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《中国科学技术大学》 2011年
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Offner田野成像光谱仪光学系统建模与优化设计

刘光宏  
【摘要】:成像光谱仪是一种可同时采集目标光谱特征和空间特征的光学设备,可以实现图、谱合一,从而解决传统科学领域“成像无光谱”和“光谱不成像”的问题。相比于基于平面或凹面光栅的成像光谱仪,采用凸面光栅做分光元件的Offner成像光谱仪具有数值孔径大、无谱线弯曲、色畸变小、结构紧凑和加工装配相对简单等诸多优点。目前,Offner成像光谱仪已经广泛应用于卫星遥感、地质探测、精准农业、生产制造和军事侦察等领域。现有设计方法主要为数值光线追迹法和基于单光栅像差理论的解析设计方法。深入研究Offner成像光谱仪的成像特性及设计方法,具有重要的理论价值与现实意义。 本文的研究重点是Offner成像光谱仪光学系统的建模与优化设计。建模的目标是建立起像点与物点、系统参数之间的解析函数关系;优化的目标是,求取合适的系统结构参数和元件参数,使得系统的性能满足应用要求。主要研究内容包括以下几个方面: (1)针对Offner成像光谱仪光学系统,基于费马原理,利用光线追迹法得到光学系统的数值模型,然后运用级数展开方法,推导出系统的3阶解析模型,亦即3阶像差理论。解析模型提供了像差系数关于结构参数、光栅参数和元件参数的解析函数关系。通过数值实验验证了解析模型的精度并分析了模型误差的来源。利用解析的像差系数分析了系统中彗差、球差和像散等主要像差的几何特征,丰富多元件光学系统的像差理论,加深对系统成像特性的理解,为Offner系统优化设计提供理论指导。 (2)结合理想成像条件,利用像差理论建立起光学系统优化设计问题的单目标优化模型。引入具有全局搜索功能的遗传算法进行优化,设计结果表明,遗传算法能够较好的解决Offner光学系统的优化设计问题。从光谱分辨率、谱线弯曲、色畸变和调制传递函数截止频率等方面验证了设计结果的性能。 (3)针对目标函数的计算复杂性,将复杂模型近似技术Kriging模型引入Offner光学系统的优化设计问题,提高优化设计效率。讨论了采样方法对Kriging模型精度的影响,及Kriging模型在非线性建模方面的性能。通过在设计空间中采集训练样本,建立起多个波长处像差系数和目标函数的Kriging模型。实验结果表明,在优化过程中,有机结合Kriging模型和精确解析模型,同时考虑多个波长处的系统性能,既可以提高优化设计的时间效率,又可以保证设计结果在全光谱范围内的最优性。 (4)针对优化问题的多目标特点,研究适合工程应用的多目标优化算法及其在Offner光学系统优化设计中的应用。为了提高多目标优化算法的效率和优化结果的实用性,提出了结合决策者偏好的多加权和优化算法与多加权和鲁棒优化算法,可以有效地缩小搜索空间,使优化结果分布在决策者感兴趣的区域,提高了解的分辨率。数值试验和设计实例验证了算法的性能。 这些研究工作不仅对Offner光学系统设计具有重要意义,也对将进化算法用于求解复杂工程优化问题具有重要的意义。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O43;TH744.1

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 刘光宏;刘宝泉;;采用进化算法的测量飞机航线规划[J];沈阳理工大学学报;2013年04期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 尚杨;光栅型成像光谱仪噪声抑制技术研究[D];西安工业大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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2 宫广彪;超光谱成像仪前置成像物镜设计[D];苏州大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 曾威;蔡自兴;郭铖;;一种基于ELECTRE法的多目标优化进化算法[A];第十七届全国过路控制会议论文集[C];2006年
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9 朱自强;;空气动力外形的优化计算[A];近代空气动力学研讨会论文集[C];2005年
10 李雪;吴俊勇;杨媛;严翔;刘晓民;;高速铁路接触网悬挂系统维修计划的优化研究[A];高速铁路接触网系统新技术研讨会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李方义;区间非概率多目标优化设计方法及其在车身设计中的应用[D];湖南大学;2010年
2 黄林峰;多目标进化算法研究[D];中国科学技术大学;2009年
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5 向国齐;支持向量回归机代理模型设计优化及应用研究[D];电子科技大学;2010年
6 陈霄;DNA遗传算法及应用研究[D];浙江大学;2010年
7 商秀芹;新型进化计算方法及其在炼铁烧结过程建模与优化中的应用[D];浙江大学;2010年
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10 张明明;面向量子可逆逻辑自动综合的多目标进化算法研究[D];东华大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王光远;城市交通信号多目标自适应控制[D];大连理工大学;2010年
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3 张淑艳;基于约束优化方法的多目标优化算法[D];大连理工大学;2010年
4 司蕊;多目标优化问题的改进蚁群算法研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
5 周聪;高维多目标减少算法的比较与研究[D];湘潭大学;2010年
6 何月梅;分形技术与矢量量化相结合的网络流量异常检测研究[D];河北工程大学;2010年
7 梁颖;语义特征造型中特征识别技术的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
8 刘翠;基于T-S模糊模型的非线性系统辨识[D];哈尔滨理工大学;2010年
9 何江英;多目标模糊项目调度优化方法研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
10 马威;基于免疫克隆算法的多目标flow shop生产调度的研究[D];华东理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张林;宋寅;胡学友;;基于CDS技术的CCD噪声信号处理[J];半导体光电;2007年02期
2 许强;金伟其;董立泉;;UV/VIS/NIR超光谱侦察系统的光学参数设计[J];北京理工大学学报;2006年10期
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4 苏成翔;房鸿瑞;洪伟;;基于进化算法的测控飞机跟踪路径规划[J];飞行器测控学报;2009年01期
5 杨锐,苏毅;卡塞格伦望远镜系统杂散光分析[J];光电工程;2003年05期
6 黄智强;邢廷文;;遮光罩和挡光环程序化设计的原理及实现[J];光电工程;2006年04期
7 杨正兴,谈新权,尚小冬;基于场景的红外图像非均匀性校正方法综述[J];光电子技术;2003年02期
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9 张冬英;洪津;汤伟平;杨伟锋;罗军;乔延利;张渫;;基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计[J];光谱学与光谱分析;2008年10期
10 沈海平;潘建根;冯华君;徐之海;;发光二极管光谱测量中的杂散光与带宽校正[J];光谱学与光谱分析;2009年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李智勇;高光谱图像异常检测方法研究[D];国防科学技术大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 张文喜;成像光谱仪信噪比研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2006年
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3 孙伟;二元光学元件应用于超光谱成像性能研究[D];长春理工大学;2009年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘琳;长焦距三反射式望远镜设计研究[D];苏州大学;2002年
【相似文献】
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1 佟亚军;吴刚;周全;杜学维;马智宏;肖体乔;王秋平;;Offner成像光谱仪的设计方法[J];光学学报;2010年04期
2 季轶群;沈为民;;Offner凸面光栅超光谱成像仪的设计与研制[J];红外与激光工程;2010年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘光宏;Offner田野成像光谱仪光学系统建模与优化设计[D];中国科学技术大学;2011年
2 吴振洲;微型Offner成像光谱仪和光谱数据处理[D];中国科学技术大学;2012年
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1 刘力;Fery棱镜特性及应用研究[D];苏州大学;2013年
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