Offner田野成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)建模與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、成像光譜儀是一種可同時采集目標(biāo)光譜特征和空間特征的光學(xué)設(shè)備，可以實現(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簡單等諸多優(yōu)點。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、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)計方法。深入研究Offner 成像光譜儀的成像特性及設(shè)計方法，具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。
　　 本文的研究重點是Offner 成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的建模與優(yōu)化設(shè)計。建模的目標(biāo)是建立起像點與物點、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。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 (1)針對Offner 成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，基于費

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，然后運用級數(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)值實驗驗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，加深對系統(tǒng)成像特性的理解，為Offner系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(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行優(yōu)化，設(shè)計結(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)截止頻率等方面驗證了設(shè)計結(jié)果的性能。
　　 (3)針對目標(biāo)函數(shù)的計算復(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)計問題，提高優(yōu)化設(shè)計效率。討論了采樣方法對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)計空間中采集訓(xùn)練樣本，建立起多個波長處像差系數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的Kriging模型。實驗結(jié)果表明，在優(yōu)化過程中，有機結(jié)合Kriging模型和精確解析模型，同時考慮多個波長處的系統(tǒng)性能，既可以提高優(yōu)化設(shè)計的時間效率，又可以保證設(shè)計結(jié)果在全光譜范圍內(nèi)的最優(yōu)性。
　　 (4)針對優(yōu)化問題的多目標(biāo)特點，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)計中的應(yīng)用。為了提