干涉成像光譜技術(shù)

前言

　　人類通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺與觸覺來感知周圍事物，所獲知的各類信息，經(jīng)大腦處理后，作出正確判斷，以求得在各種復(fù)雜環(huán)境中的生存。但人體天生的各種傳感器，無論是眼睛、耳朵、鼻子，它們的感知能力是有限的。例如，人眼對太遠(yuǎn)、太小、快速變化目標(biāo)等就難以感知，為此人類借助于其他手段，發(fā)明了各種光學(xué)儀器，它們是人眼功能的延伸與擴(kuò)展。照相機(jī)用以記錄和保存物體的形態(tài)信息，光譜儀用以識別不同物質(zhì)之屬性。但每種光學(xué)儀器僅能完成某一特定功能，探知某一特定信息。照相機(jī)和光譜儀這兩種光學(xué)儀器，前者記錄形影而后者識別不同類型物質(zhì)的特性光譜。照相機(jī)是照相機(jī)，光譜儀是光譜儀，即使照相機(jī)內(nèi)增添了濾光片輪，可以獲得少數(shù)幾個波段的圖像，但它仍然無法與光譜儀的功能相比，二者也不可能相互替代?！　‰S著科技的進(jìn)步，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，信息的存儲、傳輸、讀取技術(shù)等隨著通信光纖、激光、計(jì)算機(jī)、微電子學(xué)的進(jìn)步，大大改觀了信息技術(shù)的面貌。當(dāng)今世界已成為信息時代，信息已關(guān)系到人類生存的各個方面。但在信息技術(shù)的整個鏈路中，作為探測信息的傳感器是信息鏈路之源頭，因此傳感器技術(shù)的發(fā)展是信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。光學(xué)傳感器在通過航空、航天平臺對陸地表層、大氣、海洋和空間的探測與監(jiān)視等方面發(fā)揮著愈來愈重要的作用，而且通過通信衛(wèi)星形成了天地一體化的通信鏈路?！　鞲衅骷夹g(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在新的探測原理、方案的創(chuàng)立，分辨率及探測靈敏度的提高以及多種信息的集成探測。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的成像光譜技術(shù)是光學(xué)遙感器多信息同時探測的成功典范，它把照相機(jī)與光譜儀的功能巧妙地合二為一，它在獲取目標(biāo)的二維影像的同時，對每一個空間可分辨點(diǎn)元給出了一條連續(xù)的光譜曲線，其光譜分辨率可以達(dá)到光譜儀的水準(zhǔn)。因此該技術(shù)稱為圖譜合一技術(shù)，用一個二維面陣探測器實(shí)現(xiàn)了三維信息的獲取，而且它把目標(biāo)的空間位置與它的光譜緊密地結(jié)合在一起，而獨(dú)立的照相機(jī)與光譜儀很難做到這一點(diǎn)。目前有科學(xué)家提出在此基礎(chǔ)上，把偏振信息也同時探測出來，這樣用一臺設(shè)備，幾乎可以把所有的光學(xué)信息都同時探測到，這將是一臺同時獲取偏振、光譜和圖像的高科技儀器——偏振成像光譜儀。

內(nèi)容概要

本書介紹了成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展以及當(dāng)今成像光譜技術(shù)的前沿領(lǐng)域與最新研究動態(tài)，論述了干涉成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基本原理，介紹了時間調(diào)制干涉成像光譜儀、空間調(diào)制干涉成像光譜儀以及時空混合調(diào)制干涉成像光譜儀的原理、探測模式及特點(diǎn)，并對新型偏振干涉成像光譜技術(shù)進(jìn)行全面論述和深入討論，結(jié)合科研和工程實(shí)際，對成像光譜技術(shù)的應(yīng)用作了簡要介紹。    本書可作為從事空間光學(xué)、信息遙感、空間探測、對地觀測、大氣測量、生命科學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域科研人員的參考資料，也可作為高等院校、科研院所的光學(xué)、光學(xué)工程、光信息科學(xué)與技術(shù)、信息科學(xué)、光學(xué)儀器、應(yīng)用物理等專業(yè)的研究生教材，還可作為一般讀者了解成像光譜高新科技發(fā)展的參考讀物。

書籍目錄

序前言第1章 成像光譜技術(shù)  1.1 光譜技術(shù)和光譜儀的發(fā)展  1.2 成像技術(shù)和成像儀的發(fā)展  1.3 成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展    1.3.1 成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生、分類及研究現(xiàn)狀    1.3.2 成像光譜技術(shù)發(fā)展趨勢  本章小結(jié)第2章 干涉成像光譜技術(shù)  2.1 干涉成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展及最新研究動態(tài)  2.2 干涉成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基本原理    2.2.1 干涉圖與復(fù)原光譜    2.2.2 分辨率與切趾問題    2.2.3 圖像數(shù)據(jù)采集與處理  本章小結(jié)第3章 空間調(diào)制干涉成像光譜技術(shù)  3.1 空間調(diào)制干涉成像光譜技術(shù)原理  3.2 橫向剪切分束器  3.3 空間調(diào)制干涉成像光譜儀物理模型  3.4 影響SMII干涉圖調(diào)制度的主要因素  本章小結(jié)第4章 偏振干涉成像光譜技術(shù)  4.1 單軸晶體光學(xué)性質(zhì)簡介    4.1.1 晶體分類及o光、e光的折射率    4.1.2 光的雙折射現(xiàn)象    4.1.3 主截面、主平面  4.2 偏振干涉成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展  4.3 新型偏振干涉成像光譜技術(shù)原理    4.3.1 新型偏振干涉成像光譜技術(shù)原理    4.3.2 新方案(SPIIS)與原方案(狹縫式)的主要區(qū)別  4.4 基于Savart板的橫向剪切分束器    4.4.1 Savart板    4.4.2 Savart偏光鏡    4.4.3 視場補(bǔ)償型Savart偏光鏡  4.5 Savart偏光鏡光程差及橫向剪切量的計(jì)算  4.6 基于Wollaston棱鏡的角剪切分束器    4.6.1 角剪切量    4.6.2 光程差及條紋間隔    4.6.3 廣角Wollaston棱鏡  4.7 條紋的定位  本章小結(jié)第5章 超小型穩(wěn)態(tài)偏振干涉成像光譜儀(USPIIS)研究  5.1 USPIIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)    5.1.1 USPIIS裝置    5.1.2 參數(shù)確定  5.2 干涉成像光譜實(shí)驗(yàn)及結(jié)論分析    5.2.1 實(shí)驗(yàn)    5.2.2 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算    5.2.3 干涉圖與復(fù)原光譜    5.2.4 提高干涉圖信噪比及光譜分辨率的主要途徑  5.3 USPHS中偏振化方向?qū)φ{(diào)制度的影響    5.3.1 偏振光強(qiáng)度、振動方向?qū)φ{(diào)制度的影響    5.3.2 USPIIS的調(diào)制度    5.3.3 調(diào)制度隨偏振化方向的變化    5.3.4 偏振化方向允差分析實(shí)例    5.3.5 結(jié)論  5.4 USPIIS通量的分析與計(jì)算    5.4.1 USPIIS的通量    5.4.2 各種情形下的通量數(shù)值    5.4.3 結(jié)論  本章小結(jié)第6章 穩(wěn)態(tài)大視場偏振干涉成像光譜儀(sLPIIS)研究  6.1 SLPIIS原理及廣角補(bǔ)償原理  6.2 SLPIIS調(diào)制度的分析與計(jì)算    6.2.1 λ/2板光軸方向偏離理想方向時o和e光振動面的旋轉(zhuǎn)    6.2.2 SLPIIS中偏振光電矢量的分解與合成    6.2.3 SLPIIS中調(diào)制度的分析與計(jì)算    6.2.4 調(diào)制度隨偏振化方向、λ/2板光軸取向的變化  6.3 SLPIIS的通量分析    6.3.1 SLPIIS通量的分析與計(jì)算    6.3.2 幾種情形下的通量取值    6.3.3 最大調(diào)制度時通量的分析計(jì)算實(shí)例  6.4 結(jié)論  本章小結(jié)第7章 衛(wèi)星遙感大氣風(fēng)場的干涉成像光譜探測技術(shù)研究  7.1 干涉成像光譜技術(shù)測量大氣風(fēng)場原理    7.1.1 氣輝(極光)的形成    7.1.2 風(fēng)場速度、溫度的測量    7.1.3 垂直方向風(fēng)場探測  7.2 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)及誤差分析    7.2.1 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)、誤差分析    7.2.2 結(jié)論  7.3 廣角邁克耳孫干涉儀(WAMI)探測大氣風(fēng)場    7.3.1 探測原理    7.3.2 計(jì)算實(shí)例與裝置設(shè)想    7.3.3 結(jié)論  7.4 Fabry-Perot干涉儀(FPI)探測大氣風(fēng)場    7.4.1 風(fēng)場速度、溫度的FPI測量原理    7.4.2 風(fēng)場測量特例分析    7.4.3 結(jié)論  本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　高新技術(shù)首先是從軍事目的發(fā)展起來的。在軍事上，與可見光照相偵察技術(shù)相比，成像光譜技術(shù)對偽裝、隱蔽目標(biāo)具有更強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)能力，特別是近年來目標(biāo)防御技術(shù)的發(fā)展，常使可見光照相偵察技術(shù)失靈或失誤。因此成像光譜技術(shù)就成為一種具有重大發(fā)展價(jià)值的偵察手段，它能偵察出隱藏在樹林中的火炮、坦克、車輛，井下發(fā)射架發(fā)射的火箭，除水面艦艇外，它還能發(fā)現(xiàn)水下航行的潛艇。這是因?yàn)槿魏挝淦飨到y(tǒng)總有熱源，在它們運(yùn)行時都會發(fā)出可見或不可見的光輻射（電磁輻射），而且因?yàn)楦鞣N武器系統(tǒng)以及地面物質(zhì)都具有它們自己固有的發(fā)射和反射（散射）“特征光譜”，通過對特征光譜的分析，即可識別武器的類別或地面物質(zhì)成分。　　在民用方面，成像光譜技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。它可用于天文物理研究；也可用于地球資源普查，包括礦物資源、國土資源、森林資源、植被資源（農(nóng)作物估產(chǎn)、病蟲害）、海洋魚類資源與海藻等；還可監(jiān)視全球污染與災(zāi)害，包括大氣污染與海洋污染、森林火災(zāi)、水澇災(zāi)害、土質(zhì)堿化、沙化等；該項(xiàng)技術(shù)還可用于中層大氣微量成分的探測、大氣垂直溫度與風(fēng)場、壓力場的探測，為大氣物理、地球物理、航天器的發(fā)射與運(yùn)行，中長期天氣預(yù)報(bào)提供大量的資料、圖像和數(shù)據(jù)，為宇宙大爆炸理論提供可能的依據(jù)?！　×硪环矫妫庾V儀能夠獲得目標(biāo)的光譜信息，這為分析判斷目標(biāo)的屬性提供了更好的依據(jù)。早期的光譜儀為棱鏡光譜儀，利用棱鏡的色散作用將各種波長的光波按照波長分成譜線，從而進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，后來，人們還研制了光柵光譜儀等多種類型的光譜儀。在遙感光譜儀約四十年的發(fā)展過程中，還出現(xiàn)了許多具有一定空間分辨能力的光譜儀，其視場角常被劃分為幾份或十幾份，這種“多通道光譜儀”與前面提出的“多光譜成像儀”都向著既獲得空間分辨信息又獲得光譜信息的方向發(fā)展?！　?0世紀(jì)前半葉，航天技術(shù)得到了前所未有的高速發(fā)展，為空間探測和地表探測創(chuàng)造了條件，同時也為空間探測技術(shù)提出了更多的需求。人們希望得到的不只是單純的目標(biāo)光譜或目標(biāo)形影信息，而且希望能夠同時得到目標(biāo)的形影信息和光譜信息。這一極大的社會需求導(dǎo)致了成像儀與光譜儀的結(jié)合以及成像光譜技術(shù)的產(chǎn)生?！　』谠跐M足一定空間分辨率和光譜分辨率的條件下，同時要求有更窄的波段寬度、更多的波段數(shù)目和能機(jī)動選擇波段的靈活性，成像光譜儀便產(chǎn)生了，它是光譜儀與掃描儀結(jié)合的產(chǎn)物，其實(shí)質(zhì)是既能得到地物圖像，又能得到每個像元對應(yīng)的地物之光譜曲線，即具有同時獲得干涉圖和目標(biāo)像的雙重功能。

編輯推薦

　　該書體現(xiàn)成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論與學(xué)科前沿的結(jié)合；體現(xiàn)前沿交叉學(xué)科的融合與滲透；展示成像光譜技術(shù)在信息獲取、對地觀測、空間探測、航空航天、軍事、國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要應(yīng)用。　　本書將對成像光譜技術(shù)的發(fā)展以及各類成像光譜技術(shù)、成像光譜儀作出較全面的介紹，對色散型、濾光片型、空間調(diào)制型、計(jì)算層析型等成像光譜儀的發(fā)展及目前研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，特別是對2000年所出現(xiàn)的新型偏振干涉成像光譜技術(shù)和偏振干涉成像光譜儀的原理、方案及應(yīng)用作了重點(diǎn)介紹。

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