航天高光谱仪光学元件位置误差影响研究

论文摘要

相比于传统光学遥感器，航天高光谱仪在应用上具有巨大优势。但它包含众多光学元件，而且高的空间和光谱分辨率决定了仪器的高精度要求，给制造带来挑战，困难集中体现在集成装配阶段。研究光学元件位置误差对成像的影响，是提高装配效率、校正位置误差对图像不利影响的有效手段。针对色散型高光谱仪的前置光学系统，将光学元件按照其位置误差的像差特性分为三类：位置变化导致显著系统波像差的像差敏感类光学元件、位置变化不引起像差的光学组件和平面光学元件、在轨工作时动态定位误差会引起图像退化的指向反射镜。对这三类光学元件的研究内容分别如下：研究像差敏感类光学元件位置误差对系统波像差贡献的计算模型，探讨根据波像差检测值对位置误差的准确反演方法；研究光学元件位置误差相互补偿的计算和优化的位置公差分配方案；研究高光谱仪在轨时指向镜低频抖动导致的图像畸变及校正方法。采用Matlab-Code V之间的COM通信，获取系统波像差的条纹泽尼克多项式展开系数与元件位置误差的数值关系，对其做二次多项式拟合，仿真结果表明此方法比基于线性模型的灵敏度矩阵方法的精度高10倍；研究计算机辅助装调中失调量反演不准确的原因，利用条纹泽尼克系数口径变换的解析算法，解决了同一波面的不同子口径拟合系数不同的问题，研究了根据子口径拟合系数反演子口径之间位置关系的方法，通过了仿真和实验验证。采用动态光学的方法，建立高斯像像旋、离焦和光学元件位置误差的关系，分析高斯光学的适用性；采用合适的调整量补偿望远物镜光轴偏差导致的像旋和离焦；针对模块间的装配建立了优化的位置公差分配方案，Monte Carlo方法验证表明此方案不超过调焦能力、现有工艺水平，并达到了整体公差最宽松的目的。根据航天光学遥感器的像移补偿计算方法，建立指向镜低频抖动导致景物畸变的模型；研究了采用特征点像移轨迹校正此类畸变的方法，仿真表明在准确知道轨道参数、平台姿态参数和指向镜角位置误差量时此类畸变能被完全校正，对实际图像的处理也取得较好效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 理论基础
• 2.1 动态光学
• 2.1.1 空间三维图形的齐次坐标变换
• 2.1.2 光学元件的作用矩阵
• 2.1.3 平面光学系统转动定理
• 2.2 光学系统初级单色像差
• 2.2.1 垂轴像差与波像差
• 2.2.2 轴对称光学系统的初级单色像差
• 2.2.3 泽尼克多项式及其复数形式
• 2.3 光学系统波像差检测的常用方法
• 2.4 随机误差合成方法
• 2.4.1 误差的独立作用原理
• 2.4.2 蒙特卡罗法
• 第3章 像差敏感类光学元件位置误差研究
• 3.1 引言
• 3.2 航天高光谱仪光学组件按像差特性的分类
• 3.3 波像差-光学元件位置误差关系模型
• 3.3.1 仿真对象
• 3.3.2 基于二次多项式拟合的函数关系模型
• 3.4 影响光学元件位置误差量求解准确性的因素分析
• 3.4.1 检测口径对条纹泽尼克系数的影响
• 3.4.2 前 16 项泽尼克系数口径变换（平移、裁剪、旋转）的解析算法
• 3.4.3 其它因素的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 光学模块间装配位置误差及校正
• 4.1 引言
• 4.2 引入装调误差量的高斯光学齐次坐标变换描述方法
• 4.2.1 以物方主面位置误差为输入的高斯像位置计算公式
• 4.2.2 装调调整量等效为物方主面位置误差
• 4.3 装调对象及像质评价量的选择
• 4.3.1 装调对象及调整量选择
• 4.3.2 高斯光学方法的适用性分析
• 4.3.3 像质评价量的选择
• 4.4 对望远物镜光轴偏差的补偿计算
• 4.5 光学元件调整环节最优化的公差分配方案
• 4.6 本章小结
• 第5章 指向镜低频抖动致图像畸变及校正
• 5.1 引言
• 5.2 指向镜低频抖动致图像畸变计算模型
• 5.2.1 航天高光谱仪指向镜运动补偿原理
• 5.2.2 指向镜低频抖动导致图像畸变的原因
• 5.2.3 指向镜低频抖动导致图像畸变的计算模型
• 5.2.4 畸变仿真结果
• 5.3 依据像移量的景物畸变预校正方法
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本论文主要工作及创新点
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 前 16 项条纹泽尼克多项式系数口径变换矩阵
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢