色散型成像光谱仪光学系统物理效应的建模与仿真

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1、理效应的建模与仿真目录V摘要⋯．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．IAbstract⋯⋯．．．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．III目录⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．V第—章绪论⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．11．1研究背景及重要意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2成像光谱仪的探测机理和类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．2．1物质的光谱特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．2数据立方体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．3成像光谱仪的类型⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51．3．1成像光谱仪的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3．2成像光谱仪建模与仿真的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．4论文内容结构及特色⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．4．1内容结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯91．4．2本文特色⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10第二章成像光谱仪工作原理及物理效应的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．112．1色散型成像光谱仪的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．112．2成像光谱仪的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．2．1光学系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯．．122．2．2探测器系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．2．3电路系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．142．3成像光谱仪的仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．152．3．1成像光谱仪仿真分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．3．2成像光谱仪传感器模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．162．3．3物理效应的两种仿真方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19第三章成像光谱仪前置光学系统物理效应建模与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．213．1成像光谱仪前置光学系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21⋯⋯⋯22⋯⋯⋯25⋯⋯⋯26⋯⋯⋯28

4、⋯⋯．j．30⋯⋯⋯31．．．．．．．．33⋯⋯⋯33⋯⋯⋯36⋯⋯⋯37⋯⋯⋯38⋯⋯⋯42⋯⋯⋯44⋯⋯⋯46⋯⋯⋯51⋯⋯⋯54⋯⋯⋯57．．．．．．．．59．．．．．．．．61．．．．．．．．63第一章绪论本章首先阐述了成像光谱仪建模与仿真的研究背景和重要意义，其次介绍了成像光谱仪的探测机理和分类，然后对成像光谱仪系统以及成像光谱仪建模与仿真的国内外发展状况进行了详细的讨论，最后给出了本文的内容结构以及论文特色。1．1研究背景及重要意义成像光谱技术是成像技术和光谱技术的结合，成像技术是获得物体表面空间分布特征的技术，光谱探测技术则可以获得物体表面固有的光谱信息。因此

5、成像光谱仪可以同时获得物体表面空间分布信息和物体表面固有的光谱信息。由于成像光谱仪获得的信息量非常大，而且在识别物质成分方面有着很大的作用，所以自从成像光谱仪诞生以来就受到了世界各国的广泛关注，尤其在发达国家成像光谱仪的发展更快。自从上世纪八十年代初美国加州喷气推进实验室(JPL)研制成功的世界第一台成像光谱仪(AlS)【1】后，世界各国都在紧张的研制各自的成像光谱仪，并且取得了丰硕的成果。经过三十多年的发展，成像光谱仪由最初的军事用途逐渐扩大到国防、国民经济发展和科学研究当中。目前，成像光谱仪不仅可以在军事上用于目标的伪装探测、识别，还可以应用于农业、森林、矿产、土地和流

6、域调查等方面。成像光谱仪对推动国民经济的发展起着不可替代的作用。成像光谱仪的发展得益于红外成像传感器的发展，早期的红外成像传感器只是因军事需求用于夜间对目标的探测和识别。这种传感器根据能响应波段的波长范围主要分为长波、中波和短波红外成像传感器，这类传感器属于宽波段的，即它们只能响应某一宽波段的红外辐射能量，并不能反映出物质的光谱特征。随着红外对抗的发展，红外伪装技术也在迅速的发展。单一波段的红外探测器已经无法满足军事上对目标的探测，为了满足军事需求，随后出现了红外双色探测器和多波段的探测器。这种探测器是基于某种需要，根据目标特征，选择特定的两个或多个特征波段来研制的，只能反

7、映出部分物质的红外特征光谱。随着分光技术和探测技术的发展，探测器由能探测单一波段逐渐发展为多光谱、高光谱乃至超光谱。与此同时，随着成像光谱仪的光谱分辨率的提高，成像光谱仪的制造成本和复杂程度也大大的提高，因此限制了成像光谱仪的设计周期。随着计算机性能的不断提高，大数据量的计算已经成为可能，因此可以利用计算机仿真技术解决在设计过程中的需求，仿真技术可以使设计人员在设计成像光谱2色散型成像光谱仪光学系统物理效应的建模与仿真仪之前就可以了解成像光谱仪中的物理效应，并根据设计的要求来确定参数，根据这些参数确定哪些物理效应对