本书介绍了当前国际上新兴的多学科交叉前沿领域“成像光谱偏振技术”的产生、最新研究动态和未来发展趋势。系统论述了成像光谱偏振技术的基础理论、物理模型、创新性原理与新型技术方案。展现高分辨率成像、光谱、偏振多维度信息一体化同时探测模式、特点与图像数据处理方法。拓展、深化高分辨率遥感的精确定量化与应用。结合科研和工程应用，给出了时空联合调制型干涉成像光谱仪、新型静态成像光谱偏振仪、风成像干涉仪等先进仪器原理、样机设计与研制、系统定标及数据定量化处理。展示了模拟星载和机载探测实验的结果与结论。并对干涉成像技术遥感探测大气风场、温度、成分等新原理、新技术和重要应用进行了全面论述与深入讨论。
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第1章 成像光谱偏振技术的产生、发展及研究动态 1
1.1 成像光谱技术的发展 1
1.2 成像偏振技术的发展 9
1.3 成像光谱偏振技术的产生与发展 12
1.3.1 成像光谱偏振技术的产生、分类及研究现状 12
1.3.2 成像光谱偏振技术发展趋势及关键技术 17
1.3.3 成像光谱偏振技术的应用 19
1.4 本章小结 22
第2章 干涉成像光谱技术 23
2.1 干涉成像光谱技术分类 23
2.1.1 时间调制型干涉成像光谱技术 23
2.1.2 空间调制型干涉成像光谱技术 24
2.1.3 时空联合调制型干涉成像光谱技术 26
2.2 干涉成像光谱技术的基础理论与基本原理 27
2.2.1 干涉图与复原光谱 27
2.2.2 分辨率与切趾问题 30
2.2.3 相位修正 35
2.2.4 图像数据采集与处理 37
2.3 本章小结 38
第3章 空间调制型干涉成像光谱技术 39
3.1 空间调制型干涉成像光谱技术原理 39
3.2 横向剪切分束器 41
3.3 空间调制型干涉成像光谱仪物理模型 45
3.4 影响空间调制型干涉成像光谱仪干涉图调制度的主要因素 46
3.5 本章小结 48
第4章 晶体与偏振分束器 49
4.1 单轴晶体光学性质 49
4.1.1 晶体分类及o光、e光的折射率 49
4.1.2 光的双折射 50
4.1.3 主截面、主平面 52
4.2 基于萨瓦特 (Savart) 偏光镜的横向剪切偏振分束器 53
4.2.1 Savart板 53
4.2.2 Savart偏光镜 55
4.2.3 视场补偿型Savart偏光镜 57
4.3 Savart偏光镜光程差及横向剪切量 58
4.4 Savart偏光镜透射率 61
4.5 基于沃拉斯顿 (Wollaston) 棱镜的角剪切偏振分束器 68
4.5.1 Wollaston棱镜分光原理 68
4.5.2 光程差及条纹定位面的精确计算 70
4.5.3 广角Wollaston棱镜 77
4.6 本章小结 84
第5章 时空联合调制型干涉成像光谱技术 85
5.1 时空联合调制型静态干涉成像光谱技术 (TSMSIIS) 原理 85
5.1.1 TSMSIIS基本原理 86
5.1.2 时空联合调制与空间调制的主要区别 88
5.2 TSMSIIS探测模式 92
5.2.1 TSMSIIS干涉图获取原理 92
5.2.2 实验及数据处理 97
5.2.3 干涉图处理与光谱复原新方法 99
5.3 本章小结 105
第6章 超小型静态干涉成像光谱仪 106
6.1 超小型静态干涉成像光谱仪 (USIIS) 研究 106
6.1.1 USIIS原理方案 106
6.1.2 装置参数论证 107
6.2 USIIS样机设计与研制 108
6.2.1 USIIS样机设计参数 108
6.2.2 USIIS样机光学、机械结构、电路设计 109
6.2.3 USIIS样机研制 112
6.3 干涉成像光谱实验及结论分析 113
6.3.1 模拟星载探测实验原理 113
6.3.2 模拟星载探测实验结果 114
6.3.3 提高干涉图信噪比及光谱分辨率的主要途径 118
6.4 USIIS中偏振化方向对调制度的影响 118
6.4.1 偏振光强度、振动方向对调制度的影响 119
6.4.2 USIIS的调制度 120
6.4.3 调制度随偏振化方向的变化 121
6.4.4 偏振化方向允差分析实例 123
6.5 USIIS通量的分析与计算 124
6.5.1 USIIS的通量 125
6.5.2 各种情形下的通量数值 127
6.6 USIIS的信噪比 129
6.6.1 出射光强与起偏器、分析器偏振化方向偏角和入射角的关系 129
6.6.2 USIIS 信噪比的分析与计算 132
6.6.3 信噪比实验验证 135
6.7 USIIS中格兰-泰勒棱镜像质与透射率分析 136
6.7.1 光线在格兰-泰勒棱镜中的传播轨迹 137
6.7.2 USIIS中格兰-泰勒棱镜的像质分析 139
6.7.3 格兰-泰勒棱镜全视场角透过率的分析与计算 141
6.7.4 格兰-泰勒棱镜全视场角透过率模拟与实验测试 144
6.8 本章小结 149
第7章 静态大视场干涉成像光谱仪 151
7.1 静态大视场干涉成像光谱仪 (SLIIS) 原理与广角补偿原理 151
7.2 SLIIS 的调制度 153
7.2.1 λ/2板光轴方向偏离理想方向时o光、e光振动面的旋转 153
7.2.2 SLIIS中偏振光电矢量的分解与合成 154
7.2.3 SLIIS中调制度的分析与计算 156
7.2.4 调制度随偏振化方向、λ/2 板光轴取向的变化 157
7.3 SLIIS的通量 157
7.3.1 SLIIS通量的分析与计算 157
7.3.2 几种情形下的通量取值 161
7.3.3 最大调制度时通量分析计算实例 162
7.3.4 结论 163
7.4 本章小结 163
第8章 静态成像光谱偏振技术 164
8.1 光的偏振态及斯托克斯 (Stokes) 参量描述法 164
8.1.1 偏振态的Stokes参量描述 164
8.1.2 偏振测量的基本方法 168
8.2 基于Savart偏光镜的静态通道型干涉成像光谱偏振技术 (CIISP) 171
8.2.1 基于Savart偏光镜的静态 CIISP 基本原理 171
8.2.2 静态CIISP数据采集与处理流程 174
8.3 静态通道型干涉成像光谱偏振仪星载原理样机 177
8.4 静态通道型干涉成像光谱偏振仪定标 179
8.4.1 相对辐射定标 180
8.4.2 光谱定标 183
8.4.3 绝对辐射定标 185
8.4.4 偏振定标 188
8.5 静态通道型成像光谱偏振仪模拟星载探测实验 191
8.5.1 静态通道型成像光谱偏振仪实验室探测实验 191
8.5.2 静态通道型成像光谱偏振仪模拟星载外场探测实验 196
8.6 本章小结 198
第9章 基于液晶可调谐延迟器的高分辨通道型干涉成像光谱偏振技术 200
9.1 通道干涉图串扰现象 200
9.2 延迟器厚度比例对干涉图通道的影响 203
9.2.1 五通道干涉图光谱复原原理 203
9.2.2 五通道干涉图的优点 205
9.2.3 延迟器厚度比例为 1:1 时的干涉图光谱复原模拟验证 206
9.3 基于液晶可调谐延迟器 (LCVR) 的高分辨通道型干涉成像光谱偏振技术原理 208
9.4 基于 LCVR 的高分辨通道型干涉成像光谱偏振技术模拟实验研究 212
9.5 本章小结 215
第10章 孔径与视场分割成像光谱偏振技术 216
10.1 差分干涉成像光谱偏振技术 216
10.1.1 差分通道型干涉成像光谱偏振技术 216
10.1.2 高分辨低串扰差分干涉成像光谱偏振技术 223
10.2 基于偏振调制阵列的成像光谱偏振技术 227
10.3 分焦平面静态成像光谱偏振技术 233
10.4 本章小结 234
第11章 基于透镜阵列的快照式成像光谱偏振技术 236
11.1 基于透镜阵列的快照式成像光谱偏振技术原理方案 236
11.1.1 可见/近红外系统方案 236
11.1.2 短波红外系统方案 238
11.2 电子学设计 239
11.3 光谱偏振调制解调技术 239
11.4 高清阵列视频采集与显示 243
11.5 本章小结 245
第12章 卫星遥感大气风场的干涉成像探测技术 246
12.1 高层大气探测意义 246
12.2 高层大气探测国内外研究现状 247
12.2.1 大气风场主动式探测技术 248
12.2.2 大气风场被动式探测技术 249
12.3 干涉成像技术遥感大气风场“四强度法”探测原理 253
12.3.1 气辉、极光的形成 253
12.3.2 全方位、多方向风场速度、温度“四强度探测法” 255
12.3.3 垂直方向风场探测 257
12.3.4 临边观测模式 257
12.3.5 计算机仿真实验及误差分析 258
12.4 广角迈克耳孙干涉仪 (WAMI) 探测大气风场 262
12.4.1 探测原理 262
12.4.2 计算实例与装置设想 264
12.5 法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 探测大气风场 265
12.5.1 风场速度、温度的 FPI 测量原理 265
12.5.2 风场测量特例分析 268
12.6 大气风场“四强度法”探测误差分析与计算 269
12.6.1 普适形式“四强度探测法” 269
12.6.2 “四强度探测法”误差分析与计算 271
12.6.3 计算机模拟速度、温度误差分布 273
12.7 本章小结 276
第13章 高层大气微粒辐射光谱轮廓 278
13.1 高斯轮廓光谱线型高层大气探测 278
13.2 洛伦兹轮廓光谱线型高层大气被动探测原理 279
13.2.1 洛伦兹线型大气风场探测原理 279
13.2.2 洛伦兹光谱线型大气风场测量 281
13.3 佛克特轮廓光谱线型高层大气被动探测原理 285
13.3.1 佛克特轮廓光谱线型风场干涉探测原理 285
13.3.2 佛克特轮廓光谱线型的精确表达式 288
13.3.3 佛克特轮廓光谱线型干涉图在大气风场探测中的应用 292
13.3.4 高斯、洛伦兹、佛克特三种光谱线型大气探测分析与比较 295
13.4 本章小结 297
第14章 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪 298
14.1 宽场、消色差、温度补偿原理 298
14.1.1 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪原理 299
14.1.2 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪补偿原理 300
14.1.3 补偿效果模拟 303
14.2 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪设计与研制 306
14.2.1 风成像干涉仪结构 306
14.2.2 风成像干涉仪设计原理 307
14.3 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪通量分析与计算 308
14.3.1 光通量的理论分析与计算 308
14.3.2 几种宽场玻璃配对情况下的光通量比较 310
14.4 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪调制度分析与计算 312
14.4.1 四层补偿介质风成像干涉仪结构 312
14.4.2 宽场、消色差、温度补偿型风成像干涉仪各界面透射率分析 312
14.4.3 干涉强度的计算 314
14.4.4 风成像干涉仪的调制度 315
14.4.5 计算机仿真 315
14.5 本章小结 319
第15章 新型静态风成像干涉仪 321
15.1 静态四分区镀膜风成像干涉仪 321
15.1.1 静态四分区镀膜风成像干涉仪大气风场探测原理 321
15.1.2 静态四分区镀膜风成像干涉仪系统整体方案研究 324
15.2 静态偏振风成像干涉仪(SPWII) 330
15.2.1 SPWII大气风场探测原理 330
15.2.2 SPWII关键技术研究 335
15.2.3 SPWII系统光学仿真 338
15.3 多普勒非对称空间外差光谱技术探测大气风场 343
15.3.1 多普勒非对称空间外差干涉技术简介 343
15.3.2 空间外差干涉仪结构与原理 344
15.3.3 多普勒外差干涉仪 351
15.4 本章小结 354
第16章 大气风场正演模型与反演理论 355
16.1 仪器正演模型 355
16.1.1 正演模型概述 355
16.1.2 WINDII及MIPAS的正演模型 357
16.1.3 正演模型的误差 358
16.2 反演算法基本理论 359
16.2.1 反演算法简介 359
16.2.2 反演态矢量与测量态矢量 360
16.2.3 反演问题的求解 361
16.2.4 线性反演问题的误差分析 365
16.2.5 线性反演问题的最终解 366
16.3 计算机仿真验证 367
16.3.1 正演模型的仿真验证 367
16.3.2 J1 分量方程反演算法的仿真验证 374
16.3.3 风速反演算法的仿真验证 377
16.4 本章小结 379
参考文献 381
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