星载高分辨力大视场高光谱成像仪光学设计

2016-06-08新闻资讯

摘要:根据高分辨力、大视场的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离分光的方法,分析了视场分离分 光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统,该系统由 11.42°远心离轴三反消像散(tma)望远系统和 2 个 offner 凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件 code v 对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到 0.7 以上,完全满足设计指标要求。

0 引 言

高光谱成像仪是 20 世纪 80 年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥感仪器,它是遥感技术的进步和发展,能够以高光谱分辨力获取景物和目标的超多谱段图像, 在陆地、大气、和海洋观测中得到了广泛的应用[1-3]。高光谱成像仪的工作波段宽、分辨力高,一般覆盖 0.4~1.0 μm,地面像元分辨力从几米至几十米,光谱分辨力从几纳米至几十纳米。目前国际上具有代表性的高光谱成像仪有美国 trw 公司研制的 hyperion[4],视场 0.624°,刈幅宽度 7.5 km;美国海军 nemo 卫星的主载荷 cois[5],视场 2.5°,刈幅宽度 30 km;英国 sira 公司研制的 chris[6],视场角 0.553°,刈幅宽度 13 km。这些高光谱成像仪载荷分辨力高,在空间遥感中发挥了重要作用,但是缺点是视场角较小,刈幅宽度小。随着空间遥感应用的不断深入,对高光谱成像仪的要 求也越来越高,要求满足高分辨力的条件下,还要求具有大视场角。因为视场越大则刈幅宽度越大,仪器的回访周期就越小。因此星载高分辨力、大视场高光谱成像 仪成为空间遥感的迫切需求,而现有的小视场高光谱成像仪不能满足要求。目前有几种实现大视场的技术途径,例如,采用多个镜头分割视场[7-8]、使用垂直 于飞行方向的偏转反射镜[9]、采微透镜扫描器实现视场分割[10]等。采用多个镜头分割视场的方案不仅使仪器的体积和重量增大,而且对镜头的位置精度和 镜头间的相对位置精度都提出了很高的要求,给机械设计和材料设计增加了困难,需要解决多个通道触发一致性、均匀性校正和通道平衡等问题。使用垂直于飞行方 向的偏转反射镜的方案的延伸反射型设计所需的工作量比多个镜头分割视场的方案还大[9]。采微透镜扫描器分割视场的方案中微透镜阵列的加工、制作比较困 难。

高光谱成仪光学系统由望远系统和光谱成像系统组成。地物目标的一个条带经望远系统成像在光谱成像系统的入射狭缝上,光谱成像系统对入射狭缝进行 色散,然后按波长不同成像在探测器的不同位置上,与入射狭缝长度方向平行的一维为空间维,与狭缝宽度方向平行的一维为光谱维,再经随卫星运行方向推扫得到 图谱合一的图像。在成像光谱仪的研制过程中,光学系统的选择和设计直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。

本文根据星载高分辨力、大视场高光谱成像仪的应用要求和技术指标,考虑到市售探测器的限制,提出了一种新的视场分离的方法,详细分析了视场分离 分光的原理,运用该方法设计了星载高分辨力、大视场、高光谱成像仪光学系统,并利用光学设计软件 code v 和 zemax 对设计结果进行了分析与评价。

1 应用要求及主要技术指标

星载高光谱成像仪要求在 0.4~1.0 μm 光谱范围内对地物特征和性质进行高光谱成像探测,试验验证目标识别,并开展在农、林、水、土、矿等资源、环境民用领域的初步应用。卫星轨道高度 h=600 km,要求刈幅宽度 gw=120 km,地面像元分辨力 gsd=30 m,光谱分辨力 5 nm。由于受市售 ccd 产品的限制,可选择的余地非常有限,在 0.4~1.0 μm 波段(vnir),可用的 ccd探测器像元尺寸为 p=18 μm,像元数为 2 048(空间维)×256(光谱维)。根据仪器轨道高度和刈幅宽度的要求,确定仪器的视场角为

星载高分辨力大视场高光谱成像仪光学设计