大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计_薛庆生

Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｄｅ－Ａｎｇｌｅ ａｎｄ Ｈｉｇｈ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ
Ｘｕｅ Ｑｉｎｇｓｈｅｎｇ Ｈｕａｎｇ Ｙｕ Ｌｉｎ Ｇｕａｎｙｕ
（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ）
收 稿 日 期 ：２０１０－１０－１８；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１１－０４－２０ 基 金 项 目 ：国 家 ８６３ 计 划 （２００９ＡＡ１２Ｚ１５１）资 助 课 题 。 作者简介：薛庆生（１９７９—），男，博士，助理研究员，主要从事光学系统设计、空间遥感成像光谱技术和光 谱 辐 射 定 标 等 方
成 像 光 谱 仪 光 学 系 统 由 指 向 镜、前 置 望 远 系 统 和光谱成像系统组成。地物目标的一个条带经指向 镜和前置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 其 进 行 色 散 ，然 后 按 波 长 不 同 成 像在探测器的不同 位 置 上，再 经 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 。
９０ ２０４８×２５６ （０．４～１．０μｍ，ＶＮＩＲ） １０００×２５６ （１．０～２．５μｍ，ＳＷＩＲ）
１８×１８ （０．４～１．０μｍ，ＶＮＩＲ） ３０×３０ （１．０～２．５μｍ，ＳＷＩＲ）
３ 视场分离分光原理
从 技 术 指 标 可 以 看 出 ，这 是 一 个 大 视 场 、高 分 辨 力星载成像光谱仪光学系统。由于市售探测器的限 制 ，在 满 足 地 面 像 元 分 辨 力 的 前 提 下 ，探 测 器 在 空 间 维上不够大。因此为同时满足大视场和高分辨力的 要求，提出了 视 场 分 离 分 光 方 法，其 原 理 如 图 １ 所 示，将全 视 场 １１．４２°分 成 ０°～５．７１°和 －５．７１°～０° 两个视场，分 别 定 义 为 视 场 １ 和 视 场 ２。 视 场 １ 和 视场２使用各自独 立 的 狭 缝，在 望 远 系 统 的 焦 平 面 前放置一个刀口反 射 镜，精 确 控 制 刀 口 反 射 镜 切 入
着空间遥感应用的 不 断 深 入，对 成 像 光 谱 仪 的 要 求
也 越 来 越 高 ，要 求 在 大 视 场 的 条 件 下 获 得 高 分 辨 力 ， 因为视场越大则刈 幅 宽 度 越 大，仪 器 的 回 访 周 期 就 越 小 ；分 辨 力 越 高 ，就 可 在 多 项 应 用 中 提 供 更 加 丰 富 的数据和研究方 法。 因 此 大 视 场、高 分 辨 力 星 载 成 像光谱仪成为空间 遥 感 的 迫 切 需 求，而 现 有 的 小 视 场成像光谱仪不能满足要求。
ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒ ａｎａｓｔｉｇｍａｔｉｃ；ｃｏｎｖｅｘ ｇｒａｔｉｎｇ；Ｏｆｆｎｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ２２０．４８３０；１２０．４８２０；２８０．４７８８
１ 引 言
成 像 光 谱 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 标 志 着 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、大气和海洋观测中正得到广泛的应用 。 ［１～６］
星载成像光谱仪要求在０．４～２．５μｍ 光谱范围 内对地物特征和性质进行高光谱成像探测及实验验
证目标识别 ，并 开 展 在 农 、林 、水、土 和 矿 等 资 源 及 环
境民用领域的初步应用。卫星轨道高度 Ｈ＝６００ｋｍ， 要求刈幅宽度 ＷＧ＝１２０ｋｍ，地面像元分辨力 ＲＧＳＤ１＝ ３０ｍ（０．４～１．０μｍ，可见近红外波段，ＶＮＩＲ）、ＲＧＳＤ２＝ ６０ ｍ（１．０～２．５μｍ，短 波 红 外 波 段 ，ＳＷＩＲ）。 光 谱 分 辨力５ｎｍ（０．４～１．０μｍ，ＶＮＩＲ 波段）、１０ｎｍ（１．０～ ２．５μｍ，ＳＷＩＲ 波 段 ）。 由 于 受 市 售 ＣＣＤ 产 品 和 ＨｇＣｄＴｅ 面阵 探 测 器 的 限 制，可 选 择 的 余 地 非 常 有 限，在 ＶＮＩＲ 红外波段，可用的 ＣＣＤ 探测器像元尺寸 为ｐ１＝１８μｍ，像 元 数 为 ２０４８（空 间 维）×２５６（光 谱 维），在 ＳＷＩＲ 波段，可用的 ＨｇＣｄＴｅ 探测器的像元尺 寸 ｐ２＝３０μｍ，像 元 数 １０００（空 间 维）×２５６（光 谱 维 ）。 根据以上要求，确定成像光谱仪光学系统的主要技术
成 像 光 谱 仪 的 工 作 波 段 宽 、分 辨 力 高 ，一 般 工 作
波段 覆 盖 ０．４～２．５μｍ，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
际上已研制成功的 成 像 光 谱 仪，具 有 代 表 性 的 有 美 国 ＴＲＷ 公 司 研 制 的 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ［７］，视 场 ０．６２４°，刈 幅宽 度 ７．５ｋｍ；美 国 海 军 ＮＥＭＯ 卫 星 的 主 载 荷 ＣＯＩＳ［８］，视场２．５°，刈幅宽度３０ｋｍ；英国 Ｓｉｒａ公 司 研制的 ＣＨＲＩＳ［９］，视场角 ０．５５３°，刈幅宽度 １３ｋｍ。
面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｓｈｘｕｅ２００６＠１６３．ｃｏｍ
０８２２００１－１
光 学 学 报
这些成像 光 谱 仪 载 荷 在 空 间 遥 感 中 发 挥 了 重 要 作 星载成像光谱仪光 学 系 统，并 对 设 计 结 果 进 行 了 分
用，但是它们的特点是视场角较小、刈幅宽度小。随 析与评价。
图１ 视场分离结构原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｖｉｅｗｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｓｐｌｉｔｔｅｒ
０８２２００１－２
薛 庆 生 等 ： 大 视 场 高 分 辨 力 星 载 成 像 光 谱 仪 光 学 系 统 设 计
光 束 的 位 置 ，使 其 既 不 会 挡 住 视 场 ２ 的 入 射 光 束 、又 能反射视场１的光束。控制刀口反射镜的方向可以 转动视场１光束的空间位置。该设计可以减小仪器 体积。在视场分离 方 法 中，两 个 狭 缝 的 位 置 精 确 匹 配控制，视场１和视 场 ２ 不 能 同 时 对 地 面 同 一 目 标 成 像 ，但 通 过 沿 卫 星 飞 行 方 向 推 扫 和 数 据 重 组 ，能 够 获得 １２０ｋｍ 的 刈 幅 宽 度。 视 场 分 离 后，再 利 用 分 色片分 别 把 视 场 １ 和 视 场 ２ 的 光 束 分 成 ＶＮＩＲ 和 ＳＷＩＲ 波段分别探测，前者为１２０ 个光谱通道，后者 为 １５０ 个 光 谱 通 道 。
本 文 根 据 大 视 场、高 分 辨 力 成 像 光 谱 仪 的 应 用 要求和技术指标，提 出 了 先 视 场 分 离 分 光 再 用 分 色 片分光的光学设计 方 法，详 细 分 析 了 视 场 分 离 分 光 方法的原理。运用 该 方 法 设 计 了 大 视 场、高 分 辨 力
Baidu Nhomakorabea
２ 应用要求及主要技术指标
Ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ／ｍｍ
Ｅｎｔｒａｎｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ
Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｙ ｓｉｚｅ／ｐｉｘｅｌ
Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ／μｍ
Ｖａｌｕｅ ０．４～２．５
１１．４２ ３６０
３６０ （０．４～１．０μｍ，ＶＮＩＲ） ３００ （１．０～２．５μｍ，ＳＷＩＲ）
第 ３１ 卷 第 ８ 期 ２０１１ 年 ８ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ，２０１１
大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计
薛庆生 黄 煜 林冠宇
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 １３００３３）
摘要 大视场、高分辨力星载成像光谱仪已成为空间遥感的迫切需求。根据大 视 场、高 分 辨 力 的 研 究 目 标，提 出 了 先视场分离分光再用分色片分光的设计方法，分析了视场分离分光的原理。设计 了 一 个 全 反 射 式 星 载 成 像 光 谱 仪 光学系统，该系统由指向镜、１１．４２°远心离轴三反消像散（ＴＭＡ）前 置 望 远 系 统 和 ４ 个 Ｏｆｆｎｅｒ凸 面 光 栅 光 谱 成 像 系 统组成，通过恰当选择４个光谱成像系统的变倍比来实现２种探测器的匹配。运用光学设计软件 ＣＯＤＥ Ｖ 对 成 像 光谱仪调制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 ；同 时 证 明 了 设 计 方 法 是 可 行 的 。 关 键 词 光 学 设 计 ；成 像 光 谱 仪 ；离 轴 三 反 消 像 散 ；凸 面 光 栅 ；Ｏｆｆｎｅｒ光 谱 成 像 系 统 中 图 分 类 号 Ｏ４３３．１；ＴＨ７４４．１ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１１３１．０８２２００１
指标如表１所示。
表１ 成像光谱仪光学系统主要技术指标
Ｔａｂｌｅ １ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ／μｍ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ （ＦＯＶ）／（°） Ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ／ｍｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｐａｃｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｕｒｇｅｎｔｌｙ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｗｉｄｅ－ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｗｉｄｅ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｉｒｓｔｌｙ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ （ＦＯＶ）ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄｌｙ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｂｅａｍ ｕｓｉｎｇ ｄｉｃｈｒｏｓｃｏｐｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ＦＯＶ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ，ａ１１．４２°ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｔｈｒｅｅ－ｍｉｒｒｏｒ ａｎａｓｔｉｇｍａｔｉｃ （ＴＭＡ）ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｆｏｕｒ Ｏｆｆｎｅｒ ｃｏｎｖｅｘ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｍａｔｃｈ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＣＯＤＥ Ｖ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ （ＭＴＦ）ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂａｎｄｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ０．７，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅ－ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ