嫦娥一号卫星成像光谱仪光学系统设计与在轨评估

介绍了嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪的科学目标、总体设计思想、方案选型、工作原理、光学实施方案、光学系统设计及评价、空间环境适应性考虑、发射前光学图像质量检测、在轨运行情况及在轨性能评测.

嫦娥一号干涉成像光谱仪的定标

介绍了我国首次探月卫星的有效载荷之一Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪的定标.提出了"行"平场原理以及不同类型的光谱仪对比方法,分别用于相对定标与光谱辐射度绝对定标,取得了好的实验结果.检测了谱线位置不确定度、光谱分辨率及在轨光谱辐射度的相对不确定度.给出了探月卫星干涉成像光谱仪的定标及检测结果.首次采用干涉型成像光谱仪实现了对月的可见光/近红外宽谱段连续光谱探测.

探月光学

介绍了我国首次绕月探测嫦娥一号卫星的主载荷CCD立体相机与干涉成像光谱仪的原理、设计思想、技术措施与特色、设计结果以及在轨图像质量评估与检测.CCD立体相机采用一个广角物镜加一块面阵CCD的独特技术方案,从而使立体相机具有结构紧凑、小型轻量、配准精度高、航天环境适应性强等优点.4种曝光时间与4种电子学增益共16组合,可以实现同轨不同纬度的曝光量调整.干涉成像光谱仪采用了大比尺缩小的图像传递、2×2像元合并、矩形孔径光阑、2种曝光时间与3种电子学增益共6种组合的在轨曝光量调整等技术措施.在轨运行表明,各项技术措施有效,达到了预期目标.

嫦娥二号卫星CCD立体相机设计与验证

介绍了嫦娥二号卫星CCD立体相机的设计思想与结果、发射前检测与地面推扫成像试验。嫦娥二号卫星CCD立体相机仍采用与嫦娥一号相同的线阵推扫成像模式,但嫦娥二号卫星CCD立体相机的技术指标要求大幅度提高,主要表现为地元分辨率由嫦娥一号的120m提高为嫦娥二号在100km圆轨上优于7m与在100km/15km椭圆轨道近月弧段优于1m。地元分辨率提高,加之轨道降低造成地速增大,致使在100km/15km椭圆轨道上对虹湾极低反射率的月面成像时最长曝光时间不能超过0.6ms。同时又要求相机在100km圆轨上曝光时间为4.5ms时不产生饱和,即CCD立体相机既要满足100km圆轨的全月面立体成像,同时又要满足在100km/15km椭圆轨道上1m成像分辨率的局域高精细探测,从而要求扩大相机的动态范围以及提高探测灵敏度,这些都使嫦娥二号CCD相机的设计、研制难度大幅增加。实际设计与发射前检测表明,嫦娥二号卫星CCD立体相机很好地满足了任务要求。

嫦娥一号卫星CCD立体相机的设计与在轨运行

介绍了立体成像原理、参数选择、相机方案及设计结果。发射前的实验室检测表明:整机MTF达0.48,S/N为235。由嫦娥一号卫星CCD立体相机获取的图像清晰,层次丰富。用户根据在轨运行前期探测数据对CCD立体相机的科学探测数据质量进行了初步评估,认为CCD立体相机工作正常,数据格式正确,科学数据有效,图像质量优良,能够进行稳定的数据观测、采集与下传。最后介绍了相机在研制过程中采用的一些新技术。

实体Sagnac干涉仪的设计

以嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪为例,介绍了Sagnac干涉仪的设计思想,共光路及横向剪切原理、剪切量的计算方法以及干涉仪分束面上分束区与透射区的设计.该Sagnac横向剪切干涉仪作为嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪的核心部件,经检测与在轨运行,表明设计正确,经受了包括月食低温在内的各种恶劣的航天环境的考验,获得了大量清晰的月表多光谱图像.

干涉成像光谱仪中宽谱段傅氏光学系统设计

设计了一种宽谱段前置光孔远心光学系统,其孔径光阑位于透镜组的焦面上,该设计集宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔及远心等特点于一体.讨论了这样一种特殊光组的设计.选用国产牌号的光学玻璃配对,价格低廉且在校正色差后,自动校正宽谱段二级光谱,并实现了透镜组两侧同时具有长工作距.设计结果表明,光学系统的残余二级光谱很容易控制在千分之一焦距以内,波面平行差小于0.00022弧度.

嫦娥二号月球卫星CCD立体相机在轨图像分析

嫦娥二号月球卫星从2010年10月1日发射至今,已在轨运行近2年,除全部完成预定的工程与科学目标外,还完成了若干扩展科学试验。CCD立体相机获得了月球虹湾地区的35轨空间分辨率约为1.3m的局域立体图像,以及7m空间分辨率、100%覆盖的全月立体图像,是迄今为止国际上分辨率最高、最清晰的全月立体图像。文章在简要介绍在轨图像获取情况的基础上,对15km/100km椭圆轨道及100km圆轨道上获取的图像进行了分析,重点讨论了拍摄时的太阳高度角对图像视觉效果以及图像信息量的影响,可为中国今后探测其他星球提供一定的参考。

多缝衍射光谱技术

本文从重叠干涉强度分布和重叠光谱强度分布的概念出发,论证和推导了多缝衍射光谱技术中复原光谱的极限理论分辨率的公式。讨论了稳定求解的条件。并对多缝衍射光谱技术和经典的衍射光谱技术两者的光谱分辨本领作了比较,同时给出了几个计算机实验的结果。

“嫦娥二号”卫星CCD立体相机的关键技术

文章介绍了中国两次绕月探测中CCD立体相机所采用的技术与创新,并与国际同类相机所获取的图像进行了比较;在此基础上详细介绍了"嫦娥二号"(CE-2)卫星CCD立体相机的综合创新集成技术——"单镜头两视角同轨立体成像、时间延迟积分图像传感器(TDICCD)推扫、速高比补偿",并从工程目标与科学目标出发进行探测灵敏度及成像动态范围的需求分析;根据需求分析确定了总体技术方案,包括光、机、电的优化设计以及对月探测中首次采用TDICCD的技术困难与对策;特别讨论了速高比补偿的方案及实施途径,并进行了在轨试验验证。文章最后分别给出了虹湾地区成像分辨率为1.3m以及全月面分辨率为7m的代表性图像,图像清晰、层次丰富,显示出中国在对月立体成像技术上取得了显著进步。

付氏光谱仪中用软件取代干涉仪补偿板的研究

我们用计算机模拟实验证明,采用软件可以取代付氏光谱仪中迈氏干涉仪的补偿板,而对仪器的性能不产生任何不良影响。这一研究成果对于采用极易潮解而又比较昂贵的澳化钾,碘化铯等晶体作为补偿板的中红外付氏光谱仪具有可能的应用前景。

一种新颖的检测摆动运动动态精度的仪器

我们为某超大型、高精度的摇摆台研制了一台动态精度检测仪,该检测仪原理新颖、测试精度高、结构简单、使用方便,有很高的性能/价格比。 本文将简要介绍其检测原理、仪器结构、关键技术及质量评定。

法布里—珀罗干涉仪研究光谱线超精细结构的理论分析

在前一篇论文中,我们提出了利用法布—珀罗干涉仪(以下简称F—P干涉仪)研究光谱线超精细结构的一种新方法。在本文中我们将就表征F—P干涉仪特性的二个参量——自由光谱范围与分辨本领,把它与经典方法,作一理论上的分析与比较。其结论是:二者都必须遵守自由光谱范围。但在相同条件下,我们方法所能达到的分辨本领要比经典方法提高一倍。

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.

重力作用下平面反射镜变形研究

应用有限元方法对干涉仪的装配前后的平面反射镜进行了静力学分析,对其在重力作用下水平和垂直放置时进行了分析,通过计算镜面变形的PV值和RMS值来评价是否超差及固定反射镜的结构是否合理 并通过Zernike多项式拟合进行了数据处理,分解出了引起的像差成分,并相应地提出了提高像质的措施.

AOTF成像光谱仪光机系统设计

基于AOTF成像光谱仪原理样机的总体设计方案,提出工作谱段范围400nm～900nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的光机系统设计。该原理样机的光学系统采用三组镜头组合而成,前置望远镜系统采用1倍的物镜与准直镜光学系统组合,成像镜同时采集由AOTF产生的正交偏振的正、负一级衍射图像,全系统在32lp/mm的空间频率下,MTF大于0.7。

一种新型面阵CCD航天立体摄影测量光学系统

采用一台大面阵CCD和广角摄影物镜的组合,研制成功一种新型的单面阵CCD航天立体摄影测量系统.该系统焦距为23.3mm;视场角为40°;在空间分辨率为36lp/mm时,MTF均值达到0.8以上;光谱适应范围为0.5μm～0.75μm.和国内外常用的三线阵CCD遥感立体测量相机相比,本系统结构更简单、体积更小,重量更轻,更加适用于航天遥感应用环境.

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求,通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析,从三个相互垂直的方向出发,研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系;并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式;用实例说明了关系式的应用方法,如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严,约20″以内·

改进的线性混合模型用于高光谱分离实验模拟

从考虑成份光谱的噪声出发 ,提出了改进的线性混合模型来补偿成份光谱噪声的影响 ,并在假定成份光谱和混合光谱噪声源于同一噪声源的前提下 ,给出了改进线性模型的数学求解过程及数值计算思路 ,且通过合成的含噪声的混合光谱对两种方法做了对比验证 ,实验证明 :改进的线性混合模型有效地克服传统线性模型的不足 。

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5°～6°,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128×128像元,TeO2晶体尺寸为10mm×10mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。