隨著光電成像技術(shù)的發(fā)展,為了獲取更大空間范圍以及更多目標(biāo)特性信息,光學(xué)遙感系統(tǒng)逐步向超大視場、多譜段探測的方向發(fā)展。有效解決超大視場成像的像差優(yōu)化問題并實現(xiàn)多譜段探測是光學(xué)遙感系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。本文以超大視場光學(xué)系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景—海洋水色遙感作為研究背景,針對海洋水色遙感對超大視場的需求,結(jié)合海洋水色遙感的發(fā)展趨勢以及當(dāng)前海洋水色遙感超大視場光學(xué)系統(tǒng)面臨的全視場地元分辨率差距過大的問題,對同心多尺度系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出基于同心球鏡的新型超大視場分布式多焦距多尺度光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)海洋水色遙感的應(yīng)用譜段,論文選擇了可見光近紅外波段和長波紅外兩個波段,在可見光近紅外波段提出了基于同心球透鏡的分布式多焦距多尺度系統(tǒng),在長波紅外波段提出了基于球面反射鏡/同心雙球面反射鏡的分布式多焦距多尺度系統(tǒng)。新系統(tǒng)具有110°的超大視場、全視場殘余像差小、成像質(zhì)量一致、全視場畸變優(yōu)于2%、不存在運(yùn)動部件的特點(diǎn),且全視場分辨率差距縮小到傳統(tǒng)系統(tǒng)的50%以內(nèi);并對基于同心球透鏡的超大視場分布式多焦距多尺度系統(tǒng)進(jìn)行了成像試驗驗證,結(jié)果表明光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。論文以基于同心球鏡的分布式多焦距同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)為研究對象,主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)提出了基于同心球鏡的超大視場分布式多焦距多尺度光學(xué)系統(tǒng),系統(tǒng)具有的110°超大視場、優(yōu)于2%的畸變、子系統(tǒng)呈視場分布式排列、無運(yùn)動部件、不需要掃描機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)適用于海洋水色遙感光學(xué)探測。詳細(xì)論述了傳統(tǒng)多尺度系統(tǒng)應(yīng)用于海洋水色遙感面臨的問題、新型多尺度系統(tǒng)的選型依據(jù),以及視場分布式多焦距系統(tǒng)縮小全視場分辨率差距的策略。(2)提出了超大視場分布式多焦距多尺度系統(tǒng)的像差補(bǔ)償方法,解決了在入瞳直徑與視場同時變化時像差補(bǔ)償問題;提出了針對該系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方法,解決了不同子系統(tǒng)之間成像視場與焦距差距過大的問題。在像差方法中提出,每一個子系統(tǒng)的中心視場與其入瞳面垂直,不同子系統(tǒng)的偏心傾斜同時補(bǔ)償視場與入瞳位置偏離中心位置引起的低階像差,不同子系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)同時補(bǔ)償視場與入瞳直徑本身引起的高階像差;在參數(shù)優(yōu)化方法中,論述了采用6個通道覆蓋全視場并采用像元合并的策略,將通道之間的焦距差縮小至1.5倍以內(nèi),視場差距縮小到6.2°以內(nèi),最終全系統(tǒng)分辨率差距縮小到傳統(tǒng)方案的50%以內(nèi)。(3)構(gòu)建了適用于可見光、近紅外波段的基于同心球透鏡的伽利略型視場分布式多焦距多尺度系統(tǒng);基于新型多尺度系統(tǒng)的研究,完成了基于同心球透鏡的分布式成像原理樣機(jī)及成像試驗;針對基于同心球透鏡的多尺度系統(tǒng)定心裝配的難題,提出了一種高精度定心裝調(diào)方法。系統(tǒng)設(shè)計中詳細(xì)論述了球透鏡的像差補(bǔ)償與參數(shù)求解原理,指出了系統(tǒng)設(shè)計過程中與傳統(tǒng)多尺度系統(tǒng)的不同之處;原理樣機(jī)設(shè)計中詳細(xì)論述了原理樣機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計、成像質(zhì)量評估、系統(tǒng)公差分析、原理樣機(jī)制造以及成像試驗;定心裝調(diào)方法中詳細(xì)論述了定心裝調(diào)方法的工作原理,構(gòu)建了一種高精度對心儀,并提出了基于該定心儀的對心裝調(diào)方法。(4)提出了基于球面反射鏡的折反式分布式多焦距多尺度光學(xué)系統(tǒng),構(gòu)建了一種新的多尺度系統(tǒng)型式,并將多尺度系統(tǒng)推廣到長波紅外波段。系統(tǒng)采用球面反射鏡/同心雙球面反射鏡作為共用元件,并針對不同的系統(tǒng)型式構(gòu)建了三種系統(tǒng)構(gòu)型:基于單球面反射鏡的同軸偏視場系統(tǒng)、基于單球面反射鏡的偏心離軸系統(tǒng)和基于同心雙球面反射鏡的離軸偏心系統(tǒng)。詳細(xì)論述了三種系統(tǒng)的像差補(bǔ)償與參數(shù)求解原理,總結(jié)了系統(tǒng)的設(shè)計思路,并從系統(tǒng)的總體尺寸、成像性能、工程實現(xiàn)以及多譜段擴(kuò)展前景等方面進(jìn)行了詳細(xì)的比較,認(rèn)為基于同心雙球面反射鏡的離軸偏心系統(tǒng)更有優(yōu)勢。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O439
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 魚眼超廣角凝視成像系統(tǒng)
        1.2.2 小視場相機(jī)掃描成像系統(tǒng)
        1.2.3 多相機(jī)陣列系統(tǒng)
        1.2.4 多尺度成像系統(tǒng)
    1.3 超大視場成像發(fā)展趨勢以及面臨的問題
    1.4 本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排
第二章 新型多尺度光學(xué)系統(tǒng)研究
    2.1 傳統(tǒng)技術(shù)所面臨的困境
    2.2 同心多尺度系統(tǒng)發(fā)展
    2.3 新型同心多尺度系統(tǒng)改進(jìn)
        2.3.1 同心多尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型
        2.3.2 分布式多焦距系統(tǒng)
    2.4 同心多尺度系統(tǒng)的像差補(bǔ)償原理
        2.4.1 傳統(tǒng)同心多尺度系統(tǒng)像差補(bǔ)償原理
        2.4.2 分布式多焦距同心多尺度系統(tǒng)像差補(bǔ)償原理
    2.5 本章小結(jié)
第三章 新型超大視場光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計
    3.1 全系統(tǒng)總體參數(shù)選擇
    3.2 全系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
        3.2.1 系統(tǒng)參數(shù)分析
        3.2.2 可見近紅外系統(tǒng)參數(shù)
        3.2.3 長波紅外系統(tǒng)參數(shù)
    3.3 系統(tǒng)探測器選擇及信噪比分析
        3.3.1 系統(tǒng)探測器選擇
        3.3.2 可見光近紅外信噪比分析計算
        3.3.3 紅外相機(jī)信噪比分析計算
    3.4 系統(tǒng)分辨率分析
    3.5 全系統(tǒng)圖像拼接方法
    3.6 本章小結(jié)
第四章 基于同心球透鏡的多尺度系統(tǒng)研究
    4.1 傳統(tǒng)多尺度系統(tǒng)
        4.1.1 同心球透鏡像差研究
        4.1.2 補(bǔ)償透鏡組設(shè)計
        4.1.3 全系統(tǒng)組合
    4.2 新型多尺度系統(tǒng)
        4.2.1 非對稱同心球透鏡像差研究
        4.2.2 補(bǔ)償透鏡組設(shè)計
        4.2.3 全系統(tǒng)拼接組合
        4.2.4 新型多尺度系統(tǒng)設(shè)計方法
        4.2.5 新型多尺度設(shè)計特點(diǎn)
    4.3 新型多尺度系統(tǒng)設(shè)計
    4.4 多尺度系統(tǒng)優(yōu)勢
    4.5 本章小結(jié)
第五章 基于同心球鏡的折反式多尺度系統(tǒng)研究
    5.1 基于球透鏡的長波紅外波段多尺度系統(tǒng)
    5.2 基于球面反射鏡的多尺度系統(tǒng)
        5.2.1 基于球面反射鏡的多尺度系統(tǒng)原理
        5.2.2 基于球面反射鏡的多尺度系統(tǒng)像差研究
        5.2.3 基于球面反射鏡的分布式多焦距多尺度系統(tǒng)設(shè)計
    5.3 同軸偏視場系統(tǒng)
    5.4 偏心離軸系統(tǒng)
    5.5 基于同心雙球面反射鏡的多尺度系統(tǒng)
        5.5.1 基于同心雙球面反射鏡的多尺度原理
        5.5.2 基于同心雙球面反射鏡的多尺度系統(tǒng)像差研究
        5.5.3 基于同心雙球面反射鏡的分布式多焦距多尺度設(shè)計
    5.6 基于同心雙球面反射鏡的分布式多焦距多尺度系統(tǒng)
    5.7 本章小結(jié)
第六章 系統(tǒng)裝配技術(shù)研究及成像試驗驗證
    6.1 新型多尺度光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)方法研究
    6.2 原理樣機(jī)
    6.3 系統(tǒng)公差分析
    6.4 原理樣機(jī)系統(tǒng)裝調(diào)及成像試驗
    6.5 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 論文主要工作總結(jié)
    7.2 論文主要創(chuàng)新點(diǎn)
    7.3 進(jìn)一步研究展望
參考文獻(xiàn)
作者簡歷及攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果
致謝

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本文編號：2850418