微型集成超光谱成像系统

设计了一种便携式高集成度超光谱成像系统，其特点是将系统中的所有光学元件固化在两块胶合而成的普通玻璃表面。介绍了系统的结构原理与设计思想，给出了设计实例及像质评价。优化设计的超光谱成像光学系统由3个同心球面光学元件构成，曲率中心与入射狭缝、CCD接收器位于同一平面内，系统尺寸〈30mm×30mm×30mm。光学系统在可见光波段（0．4～0．8μm）工作，相对孔径〉1：2．5，放大倍率为1：1，无色畸变，谱线弯曲仅为几个纳米，满足物方和像方远心，成像质量接近衍射极限，光谱分辨率高、稳定性好，适用于航天、生物医学等领域。

重金属Cu、Zn、Pb复合污染对紫色土壤酶活性的影响

土壤酶是反映土壤肥力的一个敏感生物指标,还可以在一定程度上反映土壤环境的优劣状况。采用室内培养试验研究了铜、锌、铅复合污染对土壤过氧化氢酶,转化酶和脲酶活性的影响。结果表明,铜、锌对3种酶都有抑制作用,其中锌对3种酶有显著抑制效果,而铅在一定浓度下对3种酶有激发作用。铜、锌、铅复合污染对脲酶的影响表现出协同抑制负效应的特征;对转化酶却表现出一定的拮抗作用,尤其铅浓度较高时,拮抗作用较明显;对过氧化氢酶的影响主要随铜、锌浓度增加而降低,锌的抑制作用显著。从土壤酶角度看,铅对轻度锌和铜污染有改良作用,而对铜污染修复效果不显著。

F-θ镜头的光学设计

介绍一种适合于激光打标的聚焦镜头-F-θ镜头的光学设计.通过引入桶形畸变,得到的F-θ镜头的像高与入射角成正比,可实现打标速度的线性控制.优化设计得到的工作面积达500×500 mm2的F-θ镜头,结构简单紧凑、聚焦性能达到衍射极限.

Offner凸面光栅超光谱成像仪的设计与研制

传统的平面或凹面光栅分光的光谱成像仪受像差校正的限制,数值孔径较小,能量利用率低,难以实现高的光谱和空间分辨率。用一块凸面光栅代替全反射式Offner中继系统中的凸面反射镜,构成的Offner凸面光栅超光谱成像仪具有固有像差小的优点。凸面光栅的制作采用全息记录的方法,通过优化设计全息记录参数和光栅槽形,可获得高的衍射效率。优化设计并研制得到的凸面光栅超光谱成像仪结构紧凑、像差校正能力强、数值孔径大、集光本领高,可同时获得高的光谱和空间分辨率。

棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计

设计了一种基于棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism,PGP)分光器件的新型成像光谱仪.论述了此成像光谱仪的工作原理和结构形式,包括PGP、准直物镜和成像物镜的设计要求.PGP元件中采用体积相位全息透射光栅,可以获得高的衍射效率,并且能与棱镜较好地胶合.给出了此成像光谱仪的设计结果,其光谱范围为400～800 nm,像元光谱分辨率约1.6 nm,系统长度为85 mm.

三峡库区紫色土旱坡地不同坡度土壤磷素流失特征研究

以三峡库区紫色土旱坡地为研究对象,采用野外径流小区观测方法,研究了三峡库区旱坡地不同坡度下土壤磷素的流失特征。结果表明,地表径流量和侵蚀泥沙量都随着坡度的增大而增大,且径流量和泥沙量是先增大后减小,最后趋于稳定。地表径流和侵蚀泥沙中磷素的流失量均呈17°>9°>4°的趋势。地表径流中,颗粒态总磷流失量是水溶态总磷流失量的1.50～1.51倍。全磷主要吸附在泥沙中流失,磷素随泥沙的流失量占总流失量的85.0%～94.1%。研究结果为三峡库区旱坡地磷素的管理提供理论依据。

一种大相对孔径成像光谱仪前置物镜设计

Offner型成像光谱仪具有结构紧凑,成像质量理想的优点,为了提高光谱分辨率,实现更多谱段的光谱成像,需要分光成像系统有强的集光能力,即需要大的相对孔径;为了消除折射材料的影响,提高光栅利用效率,系统应该全反射无遮拦,为此选用离轴三反射镜系统作为它的前置物镜。离轴三反射镜光学系统具有无色差、光谱范围宽、无遮拦、像差矫正能力强和对温度不敏感等优点,可作为成像光谱仪的理想前置系统。根据该成像仪的技术要求,得到系统F数为F/2.47,焦距为360mm,视场角为2.5°。通过优化设计,得到了一个大相对孔径的离轴三反射镜前置物镜系统。该系统相对孔径大,光能利用率高,成像质量达到衍射极限,特别是次镜采用球面,大大降低了制造检测难度和成本。

机载可见-红外超光谱成像仪信噪比的估算

信噪比表征光谱成像仪的辐射响应,是与其图像质量密切关联的重要参数。对于机载超光谱成像仪,在保证光谱分辨率的同时,要求其信噪比达到数百量级。有别于单色相机,光谱成像仪的信噪比估算侧重于获得其工作波段内各波长处的信噪比值。仿真实际的拍摄条件,特别引入了入射狭缝对视场限制所引起的信噪比衰减,综合考虑平台高度、太阳高度角、地面反射率等环境因子,利用"中分辨率大气传输模型"建立光信号的大气传输模型。超光谱成像仪的工作波段覆盖可见、近红外范围,同时使用的两个探测器的噪声需分别予以计算。信噪比的估算可作为机载超光谱成像仪总体设计和参数确定的依据。

宽波段DMD动态红外景象仿真器投影光学系统设计

宽波段红外景象仿真器可用于内场评价和验证中波/长波红外双波段成像仪。详细介绍了基于数字微镜器件(DMD)的动态红外景象仿真器的组成和工作原理。重点介绍了覆盖中波和长波红外的宽波段红外投影光学系统的指标要求、设计思想和设计结果。基于离轴三反射镜系统设计的系统,具有无色差、适用波段宽、相对孔径大、结构较紧凑、成像质量好等优点。根据待测设备要求,设计了一款口径100、相对孔径F/2.84、全面视场角4.4°、成像质量接近于衍射极限的宽波段投影光学系统。

基于星点图像的小像差复原

提出了一种基于星点图像的小像差光学系统像差复原方法。应用标量衍射理论和Bessel级数,推导了以波像差的Zernike系数为参量的小像差光学系统点扩散函数的解析计算公式,利用该公式给出了基于星点图像的小像差复原问题的目标函数及梯度函数的表达式,并采用最优化方法进行求解。分别在理想情况和噪声情况下数值模拟了光学系统的像差复原,验证了本文提出的像差复原方法的有效性,并分析了星点目标尺寸对复原效果的影响。该方法以波像差的Zernike系数为优化变量,并利用推导得到的解析表达式计算目标函数及其梯度值,避免了常用像差复原算法中所需的傅里叶变换和有限差分等数值运算,提高了复原算法的运算速度。

机载红外推扫成像光谱仪光学设计

红外成像光谱仪适用于火山活动探测、森林火灾监测、城市化影响分析、地球表面研究及军事伪装识别等方面。文中基于Dyson中继系统，设计使用波长范围为7.5~10μm的长波红外成像光谱仪，采用凹面衍射光栅分光，系统F数达到1.2，视场角18°，空间分辨率为1 mrad，光谱分辨率为50 nm，NETD小于0.3 K,调制传递函数接近衍射极限，光学系统体积为72 mm×39 mm×39 mm。该系统具有集光本领强、固有像差小、结构紧凑等优点。对其杂散热辐射分析表明，采用实入瞳作为冷光栏和整体制冷的方法，能有效地抑制光机系统自身的热辐射。

Offner型短波红外成像光谱仪分光系统的设计

应用以像散面为参考波面的平面对称光学系统波像差理论,分析Offner型成像光谱仪分光系统的像散特性,确定其初始结构.优化设计适用于短波红外波段（1.0-2.5μm）的此型成像光谱仪分光系统,设计得到的系统具有入射狭缝长（30mm）、相对孔径大（F/#2.5）、结构紧凑、物像方远心等优点,其狭缝光谱像的弯曲畸变和色畸变均小于百分之五个像元,成像质量接近衍射极限.

三峡库区小流域工程措施对农业非点源氮磷的截留效应

为研究工程措施对小流域农业面源污染的综合治理作用,在三峡库区典型小流域内进行土地整理方面的工程布设,研究了工程措施对农业非点源氮磷的截留效应。结果表明:工程措施能够对三峡库区小流域内氮磷的流失起到截留作用,对径流和泥沙中全氮和总磷的截留作用显著。工程措施对径流全氮的截留强度为3.43kg/hm2,总磷的截留强度为0.098kg/hm2;对泥沙全氮的截留强度为6.73g/hm2,总磷的截留强度为1.24g/hm2。工程措施对氮的截留效果好于磷。研究结果为从工程方面治理三峡库区小流域农业面源污染提供了理论依据。

区域方差和点锐度相结合的多聚焦图像融合

针对光学成像系统景深范围有限、景深范围外目标成像模糊的问题,提出一种区域方差和点锐度相结合的拉普拉斯金字塔变换图像融合方法。该方法首先对多幅源图像做拉普拉斯金字塔变换,提取源图像在不同频率层的特征信息;对金字塔顶层图像和其余各层图像,分别采用区域方差和点锐度作为融合度量,对其进行融合,得到融合图像的金字塔各层系数;最后进行拉普拉斯金字塔逆变换得到融合图像。仿真结果表明,本文方法得到的融合图像主观视觉效果和客观评价指标均优于其他常用算法,标准差、互信息和边缘保持度分别提高了0.24%、6.8%和8.4%。该方法有效降低了融合图像的噪声,获得了更加丰富的边缘信息,对实现光学成像系统在大视场范围获取高分辨率光学图像具有重要意义。

基于自由曲面的紧凑型宽波段成像光谱仪设计

针对基于传统光学元件的成像光谱仪,在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题,在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论,分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系,通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面,设计了一款工作于可见光到短波红外波段(400~2500 nm)、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测,来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后,通过分束器将工作波段分为可见近红外(400~1000 nm)和短波红外(1000~2500 nm),优化设计结果表明,光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm,成像质量良好,为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求,基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像,位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″,筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内,像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm,在空间频率230 lp/mm处,各视场调制传递函数值大于0.4,系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑,可用于无人机遥感领域,在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时,还可实现光学系统的小型化和轻量化,具有广阔的应用前景。

紫色丘陵区不同土地利用方式下土壤团粒的分形特征

为研究不同土地利用方式对土壤团粒的影响,探索土壤质量、结构的定量化描述,采用湿筛法对重庆市荣昌县吴家镇的旱地(玉米地),水田(望天田),撂荒地(旱地撂荒8年以上,常年为白茅草覆盖)和人工林(柏树,种植年限12年)4种利用方式下土壤的团聚体含量进行了测定并对其分形特征进行了研究。结果表明:土壤团聚体总量为人工林地>水田>旱地>撂荒地。且这4种土地利用方式土壤团粒结构分形维数在2.057～2.833之间,表现为团聚体总量越高,其结构的粒径分布的分形维数越高。不同剖面深度表现为:0～5cm团聚体分形维数最高;5～10cm团聚体分形维数最小。分形维数具体表现为林地>水田>旱地>撂荒地,其中分形维数平均为2.832,水田为2.819,旱地为2.658,撂荒地为2.239。土壤颗粒分形维数和有效钾含量呈极显著的正相关;与土壤全氮和速效磷含量呈显著正相关;与全磷、全钾、碱解氮关系不密切。因此,土壤分形维数能客观反映土壤结构性状,是表征土壤结构好坏的一个综合性定量指标。

大工作面F-Theta镜头的光学设计

目前国内用于激光标刻机的F-Theta镜头的工作面积一般不超过420 mm。国外虽有面积较大的F-Theta镜头,但结构复杂。通过初级像差分析,确定了镜头的初始结构参量,利用光学设计软件优化得到了工作面积为680 mm的F-Theta镜头,它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到100 mm,具有结构简单紧凑,聚焦性能接近衍射极限、线性畸变小的优点,满足大工作面打标的使用要求。

大相对孔径连续变焦前置物镜的光学设计

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求,设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统,具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法,变倍比为4×,相对孔径为1∶2,在宽视场(8°)和窄视场(2°)端的焦距分别为55mm和220mm。系统畸变小于0.6%,在66lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5,能够满足超光谱成像仪的使用要求。

偏心分孔径偏振成像光学系统的设计

详细介绍了分孔径光学系统初始结构参数确定和光学设计方法。分孔径光学系统是一种偏心系统,可分解为多个同轴子系统的组合,在给出其初级像差表达式的基础上,利用PW法及最小二乘法计算其初始结构参数。优化设计得到了适用于偏振成像的、焦距为40mm、F数为4.5的和工作波长范围为450～650nm的四孔径光学系统。该系统采用普通光学玻璃,光学总长为120mm。镜头的成像性能接近于衍射极限,能够满足应用和指标要求。