机载高光谱成像系统摘要
更新时间：2016-06-28
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为适应机载高光谱成像系统的发 展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系 统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为 高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时, 全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,zui大谱线弯曲和谱带弯曲不到 0.2pixel,成像质量接近衍射极限。
高光谱成像遥感是在多光谱成像 遥感技术基础上发展起来的探测技术。它具有光谱分辨率高、光谱波段数多、信息量丰富等特点,显著提高了探测地球表面特征和物体性质的能力,在矿产资源调查 和军事伪装揭露等方面有着广泛的应用。高光谱成像仪的应用以定量化的数据为基础,不仅需要获取清晰的图像,还需要遥感数据具有足够的光谱稳定性。所以研究 高光谱成像仪成像质量对高光谱成像仪的研制及其应用等具有重要的工程实际意义。本文针对矿物勘察应用的机载高光谱成像仪,研制了工程样机,分析了机载成像 环境(主要为温度和姿态)变化对仪器成像质量的影响,研究了仪器的成像特性及光谱稳定性。基于这些理论分析,利用工程样机开展了高光谱成像仪的飞行成像试 验,对所获得的遥感图像进行了成像质量分析与评价,验证了仪器成像特性和光谱稳定性。首先,完成了机载高光谱成像仪工程样机的研制。根据技术指标要求,提 出了模块化设计方案,确定并采用了L形板基座整合设计方案,开展了光机结构设计。利用MSC.PatranMSC.Nastran软件对光机结构进行了有 限元工程分析,结果表明仪器具有较好的刚度特性及面形精度,整机基频达到297.8 Hz、主反射镜RMS值仅有4.6 nm。zui终,完成了机载高光谱成像仪样机的加工、装调及相关技术指标的检测和定标工作。接着,在上述工作的基础上,针对机载成像环境中典型因素(环境温 度、载机姿态变化)对高光谱成像仪成像质量的影响,进行了深入的理论分析,开展了仪器成像特性及光谱稳定性研究。首先,研究了温度对高光谱成像仪成像质量 的影响。根据机载高光谱成像仪热设计及相关试验数据,分析了机载环境下实际温度载荷的特点;以zui小二乘拟合法和齐次坐标变换法为理论依据,编制了刚体位移 及面形误差求解程序;对变形过后的光学系统进行了光线追迹,研究了其谱线漂移特性及温度对系统传递函数的影响。结果表明,±10℃温度变化范围内,谱线稳 定性较好,不需要再进行光谱定标和光谱修正。接着,分析了姿态对高光谱成像仪成像质量的影响。利用齐次坐标变换法建立了像移速度矢量计算模型;提出了 像质对姿态精度的要求,确定了稳定平台的补偿精度要求;分析了平台姿态补偿误差对像移速度的影响;研究了给定成像质量要求的飞行参数指标的分配问题,进行 了像移速度误差分析。结果表明,稳定平台能有效补偿姿态,满足成像质量的要求。zui后,开展了高光谱成像仪室内成像试验和小面积区域航空飞行成像试验。对所 获得航拍图像数据,用刃边法测量其传递函数,进行了成像质量评价;从图像数据中提取地物光谱曲线,以氧气吸收峰位置偏移量验证了其光谱稳定性。结果表明, 机载高光谱成像仪有较好的成像质量和光谱稳定性。本课题后续可进一步完善机载高光谱成像仪,提高仪器对地物目标识别和分类的准确度,使其能够承担一定业务 量的地质遥感飞行任务。
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