Offner田野成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)建模與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf_第1頁
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1、成像光譜儀是一種可同時(shí)采集目標(biāo)光譜特征和空間特征的光學(xué)設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)圖、譜合一,從而解決傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“成像無光譜”和“光譜不成像”的問題。
   相比于基于平面或凹面光柵的成像光譜儀,采用凸面光柵做分光元件的Offner 成像光譜儀具有數(shù)值孔徑大、無譜線彎曲、色畸變小、結(jié)構(gòu)緊湊和加工裝配相對(duì)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前,Offner 成像光譜儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星遙感、地質(zhì)探測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)制造和軍事偵察等領(lǐng)域?,F(xiàn)有設(shè)計(jì)方法主要為數(shù)值光

2、線追跡法和基于單光柵像差理論的解析設(shè)計(jì)方法。深入研究Offner 成像光譜儀的成像特性及設(shè)計(jì)方法,具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。
   本文的研究重點(diǎn)是Offner 成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)。建模的目標(biāo)是建立起像點(diǎn)與物點(diǎn)、系統(tǒng)參數(shù)之間的解析函數(shù)關(guān)系;優(yōu)化的目標(biāo)是,求取合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和元件參數(shù),使得系統(tǒng)的性能滿足應(yīng)用要求。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
   (1)針對(duì)Offner 成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng),基于費(fèi)

3、馬原理,利用光線追跡法得到光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值模型,然后運(yùn)用級(jí)數(shù)展開方法,推導(dǎo)出系統(tǒng)的3 階解析模型,亦即3 階像差理論。解析模型提供了像差系數(shù)關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)、光柵參數(shù)和元件參數(shù)的解析函數(shù)關(guān)系。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析模型的精度并分析了模型誤差的來源。利用解析的像差系數(shù)分析了系統(tǒng)中彗差、球差和像散等主要像差的幾何特征,豐富多元件光學(xué)系統(tǒng)的像差理論,加深對(duì)系統(tǒng)成像特性的理解,為Offner系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
   (2)結(jié)合理想成像

4、條件,利用像差理論建立起光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的單目標(biāo)優(yōu)化模型。引入具有全局搜索功能的遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)結(jié)果表明,遺傳算法能夠較好的解決Offner 光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。從光譜分辨率、譜線彎曲、色畸變和調(diào)制傳遞函數(shù)截止頻率等方面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的性能。
   (3)針對(duì)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算復(fù)雜性,將復(fù)雜模型近似技術(shù)Kriging模型引入Offner 光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。討論了采樣方法對(duì)Kriging模型精度的

5、影響,及Kriging模型在非線性建模方面的性能。通過在設(shè)計(jì)空間中采集訓(xùn)練樣本,建立起多個(gè)波長(zhǎng)處像差系數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的Kriging模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在優(yōu)化過程中,有機(jī)結(jié)合Kriging模型和精確解析模型,同時(shí)考慮多個(gè)波長(zhǎng)處的系統(tǒng)性能,既可以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間效率,又可以保證設(shè)計(jì)結(jié)果在全光譜范圍內(nèi)的最優(yōu)性。
   (4)針對(duì)優(yōu)化問題的多目標(biāo)特點(diǎn),研究適合工程應(yīng)用的多目標(biāo)優(yōu)化算法及其在Offner 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。為了提

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