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。

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。