高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计

针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求,提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案,分析确定了成像光谱仪光学系统指标,设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统。空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大视场、大相对孔径像方远心设计,系统相对畸变小于0.02%;光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm,采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案,实现了长狭缝高保真光谱成像设计,谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸。设计结果表明,高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑,成像品质接近系统衍射极限,满足星载高光谱对地成像的数据应用要求。     

傅里叶变换成像光谱仪CCD像元响应非均匀性校正

根据一般成像系统CCD像元响应非均匀性校正的原理与算法,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD像元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD像元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题,它对今后该方面的科研和技术工作具有积极的指导意义。     

卫星红外遥感器辐射定标光机系统 热-结构耦合变形分析

辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热变形直接影响定标光学系统成像质量,并决定星载遥感器辐射定标试验精度。文章建立的辐射定标光机系统有限元模型,以某卫星多光谱扫描仪辐射定标试验中的实测温度变化作为温度载荷,计算和研究了该系统在真空低温环境下的热-结构耦合变形的分布情况和分布规律。结果表明:在非均匀稳态低温环境下,该系统光学支架热变形使主镜及主反射镜发生刚性位移,引起垂轴方向位移、倾斜,黑体的离焦和光学系统焦距变化;反射镜表面畸变RMS值均为1/40波长以下,可以满足实际光学系统的面形准确度要求。     

棱镜成像光谱仪色散特性研究

成像光谱仪在获得景物图像的同时,获得了其连续的光谱特性,具有图谱合一的特点。光谱分光是成像光谱仪关键技术之一。文章讨论了棱镜成像光谱仪的色散特性,以单棱镜为例研究了棱镜色散的非线性缺陷和系统像面弯曲的规律,分析了色散元件前的光学系统成像质量对系统色散的影响。     

星载反射式成像系统计算光学设计方法综述

星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂,面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。星载反射式成像系统计算光学设计,包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计,以及计算成像图像解码等算法设计。面对星载遥感成像的不同应用,文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。本综述结论为：基于计算光学的设计方法,无论在光学结构与面型求解方面,还是图像信号非线性逆问题求解方面,都具有强大的设计能力。在发展趋势上,计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下,计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。     

一种新型超大视场小畸变光学系统

光学遥感器正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、大视场等方向发展。在传统空间遥感系统的研制过程中,分辨率与大视场互为矛盾,但在某些场合下,不仅需要图像具有较高的分辨率,而且需要具有较大的视场。解决这一矛盾对空间光学的发展具有积极作用。文章介绍了一种新型多尺度单心光学系统,从其设计原理出发,给出了一个多尺度单心光学系统的设计实例。经验证该系统能够实现大视场,像面照度均匀、畸变小,全视场具有一致分辨率,无需扫描即可获取大视场图像。文章介绍的这种成像系统结构对未来超大视场高分辨率空间遥感器的设计提供了参考。     

空间太阳极紫外无狭缝光谱成像技术综述

太阳光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。极紫外观测是目前在空间观测太阳的主要手段。现阶段太阳极紫外成像主要通过极紫外成像望远镜和狭缝成像光谱仪实现。成像望远镜能直接获得全日面的活动图像,但不能得到对应的光谱信息。狭缝成像光谱仪可以得到高光谱分辨率的光谱信息,但视场很小,不能得到整个活动区域的信息,限制了对于太阳爆发现象的观测。无狭缝光谱成像技术可以突破这种限制,得到带高分辨率光谱信息的全日面图像,从而获得太阳爆发现象的形态演化、速度、角度信息,对于太阳物理研究和空间天气预报有独特优势。文章综述了自20世纪70年代以来发展的3种太阳极紫外无狭缝成像技术形式,说明了其各自的优缺点;介绍了近年来发展的多级衍射光谱成像方式的原理,旨在为发展我国新型空间太阳观测仪器提供借鉴。     

轻小型高光谱成像仪前置望远系统设计

轻小型、高分辨率已经成为高光谱成像仪的发展趋势。文章基于Offner型光谱成像系统的结构特点,分析了高光谱成像仪前置望远系统的设计特殊性,利用同轴反射系统的几何光学理论求解方法,给出了一种长焦距、大视场的高光谱成像仪前置望远离轴三反远心系统的设计思路和设计结果,光学系统焦距2 500 mm,视场角达到12°。分析表明,该设计在奈奎斯特频率71.4线对/mm处调制传递函数接近衍射极限,结构紧凑,不仅适用于Offner型光谱仪前置望远光学系统,还可用于其它大视场远心光学系统。     

超光谱成像仪的实验室定标

星载超光谱成像仪是一种空间调制型干涉光谱成像仪,文章研究了一套适用于干涉成像光谱仪、具有一定精度的实验室定标方法,满足了超光谱成像仪的实验室定标要求。采用激光光源进行光谱定标,光谱定标精度优于2nm。用远距点光源光路进行CCD探测器像元响应不均匀性修正,并进一步用天空背景光或均匀平行光进行全系统光能传输不均匀修正,实现了干涉图平场,相对定标精度达到2.46%。采用太阳模拟光源和均匀平行光路,用光谱辐射度计（ASD）实现标准辐射亮度的传递进行光谱辐射度定标,绝对定标精度达到8.21%。     

空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法

高分辨率、大视场成像是空间光学遥感器发展的重要方向之一;针对红外成像系统的特点,文章提出了一种基于像方远心光路主光学系统与物方远心光路中继透镜组相结合,在主光学系统像面处通过反射镜分视场实现多探测器组件光学拼接的方法;在此基础上对影响成像系统可实现性的关键问题进行了分析,并给出了解决途径;最后针对大幅宽成像应用需求,给出了光学拼接实现推扫成像的实例。     

星载光学遥感系统偏振耦合误差分析与修正方法研究

星载遥感器偏振灵敏度带来的偏振测量误差会影响获取数据的准确性,该误差作为系统误差将直接影响到数据应用.文章采用矢量辐射传输模型模拟遥感器(以中等分辨率成像光谱仪为例)入瞳处信号偏振与遥感器偏振耦合特性,分析了遥感器偏振灵敏度分别为2%、5%、7%时,遥感系统的测量误差分布情况,发现偏振耦合误差直接影响获取数据的真实性和...     

卫星TDICCD相机非沿轨成像仿真方法

传统的TDICCD相机沿轨成像模式只需要调整偏流角和卫星飞行速度决定的积分时间,而TDICCD相机非沿轨成像则需要更加复杂的姿态和积分时间控制。对TDICCD相机非沿轨成像进行仿真,有助于了解其工作原理,并有针对性地研发数据处理方案。文章实现了卫星TDICCD相机对非沿星下点轨迹方向条带目标成像的两种仿真方法。一是"南北方向"成像仿真方法,另一种是"摆扫"成像仿真方法。推导了这两种成像在星下点成像和偏离星下点成像两种条件下TDI积分时间和姿态运动的计算方法。通过多级积分条件下的靶标成像效果和成像范围验证了所述方法的正确性和通用性。     

新型立体测绘光学系统杂散辐射分析与抑制

针对国家发明专利《基于集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统》(发明专利号:ZL2009 1 0243273.8)中所设计的光学系统,进行了杂散辐射的仿真分析及抑制。为了实现较大基高比的立体测绘,满足内方位元素的高稳定度,以实现对图像的高精度校正,采用了集成式共用主镜的双视场立体成像光学系统,它具有结构紧凑、轻量化及热稳定性好等特点。针对该光学系统独特的光学系统结构型式并实现其工程化,通过仿真并根据杂散光的传播路径进行了分类总结分析,通过采取有效的杂散光抑制措施,光学系统最终的杂散光系数为1.1075%,满足系统的使用要求。     

利用星载加速度计及星敏感器进行卫星定轨的新方法

介绍一种卫星自主定轨的新方法采用组合星载加速度计和星敏感器的方法测量卫星非保守力进行星上自主定轨.介绍了该方法用于卫星定轨的原理该方法利用星载加速度计测量载体坐标系下表示的卫星非保守力,然后利用星敏感器测量的姿态数据进行坐标转换,最后利用数值积分方法进行轨道确定.利用实际卫星飞行数据进行了验证.结果表明该方法用于卫星自主定轨是可行的,而且可以不依赖任何外部系统实现较高精度的星上自主定轨.该方法与传统的纯动力学法比较,计算简单,定轨精度高,定轨结果稳定,克服了传统定轨方法随时间发散的缺点.     

傅里叶光谱仪光程扫描的鲁棒H_∞控制设计

为满足星载时间调制型傅里叶光谱仪光程扫描速度稳定性要求,针对星载光谱仪精密扫描跟踪系统的特点,提出一种鲁棒H无穷(H∞)控制器设计方案。文章首先分析建立了光程扫描系统的数学模型;在此基础上,为达到控制性能要求和鲁棒性要求,采用H∞混合灵敏度的设计方法,阐述了鲁棒H∞控制器设计中加权函数的选择依据和确定过程,利用Matlab鲁棒控制工具箱得到H∞最优控制器。考虑卫星平台振动的影响,建立干扰源模型,对外界干扰的影响进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的鲁棒H∞最优控制器具有良好的扫描跟踪特性,对外界干扰具有良好的鲁棒性,达到了星载光谱仪对高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能要求。     

光学遥感器星上定标的新进展

文中简要阐述了光学遥感器星上定标的重要性,分析了光学遥感器星上定标的现状,重点介绍了增强型主题绘图仪(ETM)、中分辨率成像光谱仪(MODIS-N)、中分辨率成像光谱仪(MERIS)、可见/红外成像辐射计(VIRI)和红外多光谱扫描仪(IRMSS)等几个光学遥感器上的几种新的、典型的星上定标系统。最后,对星上定标的发展趋势进行了概括。     

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、质量轻是空间光学系统设计研究的热点。文章从离轴三反望远系统的应用技术指标分析、设计思想、设计流程及光学系统优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围0.4～2.5μm、焦距f′=700mm、相对孔径f′/4、线视场角20°的离轴三反望远系统,次镜为球面,主镜和三镜非球面最高次数为4次,在Nyquist频率27.8对线/mm处,调制传递函数值均大于0.87。     

地球观测系统时代之后的成像光谱技术

地球观测系统(EOS)时代将向地球系统科学遥感界提供有关大气、陆地表面和海洋间相互作用的大量新信息。由EOS-1平台上的高分辨率成像光谱仪(HIRIS)等仪器提供的高光谱和空间分辨率图像将成为EOS数据集的重要组成部分。可以预料,利用EOS可以进一步认识地球,但也要求未来的传感器比现有的这一代传感器具有更高的灵活性和测量能力。声光可调谐滤光器(AOTF′S)良好的光谱灵活性、偏振选择性及简单性预示着它在未来的成像光谱仪上的重要应用。AOTF′S是致密、紧固的固态晶体,它可对两种偏振态进行快速的(毫秒级)、电控的光谱调谐。本文将讨论基于AOTF的成像光谱仪的基本原理。     

星载TDI光机扫描相机偏流角建模

星载TDI光机扫描相机成像时,由于存在偏流角,造成在垂直扫描方向存在像移,对遥感相机成像产生影响。文章分析了光机扫描相机偏流角产生的原因,采用矢量分析的方法,建立了光机扫描相机偏流角模型。以某预研相机为例进行了分析,结果表明,偏流角随着扫描视角减小、纬度增高而增大;论述了偏流角对该相机穿轨方向MTF的影响以及对探测器奇偶阵列间距的设计指导。文章建立的偏流角模型可广泛适用于星载光机扫描相机,对光机扫描相机的总体设计具有参考意义。     

超光谱成像仪成像电路的设计与实现

超光谱成像仪是环境减灾-1A卫星的主载荷之一,也是我国第一台采用静态干涉型光谱成像技术的星载遥感相机。成像电路是超光谱成像仪的核心组件之一,文章介绍了超光谱成像仪成像电路的系统组成,以及各功能模块的结构、功能和设计原理。