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大气CO_2甚高光谱分辨率成像光谱仪分析与光学设计

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光学学报 2015年第7期35卷 271-281页

作者：宋文宝靳阳明赵知诚沈为民范东栋苏州大学物理与光电.能源学部江苏苏州215006 教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006 航天东方红卫星有限公司北京100094

为监测全球范围内CO2排放,确定碳源碳汇位置,需高精度探测大气CO2柱浓度。首先介绍遥感卫星探测大气CO2柱浓度原理,并利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM),分析探测精度、光谱分辨率、信噪比需求之间的相互关系。然后,基于遥感卫星探测要... 详细信息

为监测全球范围内CO2排放,确定碳源碳汇位置,需高精度探测大气CO2柱浓度。首先介绍遥感卫星探测大气CO2柱浓度原理,并利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM),分析探测精度、光谱分辨率、信噪比需求之间的相互关系。然后,基于遥感卫星探测要求,分析光学系统指标。根据指标,选择中阶梯浸没衍射光栅分光元件,确定逆卡塞格林结构前置系统和离轴三反消像散结构分光系统。设计了F数4、光谱分辨本领21000的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。设计的光学系统由1个前置系统、1个分光系统和3块焦平面探测器组成,结构紧凑,体积微小,成像质量良好。

关键词：光学设计成像光谱仪中阶梯浸没衍射光栅

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

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光谱学与光谱分析 2011年第10期31卷 2861-2864页

作者：程欣王晶张葆洪永丰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100049

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(M... 详细信息

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。

关键词：成像光谱仪调制传递函数光纤传像束谱线畸变

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旋转扫描式成像光谱仪高光谱的几何变形矫正

光谱学与光谱分析 2012年第8期32卷 2223-2227页

作者：柯刚扬安宁田扬超马智宏黄文江王秋平中国科学技术大学国家同步辐射实验室安徽合肥230029 北京市农林科学院国家农业信息化工程技术研究中心北京100097

Offner成像光谱仪是一种线推扫式成像系统,需要光谱仪与物体之间存在相对移动,从而记录整个区域的光谱和形貌信息。在光谱仪镜头前放置一块反射镜进行旋转扫描,也可以对大尺度物体进行高光谱成像,并且相机固定不动。然而旋转扫描时,记... 详细信息

Offner成像光谱仪是一种线推扫式成像系统,需要光谱仪与物体之间存在相对移动,从而记录整个区域的光谱和形貌信息。在光谱仪镜头前放置一块反射镜进行旋转扫描,也可以对大尺度物体进行高光谱成像,并且相机固定不动。然而旋转扫描时,记录的高光谱图存在较大的几何误差。该工作分析一般情况下Offner成像光谱仪单次拍摄得到的物点和像点的投影关系;根据投影关系,以旋转角为变量,分析物点在成像面上的投影分布,给出图像几何变形的矫正方法。在成像光谱仪上设计并安装了反射镜旋转扫描装置,进行旋转扫描实验,通过矫正算法,得到了清晰的高光谱图。

关键词： Offner 成像光谱仪旋转扫描线扫描

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

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光谱学与光谱分析 2012年第3期32卷 844-848页

作者：于磊王淑荣林冠宇曲艺汪龙祺中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100049

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面... 详细信息

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。

关键词：电离层成像光谱仪远紫外原理样机分辨率

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用于水果品质检测的小型成像光谱仪

光谱学与光谱分析 2012年第1期32卷 283-286页

作者：刘玉娟唐玉国崔继承巴音贺希格中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100049

利用成像光谱可同时获得水果的成像信息和光谱信息,实现水果外部和内部品质的高精度、无损伤、无污染的大面积瞬态检测。为了获得水果的成像光谱,设计了一种以自主研发的凸面光栅作为核心元件的小型成像光谱仪,它具有成像质量好、体积... 详细信息

利用成像光谱可同时获得水果的成像信息和光谱信息,实现水果外部和内部品质的高精度、无损伤、无污染的大面积瞬态检测。为了获得水果的成像光谱,设计了一种以自主研发的凸面光栅作为核心元件的小型成像光谱仪,它具有成像质量好、体积小、重量轻等优点,光谱分辨率在578nm波长处达2.1nm,光谱谱线弯曲和色畸变均小于0.6%。对该小型成像光谱仪进行了检测和苹果成像光谱测量实验,结果表明:该成像光谱仪满足设计要求且可以快速的获得苹果的高精度成像光谱,从而进行水果的品质检测。

关键词：成像光谱仪水果品质无损检测凸面光栅

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成像光谱仪扫描镜运动准确度测量

光子学报 2012年第2期41卷 185-189页

作者：汪逸群颜昌翔贾平中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院研究生院北京100049

扫描镜的运动准确度直接影响成像光谱仪对地运动补偿效果,为此研制了一套扫描镜运动准确度测试设备对其进行测量.首先分析了扫描镜的运动补偿原理,从理论上给出了运动补偿曲线;随后以15m地面像元分辨率和系统调制传递函数下降2%作为依... 详细信息

扫描镜的运动准确度直接影响成像光谱仪对地运动补偿效果,为此研制了一套扫描镜运动准确度测试设备对其进行测量.首先分析了扫描镜的运动补偿原理,从理论上给出了运动补偿曲线;随后以15m地面像元分辨率和系统调制传递函数下降2%作为依据分别确定了扫描镜的位置和速度准确度要求,列出了扫描镜运动补偿倍数与相对转速误差的关系.基于检定设备1/3法则提出了扫描镜运动准确度测试设备技术指标要求,接着以0.8″绝对式光电编码器为核心建立了一套扫描镜运动准确度测试装置,并从测试方法误差和编码器测角误差两方面对测试装置测角和测速准确度进行了详细分析;最后采用研制的测试装置对扫描镜的运动准确度进行了测量试验.试验结果表明扫描镜位置准确度优于3″±1.2″,4倍补偿时速度准确度为5.6%±1.29%,6倍补偿时速度准确度为3.85%±1.29%,满足成像光谱仪对扫描镜运动准确度要求.外场成像图像证明本文提出的扫描镜运动准确度测量方法及设备可用于成像光谱仪扫描镜的性能检测与验收.

关键词：准确度测量运动补偿光电编码器成像光谱仪

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

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光谱学与光谱分析 2013年第12期33卷 3432-3436页

作者：郝爱花胡炳樑白加光李立波于涛李思远中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121 中国科学院大学北京100049

紫外一可见光（200--500nm）成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分，本文基于机载紫外一可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求，提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪，这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点... 详细信息

紫外一可见光（200--500nm）成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分，本文基于机载紫外一可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求，提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪，这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点，同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点，能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求；此外，考虑400-500nm波段中200-250nm波段二级光谱的影响和〈290nm的短波区和〉310nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动，采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面，本着高性能、低成本的设计理念，选用了两镜同心系统作为望远系统，Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案；设计了一种不使用任何辅助光学元件，全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑，性能优良，可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0．6以上。

关键词：大视场宽谱段高分辨率紫外成像光谱仪

基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

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光谱学与光谱分析 2016年第7期36卷 2287-2290页

作者：刘玉娟王成明林君崔继承张天瑜仲志成吉林大学仪器科学与电气工程学院吉林长春130026 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。... 详细信息

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明:改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。

关键词：成像光谱仪同心 Dyson 光学设计

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

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光学学报 2013年第2期33卷 82-88页

作者：张军强颜昌翔辛久元中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱... 详细信息

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2nm,光谱带宽偏差应不大于0.1nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3nm,光谱带宽偏差应不大于0.1nm。

关键词：测量成像光谱仪谱线漂移辐射测量仿真分析