[精品论文] 星载多光谱相机光学系统设计.pdf

星载多光谱相机光学系统设计 t h e0 p t i c a ld e s i g no fs p a c e b o r n em u l t i s p e c t r a l c a m e r a 学位授予单位及代码 量叠里王塞生f q 竖2 学科专业名称发代码 盘堂工程l q 8 篮地2 研究方向 理 盘堂拄苤壁互捏应届 申请学位级别 亟 指导教师 立跹刚 研究生 韭丘扭 论文起止时侧 2 q q 蔓q l j 1 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士学位论文 星栽多光谱相机光学系统设计 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明 引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 t 果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中i 三c 明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 i 鲤蛆 业年1 三一月 r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学颐士 博士学位论文版 权使用规定 同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所 中国优秀博硕 l 学位论文全立数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权长春理工大学可以 将奉学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位沦文 作哲辇g i l j 旦m 盟 丛年 王月 1 签名 圭幽巫年三月匹h 关键字 光学设计 多光谱 卫星 成像系统 o i l i e r 凸光栅 由f 多光谱的特 使得应用此技术 从而吸引了越来 多光谱成像技 光谱相机有着巨 因此相机的小型 k ww o r d s o p t i c a ld e s i g n m u l t i s p e c t r a l s a t e l l i t e i m a g i n gs y s t e m o f f n e rc o n v e x g r a t i n g 2 研究的目的和虐义 4 2 国内外发展现状 6 3主要研究内肄8 第二章系统总体指标分析厦总体方案确定 l o 2 f 系统总体指标要求 1 0 2 2 分兜和配准 1 7 2 4 0 n n 口凸光栅光 普成像系统 2 0 2 4 本帝小结 2 1 第三章光学系统参数确定 2 2 3 2 税场角 2 2 3 3 相对孔径 2 2 3 4 光学系统的m t f 确定 2 3 3 5 光学系统结构选颦 2 3 3 6 本章小结 2 9 第四章星载多光谱相机光学系统设计 3 0 4 l 光学系统指标要求 4 2 初始结构的计算 4 2 初始结掏的优化 4 3 本章小结 第五章设计结果与像质评价分析 3 7 5 i 球麓分析 3 7 5 2 场曲和畸变升析 一 3 8 5 3 点判图分析 3 9 5 4 m t f 分析 4 0 5 5 其他影响像质评价的分析 4 5 6 本章小结 4 2 第六章总结与展望 4 3 6 l 研究总结 6 2 展望 包含在内 从而可以在更宽的谱段范围之内成像 这个谱段范围可以很宽 更可以精 细的分为若干个小的谱段区间 在各个谱段范围都可阻成像 因为世间万物都有者独 一无二的谱段特征 他们的辐射 反射以及吸收光谱的能力都不尽相同 就好比是光 谱界的 指纹 般 因此可以根据各个物质的光谱分布特征 准确的分辨出成像目标 成分 作为空间和光谱抽样结果 星载多光谱成像传感器产生一个三维 3 d 的数据 结构 空问一空间谱组件 称为数据立方体i 删 图卜i 显示了这样的数据立方体的例 子 如果我们提取物在周一空问位置中的所有像素 并画出了它们的光谱波长的函数 值 其结果是所有相应的地面单元材料分辨率的平均光谱和补偿光谱 渲k 啦w 疗体 图1 1 数据立方体 h h 其中 光学系 良好的控制系统 决定了该相机的 孔径以及视场角 的大小 2 探测器 对于应用于航空航天领域的多光谱相机来说 c c d 探测器的选取也是个非常重要 的问题 根据所选用的c c d 的像元尺寸 可以推算出光学系统的视场角以及焦距等参 数 3 机械结构 多光谱相机通常由物镜 探测器和电路系统这些基本部件组成 相机的总体结构 就是这些基本部件与其他所有零件的集成 c 4 热控装置 通常包含热控涂层 散热器 温度控制嚣以及隔热材料等组成 5 控制和信息处理器 现代多光谱相机的整个工作过程通常都在微处理器的控制和监督下完成 由微处 理器控制图像数据采集 存储处理或编码等 3 多光谱相机的分类 1 应用在航空航天领域的多光谱相机根据其工作方式的区别可以分为很多种 类 太致可分为光谱扫描型多光谱相机 光谱 空 白j 交叉扫描型多光谱相机 线列探测 器光机扫描型相机以及面阵探铡器型多光谱相机 1 m 其工作原理示意图分别如图i 2 1 3 1 4 i 5 所示 蟊程 图1 3 空间交叉扫描型光谱仪原理图 2 在成像方式上星载相机多分为扫描成像与凝视成像两种 由于扫描方式的不 同 其又可具体细分为摆扫型与推扫型 1 行方向 图1 4 线阵探测器工作原理示意图 1 行女目 圉1 5 面阵探测器工作原理示意图 3 多光谱相机的工作谱段范围各不相同 可以分别对可见光 近红外 紫外光 等清晰成像 也可以对多个谱段成像 例如包含可见光和近红外的谱段 甚至是全谱 段成像 对于这些多光谱相机来说 针对每台相机的分辨率能力不同 也可将多光谱 相机分为多光谱 多光谱 超光谱三种相机 根据所选用的c c d 问的区别 某些多光 谱相机可咀达到相对大幅面的成像 1 2 研究的目的和意义 出于多光谱的特性 使得光学系统可以在很宽的谱段范围之内清晰成像 再者 世 间万物对各个波长的光线的反射率都不尽相同 多光谱成像技术就是利用了这 点 在航空航天相机对地球拍下资源勘探照片时 根据不同物体对不同波长光线的反射率 之间的差异性 可以很明白的分辨出肉眼无法观测到的物体与物体之间的差异 因此t 多光谱相机常被用来措载卫星或匕机进行勘测 无论是水利探测 农硐 环境还是考 察资源等都可以用多光谱相机来达到满意的结果 多光谱相机在气象观测方面的应用 随着科技的进步 人们对实时 准确的气象预测的需求变得越来越高 气象预测 虽主要的工作就是对大气 云层等进行实时观测 o l 而多光谱相机的技术原理可以 根据物体反射率的差异 实时跟踪天气变化 监测地表温度等 从而绘制出所需要的 气象云图 2 多光谱相机在农林资源方面的应用 一片田地中习 同区域的作物生长状况不尽相同 当前 应用最广泛的测量作物生 长状况的方法是基于可见光和近红外光的反射比 仅仅使用可见光的结果不是令人十 分满意 理论上说 测量作物中的含氮量就可以检测作物的生长状况 人们对作物含 氮量和生长状况的关系做了大量研究 例如 近红外光潜到绿光光谱的反射率指标可 以反映出水稻中的氨含量 基于上述理论 人们研制出很多相关设备用于提高测量作 物生长状态的效率 科学家发明了一种红 蓝 绿 近红外4 光谱渡带的光谱反射比 传感器来测量棉花中的氮含量 同时这种技术也被逐渐的应用于商业活动中 3 多光谱相机在土壤 环境监测方面的应用 通常来说 传统的耕地被山脊分割成许多区域 在一个区域中 总是存在着不同 的土壤类型 肥力等等 但是在过去几年间 这些土壤的不同之处往往被人们所忽略 不同生长状态的作物被施咀相同的种植方法 最近 随着越来越多的新技术比如 g p s g i s 遥感技术被应用到农业生产中 区域之 日j 的不同可以被一定程度的测量到 4 多光谱相机在海洋监测方面的应用 多光潜相机同时也可以对海洋进行实时监测 根据海水表面 沙石 污染物等不 同物体的不同光谱特征 可以报好的对海表温度 海陆分界等进行实时监测与调查 5 多光谱相机在军事上的应用 多光谱相机也被广泛的应用于军事和民用领域 可见 近红外波段是太阳反射光谱 区 在该波段探测地表物体的反射可以获取土壤类型 水体特性 植被分布及军事装 各 军队部署等信息 中波红外波段可用于探测飞机尾喷气流 爆炸气体等高温物体 的辐射光谱特征 长波红外波段则是实现昼夜战场侦查 监视 识别伪目标 消赊背 景干扰的主要工作波段 并且也是多种化学物质的特征吸收光谱所在区 可用于生化 战剂的探测 多光谱相机通常有四个基本组成部分 辐射 或照明 源 大气 成像面和传感 器 在自动遥感系统中 照明光源主要是指太用 太阳的能量分布作为发射波长的函 数 贯穿于整个电磁频谱 被称为太阳光谱 光线能通过太阳在大气层传播 其强度 和光谱分布因大气层而改变 同时根据成像表面材料的不同 光线被反射或者被吸收 反射的能量穿过大气层被传回 最后 能源到达传感器 井作为进一步的研究观测而 1 2 国内外发展现状 12 l 国外发展现状 图1 6 多光谱相机在军事上的应用 美国g c o s 口a t i 越公司曾研究开发过一款m s 4 1 0 0 多光谱相机 这是一个3 c c d 照相 机 它基于红光 绿光 红外光c i r 结构 能提供高质量 高分辨率图像 这种相机的 彩色分光系统和c c d 图像传感器可以协n l 作 因此 他可以将分辨率最大化 且拥 有动态视野 一般来说 m s 4 1 0 0 有儿4 0 0 到1 0 0 0 r i m 的3 个光谱宽度 它的分辨率是1 9 2 0 h x1 0 8 0 v 可以产生62 兆个像素的图片 通过3 条光学通道进入透镜的光线被 m s 4 1 0 0 的分光棱镜分离丌来 另外3 个滤波片位于各个c c d 传感器的前端 所以 它可以提供各个波带的图像 山于这些特性 m s 4 1 0 0 广泛应用于遥感技术 机械视 堂 医学以及其他研究领域 分光棱镜由3 个棱镜单位组成 这3 个单位捆绑在一起形成一个装配棱镜t 宽波 带光束经过透镜进入第一个棱镜单位 在第一个和第二个棱镜的分界面t 绿光被反射 但是余下的光线可以通过 同样的 宽波带光束被分为红光 绿光和红外光 在每一 个棱镜单位的末端 都有一个滤波片 滤波片限制了波长范围在波带以外的光线 从 图1 7 m s 4 1 0 0 反光系统 t o t r a c a 公司成功研制出了m c a 多光谱相机 它广泛用于遥感技术等方面 一般 来说 这种相机包古了4 个独立的通道 分别是红光为主通道 绿光 蓝光 近红外 光为次级通道 与m s 一4 1 0 0 相比很大的不同之处在于 m c a 的4 个通道使用了不同的透 镜井且透镜是分散的 任何一个通道中都有1 个13 兆像素 1 2 8 0 x 1 0 2 4 的c m o s 传 感器 在传感器的前端有一个滤波器来滤掉不相关的波段 此外 丹麦相机制造企业j a i 也将目光投向棱镜分光技术 最早拥有棱镜分光帽 机制造技术之一的著名企业是d u n c a n t e e h 其相机在地理空间系统中被采用 所谓棱 镜分光相机 就是在相机内部采用分光棱镜将光线中不同谱段的光分开 再由两个或 更多的c c d 对各个谱段的光线分 成像 在地理空间系统m s 4 1 0 0 中 采用了3 个1 英寸靶面的c c d 芯片 1 9 2 0 x 1 0 8 0 分别对可见光谱段中的红 5 5 0 7 0 0 r i m 绿 4 8 0 5 7 0 a m 蓝 4 0 0 5 3 0 a m 成像 图1 8 利用多光谱相机采集到的可见光 近红外图像 在美国圣何塞的展示中心 j a i 的售前技术总监k i n n e y 演示了a d 0 0 c l 是如何 以3 0 帧 秒得速度对近红外和可见光同时采集的 在双核c p u 的计算机上 开发者可 以独立的使用他们的软件同时处理近童l 外和可见光圈像 这款相机的典型应用包括 对化学品的表面检测 医疗成像和水果检测等 在此类检测中希望能够通过一台相机 同时给出利j j 可见光检测的结果 如物体的尺寸 和通过近红外光检测的结果 髓着科技的进步 多光谱相机的分辨率能力有了显著的提高 很多能够达到高分 辨率的多光谱相机已经投入实际应用阶段 这些相机可以在相当宽的谱段范围内成像 同时得到目标的光谱特征 从而能够较容易的识别目标 或者分辨出目标与背景 由 于这个特性 使得多光谱相机在水利勘测 农f h 气象预测 军事等诸多领域都有重 要的实用地位 22 国内发展现状 相较于国际上对于多光谱成像技术的研究与发展 虽然我国起步的时 白j 要晚于其 他发达国家 是从上个世纪七十年代才逐步认识到多光谱相机巨大的应用潜力与发展 前景 但近些年来我国的技术水平也有显著的提高 已经开发研制出了多种应用于气 象预测 资源勘探等领域的多光谱相机 但实力与发达国家相比较还是略逊一筹 在 应用于航空航天领域的多光谱相机方面还尚未达到可以投入实际应用的水准 能够达 到大幅面成像的c c d 探测器目前依然只能依靠国外进口的设备 1 3 主要研究内容 本论文根据星载多光谱相机的应用领域与发展前景 设计了与之相应的光学系统 该系统可以在4 0 0 1 0 0 0 m n 的谱段范围内清晰成像 其晟终设计结果满足实际需求 本 章首要探讨的内容是多光谱成像技术的原理 简要介绍了多光谱相机的基本组成以厦 分类 阐明了本文的研究目的与意义 并综合分析了现阶段国内外关于星载多光谱相 机的发展状况 第二章首先从星载多光谱相机的技术指标和应用要求出发 确定了相机的各项基 本技术指标 确定了系统的总体方案 同时探讨了各种光学系统的结构形式 综合分 析比较透射式系统 折反射系统 两反射式系统 同轴三反射式系统以及离轴三反射 式系统之间的优缺点 根据本论文的实际情况和具体参数要求 决定采用离轴三反射 镜结构设计该系统 第三章根掘具体的技术指标计算得出光学系统的各项参数t 诸如焦距 视场角 相对孔径等 第四章根据具体的技术指标计算得出光学系统的各项参数t 诸如焦距 祝场角 相对孔径等之后 在拭轴三反射镜系统的像差理论的基础上 求出系统的初始结构 利用软件进行优化 最终得出离轴三反射镜系统的初始结构 第五章通过球差曲线 场曲和畸变 点列图 m t f 曲线以及光线像差曲线圈 分 别分析了该像差对光学系统的影响 并且分别进行了像质评价 从各个像差曲线图可 以看出 设计结果满足系统要求 第六章总结本论文的工作 概述本论文的创新点和存在的不足之处 对星载多光 谱相机的应用前景进行了展望 本论文的研究内窖总结如图 9 所示 研竞 兜 t t 覃曩 i 一 二至至亘 釜 二巫巫垂口 二至亟亟 图1 9 论文主要研究内容框图 a 3 0 m 空问分辨率 b o m 空间分辨牢 c m 空间分辨率 图2 l 不同空削分辨率下的成像质量 根据多光谱相机的使用情况 使用地点不同以及实际情况需求 不同场合下应该 选用拥有不同空间分辨率的多光谱相机 由于这种分辨能力实质上是相机瞬时视场时 所对应的域小像元 所以空 b j 分辨率也被叫做像元分辨率 图2 2 表示不同应用f 所 选择的空间分辨率 地入 矗忖 f 专1 日 转 5 0 1 p m m 奈奎斯特频率 4 2 初始结构的计算 4i 利用初级像差理论求取光学系统初始结构 光学系统的基本初始结构参数为曲率半径 镜片厚度d 等 可通过计算求出系统 的光焦度以及拉赫不变量 利用初级像差理论求出光学系统的初始结构 必须先求出 各组的像差参量p 和矾如式 4 i 所示 s i h p s i i m w s 一妻等 嘻等 2 豁 唾嘉 4 1 等屉一 d 舻卜 玲虮 c 暑 舢 d h h 圈4 1 共轴三反射镜系统结构图 由三反射镜半径与光焦度之间的关系可得到公式如下 i f n 一4 p b 4 吼 魏一吐缟吼 式中 光焦度为焦距的倒数 如式 4 4 所示 1 2 万 l 仍 7 仍2 了 则由推导可得 反的 相关 出修 4 2 4 3 4 4 1 一丝 肛南 晟2 鬲j 丽r j 丽 式中 q t 为m 2 对m i 的遮拦比 为m 3 的放大倍率 出初级像差理论可知 s i 一 l k l b k 1 一c k d l s i 一一2 k l 一垦局一c 2 k 2 d 2 2 4 墨一旦t g b 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 一1 0 4 1 1 a 2 为m 3 对m 2 的遮拦比 1 3 1 为m 2 的放大倍率 p 2 式中 s s i s m 分别为球差 嚣差 像散的磺德系数 系数a b i c i d a 2 b 2 c z d 1 a 3 b5 c 3 d 3 静鼬南 2 鄱 骂 知嗣 1 懈 g 一 q 啦 1 惧 3 日2 j 胛废 q 层 1 矗 1 一矗 2 一口 口 1 届x 一届 2 丘 0 4 1 2 4 1 3 4 1 4 一鱼 竺业丛坐盟一e 压 鱼坠盟 口l 崩q 一生益一 亟二9 1 璺 二璺巡 墨型二丛2 口l 口 口l a 2 崩届 由于卉 曲 函以及系统焦距 均为已知量 代入上述公式中 可以求褥三个反射 镜的半径n n 以及r 3 继而求出系统的初始结构 4 2 初始结构的优化 由式 4 2 至式 4 2 7 可求得光学系统初始结构参数t 如f 表所示 表4 2 光学系统初蛄结构参数 m 3 非球面 一7 2 51 2 8 6 2 5 1 6 6 2 4 3 2 15 由于共轴三反射镜系统通常存在中阳1 遮拦的问题 所以离轴三反射镜式系统得到 了较为广泛的应用与研究 与共轴系统相比 离轴三反系统可以利用离轴来实现消除 中心遮拦影响的目的 与双反射镜系统相比视场角有所增加 体积质量都较小 且能 比较容易的糟足缘茬要求 离辅三反射镜式系统能耐轴外视场较好的成像 系统分辨 率和接收光能量能力都有所提高 同时也可以得到相对较大的视场角以及相对孔径 为系统整体结构节约了很大空间1 3 因此该系统在实际应用方面拥有很大的实用价值 利用z e m a x 进行优化 加入操作数 同时把各个面的曲率半径蹬置成为变量 设置好视场角和系统焦距 移动次镜和三镜的位置 使系统达到离轴 消除中心遮拦 的影响 优化后的系统结构参数如下表所示 表4 3 优化后的系统结构参数 实际系统结构圈如图4 4 以及图4 5 所示 圈 l f e 盎j t 面 i 甜 图4 5 系统结构图 光学系统三维结构示意圈如图4 6 所示 圈4 6 系统三维结构示意圈 系统初始结构 再 轴效果 更改镜片 系统 最终得出该 系统产生球差 况下也认为球差 是一种区域像差 即是球差造成不同环带内的光线投有聚集在光轴上的同一点 而是 在不同像点上汇聚 在这种情况下 光轴和边缘光线同的距离就叫做纵向球差 如图5 l 所示为系统的球差曲线圈 9 9 9 8h i l l i m e t e r s 一 撼嘏巷o z j 鹭5 一 高 晶i 础 图5 1 系统的球差 通常情况下球差的公差按照两倍瑞利限度计算 公式如 5 1 所示 郇拈羔 击筹 o 舛s 此种情况为相对孔径是1 2 时的瑞利限度 则两倍瑞利限度数值约为o 1 即对一 个相对孔径为1 2 的光学系统来说 球差控制在0 i 以内一般认为是矫萨的较好的 这 个数值也可以作为其他相对孔径的光学系统的参考 通常认为此数值可以作为所有轴 向像差的一个参考数据 因此 由圈5 f 可看出 系统球差控制在0 0 4 5 以内 满足设 个位簧 上述两种像差不会对成像的质量产生任何影响 但是如果系统只有场曲存在 光线将会穿过一个不在主平面上的沿着主光线方向的点 如果系统只存在畸变 光线 将会穿过一个不沿着主光线方向 而是与主光线方向有一个偏移的点 同时视场角增 加 场曲与主平而之间的偏移量也会跟着增加 像面产生弯曲现象 点列图在主平面 上的高度不同 与之相对应的半径也不尽相同 子午畸变是一个尖锐的像在主平面上 形成 蛭为高度函数的敞斑围在主平面是一个点 这些点沿径向漂移 随着视场增大 漂移量也增大 如图5 2 所示为系统的场曲和畸变 j r u 月t u 窿口i s t f l i1 i 1 y 击j 靠之 矗一 妄 f 工丑0c u m t u r e o i s t o r t i o n i l e n 整s 慧h t r s 祭n o 驾t i t l 5 i 擂 r l c o h f i c l 最t 而 1 翟i 圈5 2 系统的场曲和畸变 一般情况下光学系统的畸变要求不超过2 即认为是比较好的 由图5 2 可知系统 畸变在1 以内 且子午场曲和弧矢场曲均在00 5 三l 内 是满足系统设计需求的 纛 荆麓鬣 5 3 点列图分析 所谓点列图 就是从光源射出的光线经过光学系统之后 光线和像面的交点呈现 分散j f 来的陶形 而不是统一汇聚于一点上 这是因为有像差影响的因素 这种分散 的图形就称为点列图 点列圈中呈不同形状分散j f 来的点能够用来评价一个光学系统 舶质量好坏 点越集中越密集 就说明光学系统的像差越小 成像质量越好 如果该 光学系统没有像差 那么点列圈上显示出来的就是一个单纯的点 通常情况下 我们认为点列图中超过3 0 的光线集中产生的图彤 这个图形直径 的倒数即为该光学系统所能分辨出来的线数 一般光学系统常j 书点列国作为评价成像 质量的其中 个指标 利用光学设计软件z e m a x 生成的点列圈 会在系统指标内对不 同波长和不同视场的光线都作出相应的点列图 图5 3 为系统的点列图 f y 了 巨 v 审 豁剃 5 j j 叩一 f 1 1 3 鞭 i 呓j 霸i 爝 臻5 h j g 攫 一 疆 品 南jj z 嚣 图5 3 系统的点列圈 由图可以看出系统的弥散斑半径基本小于c c d 的像元尺寸 设计符合要求 图 5 4 表示的是系统的能量环绕图 皿 i d i f fq 卿 6 i l i a d 瞄j s n 腑醒g m 豁k 5 1 8 9 翼黜 i i 2 b k r 晶i 品口h 品d 盎i n f f t 3 f f 甩r c t l d ne 牝i r c l e 凸e n 曾e y 臻琵誉 誉祷嵩二 s l i r v a b e 坤眭 c i f i c 盎t 孟i 翟i 图5 4 系统的能量环绕图 山k 图能看出 系统8 5 的能量都落在c c d 上 5 4 m t f 分析 光学传递函数o t f 由m 丁f 与p t f p h a s e t r a n s f e r f u n c t i o n 两个部分组成 其中 m t f m o d u l a l l o n t r a i t s f e rf u n 砸o n 也称调制传递函数 p t f 又称位相传递函数 m t f p t f 其总值为各个部分的m t f p t f 的乘积 总和 影响光学传递函数的因素有以下几种 焦面位罱d 视场角 波长丑和f 数等 由于关于p i t 的测量的相关文献不多且研究的程度还不够深入 再加上计算步骤比较 繁杂 因此虽然o t f 实际上是由两个部分组成的 但通常情况下只会注重m t f 的影 响 理论方面研究者们也更青踺m 丁f 所以一股都会使用m i t 来评价成像质量 m t f 不仅仅能反映出畸变大小 同州也能反映出其他的像差 利用m i t 曲线来评价成像质量 其对比度 即振幄1 的衰减程度 当某一频率的对 比度下降为零时 说明该频率的光强分布己无亮度变化 即该频率被截止 这是利用 光学传递函数来评价兜学系统成像质量的主要方法 利用光学设计软件给出的光学系统m t f 曲线圈通常是几条曲线 由这些曲线围成 的区域大小可以说明某像点的中心亮度大小 通常情况下认为区域面积越太 系统的 成像质量越高 最后探羽4 器上接收到的图像就能变得更清晰 综上所述 用m t f 曲线 来对一个光学系统进行像质评价是一种较常见的 也是公认的行之有效的方法 本论文所设计的光学系统经过优化 最终的 f r f 曲线如图5 5 所示 凳 撩 燃燃蜜 器悉篆然豢爨牲 十十十书书书 书千 孓年孓 震蘸氛挞砖5 i d q q q0 j 帅0 明ea 日 3 u r f r c e h b e 意高aj 翟 图5 6 系统的光线像差 由上图可以看出 光学系统的各个像差都在允许范围之内 满足设计的需求 5 6 本章小结 本章主要内容是对所设计出的光学系统进行像质评价分析 通过分别对球差曲线 场曲和畸变 点列图 m t b 曲线圈以及光线像差图进行简要的分析总结 可以看出所 设计的光学系统各个像差都基本满足设计要求 6 1 研究总结 第六章总结与展望 本论文主要的研究是星载多光谱相机的光学系统设计部分t 主要内容包括 首先分析了星载多光谱相机的成像原理 简要介绍了多光谱相机的基本组成以 及分类 并综合分析了现阶段国内外关于星载多光谱相机的发展状况 f 2 1 从星载多光谱相机的技术指标和应用要求出发 分析了系统的各项基本技术指 标 确定了系统的总体方案 同时探讨了各种光学系统的结构形式 综合分析比较透 射式系统 折反射系统 两反射式系统 同轴三反射式系统以及离轴三反射式系统之 u j 的优缺点 根据本论文的实际情况和具体参数要求 决定采用离轴三反射镜结构蹬 计践系统 根据具体的技术指标计算得出光学系统的各项参数 诸如焦距 视场角 相对孔径等之后 在共轴三反射镜系统的像差理论的基础上 求出系统的初始结构 利用软件进行优化 最终得出离轴三反射镜系统的初始结构 f 3 通过球差曲线 场曲和畸变 点列图 m t f 曲线以及光线像差曲线圈 分别 分析了设像差对光学系统的影响 并且分别进行了像质评价 从各个像差曲线图可以 看出 设计结果满足系统要求 6 2 展望 近些年来 多光谱成像技术在各个应用领域都有了广泛的发展 由于多光谱的特 性 能够对复杂的背景进行辨识 能清楚的识别出目标物体与背景 使得应用此技术 帕光学仪器在航空航天 水利探测 农罔 军事疗面部有良好发挥 从而吸引了越来 越多的学者加入了多光谱成像技术研究的队伍中 在航空航天领域挈 多光谱成像技 术通常被用做遥感平台 从而对地面进行探测 在这一领域中星载多光谱相机有着巨 大的潜力和应用前景 由于要被设计成搭载在卫星上的多光谱相机 因此相机的小型 化 轻量化势必成为未来多光谱相机技术的发展趋势 致谢 本论文通过前期所做大量的文献检索阅读及总结 经长时间的写作终于接近尾声 在论文即将完成之际 首先对我的导师付跃刚教授致以最诚挚的谢意 将近三年的时 光稍纵即逝 在这段日子里 付跃刚老师以他严谨的科学态度 勤奋进取的生活作风 一丝不苟的钻研精神给予了我启迪 为我指明了方向 是我和我的同学们晟好的榜样 付老师为人蘸和 平易近人 无论是在学习上还是生活上都给了我莫大的帮助 我的 论文能顺利完成 全仰仗于老师耐心的指导和谆谆的教诲 春蚕到死丝方尽t 蜡炬成 灰泪始干 千言万语也表达不了我的感谢之情 在此 仅以最简单的词句向付老师表 达我内心最诚挚的谢意 在攻读研究生的时问里 实验室的其他老师也给予了我很多关怀和帮助t 感谢胡 源老师 刘智颖老师无私的帮助 您们的教导让我终生受益 刷时 我也要感谢我的父母 以及实验室的兄弟姐妹 是你们的关怀和鼓励让我 能永远保持积极快乐的心态 感谢你们为我所做的一切 会 1 9 9 4 6 l 李最镇光学手册两安 m 两科学拄术m 版m 1 9 9 1 t i i 十 i m a a 太 一种凸面光棚o f f n e r 结构艘像光谁仅的设计方往仪器仪表学报 2 0 0 8 2 9 6 1 2 3 61 2 3 9 目国肥使携式机投多光滑成像系统n 卅月刊 5 4 3 9 1 言r 彪越光册碰像仪前簧成像物镜设计 f 碗 学位论空j 苏州 苏州大学光学t 程幕 2 0 0 9 i 伽薛鸣球 沈为民 毋君弊航天遥感用光学系统现代光学与光予学的进 2 0 0 2 o s 2 4 3 2 6 5 1 2 链乐样 泮学芹 越芊中罔禹把带成像逼痹j 日用研究m 燧田 资潭适感 2 0 0 4 6 0 2 1 6 1 3 i 樊学武 烁荣利 刘 等 一种超光请戒像仪前i 物镜的设计光于学撒 2 0 0 3 r2 飘4 4 朔4 神 1 1 4 i 郑 权小型o 而口光谱成像系统的蹬计光学精密t 程 2 0 0 5 1 3 6 6 5 c 6 5 7 l 司或旭沧光学世计北京z 北京理i 太学小版社 1 9 8 5 3 2 6 3 3 7 1 1 6 许目e 多光讲 超光诺成像探铡关键技术研究 博t 学世论文 天津 天津 学位器科学与技术系 2 0 0 8 1 1 7 张傩 车克新 武春a 等多光谱目标探涮的波段选择光学技术t2 0 0 5 3 i f 6 z8 9 3 s 9 7 i l 目钟辫 张雷 盘光反射光学幕统杂教光的谤腺 外与激光t 程 2 0 0 8 3 7 2 3 1 6 3 1 8 l 卅选近锅 k 伯珩 边j i i f 等商分辨年多光诺缸字相机电 学系统的设计光学技术 2 0 0 6 t3 2 5 2 1 5 2 0 1 刘团鲒航空多光请教字相机系统差健技术厦成用研兜 l 弭t 学位诧蜘北京 中国科学r 遥感r m 开览所r 2 0 0 2 障i 史磐爵航r 遥感相机光学系统设计研究 硕士学位论文 需龙扛 睹尔摈t 业大学 2 0 0 7 f 2 2 稿 亮 f 朝l 卑 林日样 菩 星戴多光谱c c d 相机研究仪器倥表学报 2 0 0 4 2 5 2 1 4 6 1 5 1 i 笃 i 甜箍 t 嚣 高车星载超光增成像技术应用发现状分析航x 返州 遥巷 z 0 0 0 2 1 i 4 04 7 障邮童庆禧 张再 帮兰芬高光滑遥粤原理 技术 o 应用北衷 商霉毂育出版扎t 2 0 0 6 1 9 2 8 口i 浦瑞鹿 富鹏高光谱通巷删l 应币北熟高等教育 版也2 0 0 0 4 8 5 2 2 q 张宗费 f 润生基f 暗学的虚缘光谱遥感技术笸胜 i 应用田土赉橱砸喀 2 0 0 0 m 1 7 2 4 2 刀韩心志航无多光涪道巷北京z 宇航出版社 1 9 8 9 4 0 4 4 1 2 8 1 k 禹秉熙成像光坩但们t 技术概览通瞎学扭2 0 0 2 6 1 7 5 瑚 1 2 9 m i c h a e le 髓h 唧删r o b e f tog n e l lt h em m mo fi 眦z i n gs 脚s o o p yp r o s p e c t i v et c c h n o o g 删 p l i c a t i o n sf 口m i n f e r a a t l o n q g l c n a n d r ks s l n gs y m p o s i 啪 2 0 0 6 2 0 0 5 2 0 0 9 1 3 0 xp d c m b t a n c m 仰l e m o h 0 e n m c 日 d i g no f o a 删i m a g i n g 卿胁o p t i c se x p r e s s 9 1 5 6 2 0 0 6 1 4 2 0 3 i lp t a z i sm o l i l s d a v i dat n o m t r a d es l u d i oi nm u l t p h y p e r 删i m a g i n gs y s t e m sf i n a lr p 州j e t p m 叩1 5 l 帅l a b o r a g o 口 1 9 9 8 i o 2 9 3 2 jj o h n wf i g o s k la b e r r a t i o n n n b o f n o n s 3 m cs y s t m ss p i e 1 9 8 5 5 5 4 1 0 2i l o 3 3 lr ab u c h r o c d 口 asl e o n m d w d 十r