嫦娥一号干涉成像光谱仪(IIM)2C级数据信息提取

通过分析Chang’E-1卫星所获取的高光谱数据的太阳高度角因素,选取了太阳高度角较高的IIM2C数据进行光谱定标。采用邻域平均法及邻域加权均值法对原始数据进行了杂点、条带修复。由于干涉成像光谱仪CCD阵列增益畸变以及它的自身问题使得干涉影像存在横向响应不均一性,提出采用基于子空间最大特征值法进行校正,结果影像亮度统计其强度表现均一,符合自然图像特征,并采用自编程序进行几何校正。运用国际上较为成熟的经验线性法对Chang’E-1IIM 2C数据进行绝对定标;与此同时,为了修正线性定标的偏置系数及降低数据噪声,首次采用自适应小波变换法对辐射定标后数据进行后处理,确定了IIM2C数据可用波段。通过对比国际标准定标点数据,制订了嫦娥IIM2C数据分析方案,完成了第一幅完整的Chang’E-1IIM 2C月球正面反射率影像。

干涉成像光谱仪高光谱数据信息质量评估

从信噪比和信息熵两个方面对干涉成像光谱仪(IIM)高光谱数据的信息质量进行了评估,以期为IIM高光谱数据的深入应用提供参考依据.结果显示,IIM高光谱数据整体信息质量良好,中间波段影像信息质量优于两端波段,750 nm附近作为月表斜长石、辉石光谱曲线反射峰,表现出较好的信噪比和信息熵,这对提取月表元素与矿物具有重要意义,但作为辉石、斜长玻璃矿物吸收谷的930 nm波段附近则信息质量较差;前9个波段信息质量上升趋势明显,但整体较差,建议在使用时对噪声做着重处理;第一波段和最后一个波段信息质量较差,建议舍去.

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.

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的月球岩石类型填图:以月球雨海—冷海地区(LQ-4)为例

月球表面的岩石类型分布是理解月球岩浆演化的线索。随着出现越来越多的月球探测数据,利用我国的月球探测数据开展数据挖掘,以获得更深刻的科学认识,这是促进相关研究领域发展的当务之急。文中在进一步校正干涉成像光谱仪数据的基础上,获得了更为可靠的月表FeO和TiO2、镁指数填图等。在调研已有的月球岩石分类标准的基础上,根据我们的月表成分填图结果并结合Lunar Prospector Th元素数据,将月球岩石分为亚铁斜长岩、富镁结晶岩套、克里普岩和5种不同钛含量月海玄武岩等8类岩石。笔者以月球正面雨海—冷海(LQ-4)地区为例,做出该区域的岩石分类图,并讨论了该地区的岩石成因。该地区覆盖"嫦娥三号"着陆区,包含月球雨海撞击事件所形成的玄武岩岩浆泛滥区,对于理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。笔者利用岩石类型分布图,结合岩石同位素年龄数据,与对该地区岩石类型分布及其所代表的月球岩浆演化历史进行了讨论。此外,笔者也对"嫦娥三号"着陆区的FeO、TiO2和镁指数、岩石类型等进行了初步判别,有待于与玉兔号搭载的探测仪器测量结果相互验证。

高速转镜干涉成像光谱仪

介绍一种高速转镜干涉光谱仪原理,提出一种基于该原理的干涉成像光谱仪,该成像光谱仪有较大视场角,提高了扫描效率,特点是用带有倾角平面反射镜转动代替传统Michelson干涉成像光谱仪动镜的直线运动,解决了Michelson干涉成像光谱仪扫描效率低和不稳定的难题.

基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时数据处理系统研究

根据干涉式光谱仪系统数据处理技术,研究了一种基于大容量高速现场可编程门阵列(FPGA:Field Program-mable Gate Array)器件的干涉式成像光谱仪实时数据处理片上系统,它将干涉图采集和光谱复原集成在一个FPGA芯片内,可实时完成干涉图采集和光谱复原处理,具有体积小、运算速度快以及稳定可靠等优点,为成像光谱仪对目标的实时探测和识别等应用奠定了良好的技术基础.

大孔径静态干涉成像光谱仪的信噪比分析

根据大孔径静态干涉成像光谱仪的原理和特点,分析了光辐射能在光学系统内的传输情况,对探测器上接收到的光辐射能信号和噪音信号做了详细的推导,得到了仪器理论信噪比的表达式.在实验上以大口径积分球为辐射源,采集仪器输出的干涉图像,计算得到仪器的实际信噪比曲线,对大孔径静态干涉成像光谱仪的理论信噪比曲线与实际的信噪比曲线做分析比较,结果验证了用推导的论信噪比的表达式来预估仪器信噪比的可行性.

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。

干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析

随着搭载干涉成像光谱仪HJY20-1-A的我国环境与减灾遥感卫星HJ-1A即将发射,我国干涉光谱成像研究也从实验室开始走向实用化.在干涉光谱成像过程中,切趾函数处理是干涉成像光谱仪光谱复原过程中的一个重要环节,对复原光谱的精度有着极其重要的影响.根据HJY20-1-A的参数设置,文中首先模拟了24种典型地物对应于HJY20-1-A和其它最大光程差设置的干涉成像光谱仪数据,在不同切趾函数作用下的复原光谱,结果表明Hann ing函数是其中最有效、最为稳定的切趾函数,同时发现切趾函数的应用虽然可以提高复原光谱的精度,但与真实光谱仍存在一定差距,尤其对应HJY20-1-A,复原光谱的精度更加有限.在以上分析基础上,提出了基于仪器线型函数标准化的光谱复原改进算法,实验结果证实了该方法可以显著提高复原光谱精度,尤其适用于最大光程差较小的空间调制型干涉成像光谱仪.最后,就HJY20-1-A复原光谱对3种典型植被指数求解,进一步证明了该方法的有效性.

大孔径静态干涉成像光谱仪图像校正技术

设计了一种基于相位相关与归一化积相关的联合图像校正算法。该算法针对卫星姿态变化对LASIS(大孔径静态干涉成像光谱仪)图像造成的畸变,根据傅里叶变换的旋转平移特性,实现图像序列旋转失真的高精度校正,校正精度达到0.01 ;同时,基于归一化积相关方法实现图像序列平移失真的校正。针对LASIS数据量大的特点提出了改进的快速自适应模板选取法,使算法的运算复杂度按4n递减。仿真结果表明,该算法能快速有效地校正LASIS图像。

CE-1干涉成像光谱仪数据光度校正与反射率计算

干涉成像光谱仪(interference imaging spectrometer,IIS)是嫦娥1号探月卫星(chang’e-1,CE-1)搭载的有效载荷,具有图谱合一的特点,用于实现月表重要元素及矿物类型的分布与含量分析的科学目标。由于观测条件的不一致,IIS获取的不同区域的月表数据明暗差异显著,因此,必须要进行光度校正,以消除由于观测条件不一致而引起的目标辐射特性的不均一性。文章在分析IIS数据特点的基础上,利用改进的Lommel-Seeliger模型对辐射定标后的IIS辐亮度数据进行逐像素光度校正;选定距离Apollo16着陆点最近的一块区域作为定标区,利用实验室测得的62231月壤样品双向反射率作为校正标准进行辐亮度到反射率的计算,得到CE-1 IIS反射率数据,并选择71501月壤样品对反射率计算结果进行精度评价。该工作对于月表矿物类型识别和信息提取、不同类型月表矿物与岩石的分布图绘制等具有重要意义。

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正研究

在阐述一般成像系统中CCD象元响应非均匀性校正的原理与算法的基础上,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题.

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据再校正与全月铁钛元素反演

月球表面的元素和物质成分分布是理解月球成岩与地质演化历史的重要线索。嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）是我国首台月球探测成像光谱仪器,其获得的大量月球高光谱数据已成为我国未来探测月球成分与地质演化研究的宝贵基础数据。本文利用探月工程地面应用系统发布的IIM B版本2C级数据,开发出一套数据再定标流程,获得了较为可靠的月表相对反射率数据。我们在新校正数据的基础上开展月球表面FeO、TiO_2的反演建模,获得了全月FeO和TiO_2分布图,这些图件是进行月球地质填图的基础。校正数据反演的FeO和TiO_2分布与前人对Clementine UVVIS数据的反演结果相近,表明干涉成像光谱仪数据具有较大的应用潜力。高地的低铁岩石成分（一般小于8%）佐证了月球月壳形成的过程中的岩浆洋分异假说,而月海玄武岩的TiO_2成分变化范围较大（0~13%）则表明月海玄武岩来源于不同的月幔源区。根据嫦娥一号干涉成像光谱仪全月FeO分布图,可将月球表面物质类型总体划分为高地斜长岩和月海玄武岩,而根据TiO_2分布可以进一步将月海玄武岩划分为5种不同钛含量的玄武岩岩石类型。FeO和TiO_2在全月范围内的分布表明Apollo和Luna返回的月球样品不能够代表全月范围内的矿物成分多样性,月球岩浆演化历史比前人认为的要复杂。未来月球样品返回任务（如嫦娥五号）如能赴这些特殊地区进行取样,将很有可能返回重要的月球科学研究发现和成果。

大孔径静态干涉成像光谱仪中双通道Mach-Zehnder横向剪切干涉仪的设计

大孔径静态干涉成像光谱技术是一种时空联合调制的傅里叶变换成像光谱技术,其核心元件通常采用Sagnac横向剪切干涉仪。这种结构会使进入干涉仪的光线有一半沿原路返回,降低了能量利用率。文章提出一种改进型Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构,克服了能量利用率低的缺点,在实现横向剪切的同时,还具有双通道输出的优点。本文通过光线追迹的方法,得到剪切量的一般表达式,并分析了各种误差源对剪切量误差的贡献。为大孔径静态干涉成像光谱仪的设计提供了新思路,可为该类型的成像光谱仪的设计与优化提供理论指导。

凸面光栅成像光谱仪的干涉法装调

研究了Offner凸面光栅成像光谱仪同心分光系统的装调方法。将双光束干涉基本原理与同心光学系统基本特点相结合,提出了适用于Offner凸面光栅成像光谱仪的干涉装调法。该方法首先对凸面光栅成像光谱仪同心光学系统的两个凹球面反射镜进行同心装调,由于单个球面反射镜的离焦量难以调整至零,故引入相对离焦使两个反射镜的离焦量相等,从而实现两镜同心。另外,考虑无法用同一套凹球面补偿镜来检测凸球面,故提出采用谱图直读法来确定凸面光栅位置,实现了Offner凸面光栅成像光谱仪的高精度同心装调。实验结果表明,经干涉法装调后,分光系统主镜和三镜的球心距离可以达到几个纳米甚至更高。

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正技术

通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,给出了探测器非均匀性大小对干涉图校正及光谱复原精度影响的定量关系,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题。在此基础上,提出了一种在仪器组装完成之后再进行定标及非均匀性校正的改进新方案,该方法省时省力省资金,不仅可以校正CCD本身的非均匀性,而且可校正干涉成像光谱仪系统其他原因引起的非均匀性,且定标数据也能根据系统工作环境变化而重新标定,能更有效地提高整个光谱仪系统非均匀性的校正精度。

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。

干涉成像光谱仪的EMC特性分析

进行了干涉成像光谱仪的EMC试验,说明干涉成像光谱仪基本满足EMC试验大纲要求,除其中个别项目如CE102电源线传导发射、RE102电场辐射发射部分频点超标外,大纲规定的其它试验项目都合格.采取滤波、隔离等措施后,CE102、RE102也合格,表明干涉成像光谱仪可以在其工作的电磁环境中按设计要求运行,并且不对该环境中其它设备构成不能承受的电磁干扰.

干涉成像光谱仪受卫星振动影响的仿真与分析

在干涉成像光谱仪扫描过程中,卫星姿态的不稳定性将严重影响光谱成像质量。针对该问题,在分析干涉成像光谱仪光谱成像退化机理的基础上提出了一种微分动态成像仿真方法,以此来模拟光谱成像退化过程。并提出了平均掺杂比的概念,通过它建立起卫星姿态俯仰、侧滚和偏航的运动参数与其对光谱成像影响之间的桥梁,详细推导了这两者之间的定量关系。以环境资源卫星提供的遥感数据为例进行了退化仿真,结果表明平台振动不仅影响光谱成像的空间分辨率,更会带来光谱失真,且相邻像元光谱差异较大的区域影响较大。通过仿真数据分析,对卫星姿态稳定精度提出了要求,给出了必须重视振动影响并需要采取相应补偿措施的姿态稳定度条件。

基于成像光谱仪的Sagnac干涉仪的优化设计

为了满足仪器的轻量化设计要求,研究了成像光谱仪系统中Sagnac干涉仪的优化设计方法,讨论仪器轻量化设计中干涉仪尺寸与系统前置望远镜倍率的制约关系,通过将Sagnac干涉仪展开为平板玻璃的方法对干涉仪的结构和光路进行分析,根据几何关系推导出Sagnac干涉仪几何尺寸与入射干涉仪的光束孔径和视场角的关系表达式,通过该关系式可以求出干涉仪的尺寸极值和对应的系统前置望远镜倍率大小。以某短波红外光谱仪为例,运用推导出的关系式,计算并给出了优化设计结果。