光谱是一种可以表征物质特性的光学信息, 利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像, 成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体, 相应系统的时间分辨率比较低, 不适用于动态目标的光谱获取。 快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势, 其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术, 在采样过程中完成数据压缩, 具有高通量优势, 可以利用单次曝光的混叠数据, 重构出目标光谱数据立方体, 实现快照式成像, 使得对动态的目标进行监测成为可能。 实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设, 实际目标很难满足这样的条件, 重构误差比较大, 不利于对动态的小目标进行监测和识别。 针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取, 提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法, 系统由两个通道组成, 每个通道均包含一个光谱仪, 其色散方向互相垂直, 并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。 该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。 由于两个通道的色散方向互相垂直, 可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。 假设目标出现在视场中前后, 背景的辐射特性变化很小, 利用目标出现前的数据计算出背景光谱; 目标出现后, 通过帧间差分运算, 消除背景辐射的影响, 提取出目标位置对应色散区域中数据, 利用约束最小二乘算法, 重构运动小目标的光谱数据立方体。 进行光谱数据重构, 进行背景光谱补偿后, 获得完整的动态小目标光谱数据。 文章对成像过程建立了数学模型, 并对重构方法进行了仿真验证, 结合编码孔径的统计特征, 使目标随机出现在不同的位置, 统计重构光谱的峰值信噪比概率分布, 并调整目标尺寸, 分析目标尺寸对重构精度的影响, 最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。 结果表明, 这种方法在均匀背景中, 采用随机编码矩阵进行编码, 目标尺寸小于5×5个像元时, 相对于编码孔径成像系统, 提高了目标的信息重构精度和概率, 并且极大的减小了运算量, 可以实现对运动目标的实时监测。

计算光谱成像技术具有高通量、 快照成像等优点, 但快照成像采样数据量不足, 导致利用压缩感知方法重构图谱精度很低。 通过对计算光谱成像技术各个环节进行系统研究, 提出一种新型的连续推扫计算光谱成像技术, 利用正交循环编码孔径代替传统的随机编码孔径, 通过逐行扫描方式及正交变换可完整重构图谱数据。 仿真和实际成像结果表明, 连续推扫计算光谱成像技术可消除图谱混叠影响, 理论上可完全重构图谱信息, 重构图谱精度明显优于传统的计算光谱成像技术。 相比国际上提出的多次曝光计算光谱成像技术, 连续推扫计算光谱成像技术不需要改变编码孔径与探测器间的相对位置, 也不需要凝视成像, 系统中没有活动元件, 稳定性高, 适用于常规航空航天遥感推扫成像。

偏振成像光谱技术可以获取目标景物的七维空间信息,其获取丰富数据信息的能力使它的应用越来越广泛。基于双Amici棱镜对多狭缝偏振成像光谱仪的光学系统进行设计,采用双Amici棱镜作为系统的分光元件提供宽视场平行光束色散,以满足多狭缝的需求;宽视场的多狭缝结构是基于常规狭缝式成像光谱仪结构进行优化的。本系统中宽视场的多狭缝光谱仪结构须做好与前置望远物镜的光瞳衔接。成像系统和偏振光谱仪系统均采用远心结构,以便与光瞳匹配,系统总长度为279 mm,系统光路共轴,结构紧凑;通过调制传递函数(MTF)和点列图对光学系统的像质进行评价。结果表明:全系统在各视场典型波长处的MTF均接近衍射极限,MTF在39 lp/mm处超过了0.75;各典型波长处的点列图均在艾里斑内,接近完美成像;3条狭缝对应3个不同的偏振态,可通过推扫获取目标景物的偏振信息、空间信息和光谱信息。

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法, 解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。 从工作距的角度, 比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。 在大工作距要求下, 采取第一种思路, 即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上, 引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。 建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型, 给出了改进型Dyson光谱成像系统。 设计结果表明: 改进型Dyson光谱成像系统具有12 mm工作距, F/1.8相对孔径, 在0.38～0.9 μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45 nm, 以及接近衍射极限的优良成像性质, MTF在全波段全视场100 lp·mm-1线处大于0.7, 最大像面均方根值半径小于1.2 μm。 同时, 系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制, 保证了获取光谱数据的一致性。 改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点, 而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适, 易于装配。 解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题, 可为大气遥感、 农林调查、 海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统, 对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。

为了进一步提高超分辨卫星载荷光学系统的空间分辨能力, 需对系统杂散光进行抑制, 以得到准确的原始图像.通过光线追迹方式, 分析了系统杂散光, 确认了杂散光的来源.通过Tracepro定量化分析和结构有限元分析, 在限制范围内, 不断优化、改进遮光罩尺寸及挡光环位置, 得到光学系统视场外点源透射比均在10-3以下, 验证了该杂散光抑制方案的有效性, 为卡塞格林光学系统的工程应用提供参考.

大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器, 并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象, 但由于机械快门开合时间的不稳定性, 使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀, 而且还会造成彩色图像偏色条带。 故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法, 利用图像重叠部分的辐射特性, 计算光谱图像的辐射矫正因子, 对拼接图像的非均匀性进行矫正。 并利用差分评价矫正效果。 最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正, 结果表明, 该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性, 并可以消除彩色合成图像中的偏色条带； 适用于有重叠部分的图像拼接, 并且对于拼接误差不敏感。

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统, 主要包括前置望远物镜、 准直镜、 Wollaston棱镜组、 成像镜和补偿滤光片。 此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。 光束经过Wollaston棱镜组分光, 为了使不同波长对应景物不至于重叠, 要求分束角度比较大, 这样进入成像镜的光线入射角度相对较大, 无疑增加了成像镜的设计难度。 分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点, 设计了一套完整的成像光谱系统。 全系统结构复杂, 光学系统的光阑必须匹配好。 为了使得不仅单个镜头成像质量良好, 而且镜组之间能够良好的衔接, 将前置望远物镜设计为像方远心结构, 准直镜设计为物方远心结构。 全系统采用多重结构, 使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限, 点列图中RMS值基本都在艾里斑以内, 系统成像质量良好。

从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发, 对已有16波段系统进行改进, 研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化, 对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式, 利用Zemax-EE的多重结构特性, 设计了视场为±1.25°, 相对孔径达到1∶3, 系统结构尺寸约为220 mm的图像复分光谱成像仪系统, 且各个波长光学传递函数值均大于0.75.与已有等同空间分辨率的16波段图像复分光谱成像系统比较, 所设计系统结构紧凑、衍射极限和通光能力明显改善、光谱质量大幅提高, 可满足小型化需求.该研究为新型快照式光谱成像技术的理论研究和图像复分光谱成像仪的光学系统设计提供了依据.

计算光谱成像技术利用计算方法改变传统成像方式, 在光路中引入编码模板实现正变换, 最后通过逆变换获得目标光谱数据立方体。 介绍了一种推扫式编码孔径计算光谱成像仪的成像原理, 在实际应用中, 其推扫速度与帧频的匹配误差会影响光谱数据重构的准确性。 在建立了推扫模型的基础上, 得到了重构数据的误差项, 分析了匹配误差对光谱数据重构的影响, 并引入光谱二次导数误差和strehl比分别作为复原光谱和空间图像的评价参数, 进行了数据仿真分析, 结果表明, 当一组完整数据的累积误差超过一个像元时, 明暗变化剧烈的区域恢复结果比较差, 而对比较均匀的区域影响不大; 累计误差不超过0.5个像元时, 各通道的strehl比均在0.9以上, 并且光谱能量越低的通道strehl比越小, 因此编码模板的行列数越多平台的稳定性要求越高。