遥感领域的可行性开展实验研究。首先简要介绍宽带滤波调制光谱成像技术的基本原理;然后针对空间光学遥感工程的实际需求,采用彩色玻璃滤光片结合工业相机搭建宽带滤波调制光谱成像的原理样机系统,并对其进行光谱成像实验验证;最后分析评价所获取的光谱图像,研究影响该技术的测量精度及其主要影响因素。实验结果表明,该技术的重建光谱准确度约为23%,获取的光谱图像边缘也较为清晰,噪声约为23 dB。
成像系统 光谱成像 宽带滤波 光谱调制编码 高通量 光谱重建
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
针对高精度空间光学定量遥感的需求，研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式:在窄带工作模式下，由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准; 在宽带工作模式下，作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标，测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源，采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示: 基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09% 和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明，该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。
辐射度学 光学遥感 辐射定标 光源 数字微镜器件(DMD) radiometry remote sensing radiance calibration source Digital Micromirror Device(DMD)
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足地面/空间辐射定标和太阳/大气遥感测量的应用需求, 开发了一种基于Gershun管(光阑筒式结构)的高精度光谱辐射计。介绍了Gershun管光谱辐射计的设计, 对其探测器光谱响应度、空间响应均匀性、角度响应特性和视场内外辐射响应特性进行了测试, 将基于探测器标准的Gershun管光谱辐射计与基于光谱辐射光源标准的Gershun管光谱辐射计进行了比对, 并分析了其标准不确定度范围。实验表明, Gershun管光谱辐射计的光谱响应度重复性为0.3%, 区域响应度均匀性为0.3%, 角度响应与余弦分布一致性为0.2%, 视场外辐射抑制能力为2.1×10-4; Gershun管光谱辐射计与光谱辐射光源标准比对的标准不确定度为2.83%, 实验测试结果与理论结果的一致性为0.17%。所设计的Gershun管光谱辐射计可以满足应用需求。
测量 辐射计 辐射定标 Gershun管光谱辐射计 不确定度
