機載高光譜成像系統摘要
為適應機載高光譜成像系統的發 展需要,設計了一種機載大視場高光譜成像系統。前置望遠系統為大視場寬譜段透射式系統,高光譜成像儀為基于Offner次鏡的改正型Féry棱鏡中繼系 統。系統設計過程中兩次使用Zemax多重組態設計;嘗試將Offner次鏡的改正型Féry棱鏡設計為高光譜成像儀;將Féry棱鏡高光譜成像儀集成為 高光譜成像系統進行一體化系統分析。該設計在結構和設計方法上均有改進。設計的大視場可見近紅外高光譜成像系統視場可達28°,機載載荷高度為5km時, 全系統的刈幅寬度為2.493km,地面分辨率可達0.6m。左半視場和右半視場全譜段調制傳遞函數均大于0.6,zui大譜線彎曲和譜帶彎曲不到 0.2pixel,成像質量接近衍射極限。
高光譜成像遙感是在多光譜成像 遙感技術基礎上發展起來的探測技術。它具有光譜分辨率高、光譜波段數多、信息量豐富等特點,顯著提高了探測地球表面特征和物體性質的能力,在礦產資源調查 和軍事偽裝揭露等方面有著廣泛的應用。高光譜成像儀的應用以定量化的數據為基礎,不僅需要獲取清晰的圖像,還需要遙感數據具有足夠的光譜穩定性。所以研究 高光譜成像儀成像質量對高光譜成像儀的研制及其應用等具有重要的工程實際意義。本文針對礦物勘察應用的機載高光譜成像儀,研制了工程樣機,分析了機載成像 環境(主要為溫度和姿態)變化對儀器成像質量的影響,研究了儀器的成像特性及光譜穩定性。基于這些理論分析,利用工程樣機開展了高光譜成像儀的飛行成像試 驗,對所獲得的遙感圖像進行了成像質量分析與評價,驗證了儀器成像特性和光譜穩定性。首先,完成了機載高光譜成像儀工程樣機的研制。根據技術指標要求,提 出了模塊化設計方案,確定并采用了L形板基座整合設計方案,開展了光機結構設計。利用MSC.PatranMSC.Nastran軟件對光機結構進行了有 限元工程分析,結果表明儀器具有較好的剛度特性及面形精度,整機基頻達到297.8 Hz、主反射鏡RMS值僅有4.6 nm。zui終,完成了機載高光譜成像儀樣機的加工、裝調及相關技術指標的檢測和定標工作。接著,在上述工作的基礎上,針對機載成像環境中典型因素(環境溫 度、載機姿態變化)對高光譜成像儀成像質量的影響,進行了深入的理論分析,開展了儀器成像特性及光譜穩定性研究。首先,研究了溫度對高光譜成像儀成像質量 的影響。根據機載高光譜成像儀熱設計及相關試驗數據,分析了機載環境下實際溫度載荷的特點;以zui小二乘擬合法和齊次坐標變換法為理論依據,編制了剛體位移 及面形誤差求解程序;對變形過后的光學系統進行了光線追跡,研究了其譜線漂移特性及溫度對系統傳遞函數的影響。結果表明,±10℃溫度變化范圍內,譜線穩 定性較好,不需要再進行光譜定標和光譜修正。接著,分析了姿態對高光譜成像儀成像質量的影響。利用齊次坐標變換法建立了像移速度矢量計算模型;提出了 像質對姿態精度的要求,確定了穩定平臺的補償精度要求;分析了平臺姿態補償誤差對像移速度的影響;研究了給定成像質量要求的飛行參數指標的分配問題,進行 了像移速度誤差分析。結果表明,穩定平臺能有效補償姿態,滿足成像質量的要求。zui后,開展了高光譜成像儀室內成像試驗和小面積區域航空飛行成像試驗。對所 獲得航拍圖像數據,用刃邊法測量其傳遞函數,進行了成像質量評價;從圖像數據中提取地物光譜曲線,以氧氣吸收峰位置偏移量驗證了其光譜穩定性。結果表明, 機載高光譜成像儀有較好的成像質量和光譜穩定性。本課題后續可進一步完善機載高光譜成像儀,提高儀器對地物目標識別和分類的準確度,使其能夠承擔一定業務 量的地質遙感飛行任務。
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