星載高分辨力大視場(chǎng)高光譜成像儀光學(xué)設(shè)計(jì)

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摘要：根據(jù)高分辨力、大視場(chǎng)的要求，考慮到市售探測(cè)器的限制，提出了視場(chǎng)分離分光的方法，分析了視場(chǎng)分離分 光的原理。利用此方法設(shè)計(jì)了一個(gè)星載高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 11.42°遠(yuǎn)心離軸三反消像散(tma)望遠(yuǎn)系統(tǒng)和 2 個(gè) offner 凸面光柵光譜成像系統(tǒng)組成，運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 code v 對(duì)高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了光線追跡和優(yōu)化，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)譜段的光學(xué)傳遞函數(shù)均達(dá)到 0.7 以上，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

0 引 言

高光譜成像儀是 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新一代空間光學(xué)遙感儀器，它是遙感技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，能夠以高光譜分辨力獲取景物和目標(biāo)的超多譜段圖像， 在陸地、大氣、和海洋觀測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。高光譜成像儀的工作波段寬、分辨力高，一般覆蓋 0.4～1.0 μm，地面像元分辨力從幾米至幾十米，光譜分辨力從幾納米至幾十納米。目前國(guó)際上具有代表性的高光譜成像儀有美國(guó) trw 公司研制的 hyperion[4]，視場(chǎng) 0.624°，刈幅寬度 7.5 km;美國(guó)海軍 nemo 衛(wèi)星的主載荷 cois[5]，視場(chǎng) 2.5°，刈幅寬度 30 km;英國(guó) sira 公司研制的 chris[6]，視場(chǎng)角 0.553°，刈幅寬度 13 km。這些高光譜成像儀載荷分辨力高，在空間遙感中發(fā)揮了重要作用，但是缺點(diǎn)是視場(chǎng)角較小，刈幅寬度小。隨著空間遙感應(yīng)用的不斷深入，對(duì)高光譜成像儀的要 求也越來(lái)越高，要求滿(mǎn)足高分辨力的條件下，還要求具有大視場(chǎng)角。因?yàn)橐晥?chǎng)越大則刈幅寬度越大，儀器的回訪周期就越小。因此星載高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像 儀成為空間遙感的迫切需求，而現(xiàn)有的小視場(chǎng)高光譜成像儀不能滿(mǎn)足要求。目前有幾種實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的技術(shù)途徑，例如，采用多個(gè)鏡頭分割視場(chǎng)[7-8]、使用垂直 于飛行方向的偏轉(zhuǎn)反射鏡[9]、采微透鏡掃描器實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)分割[10]等。采用多個(gè)鏡頭分割視場(chǎng)的方案不僅使儀器的體積和重量增大，而且對(duì)鏡頭的位置精度和 鏡頭間的相對(duì)位置精度都提出了很高的要求，給機(jī)械設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)增加了困難，需要解決多個(gè)通道觸發(fā)一致性、均勻性校正和通道平衡等問(wèn)題。使用垂直于飛行方 向的偏轉(zhuǎn)反射鏡的方案的延伸反射型設(shè)計(jì)所需的工作量比多個(gè)鏡頭分割視場(chǎng)的方案還大[9]。采微透鏡掃描器分割視場(chǎng)的方案中微透鏡陣列的加工、制作比較困 難。

高光譜成儀光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)系統(tǒng)和光譜成像系統(tǒng)組成。地物目標(biāo)的一個(gè)條帶經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像在光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫上，光譜成像系統(tǒng)對(duì)入射狹縫進(jìn)行 色散，然后按波長(zhǎng)不同成像在探測(cè)器的不同位置上，與入射狹縫長(zhǎng)度方向平行的一維為空間維，與狹縫寬度方向平行的一維為光譜維，再經(jīng)隨衛(wèi)星運(yùn)行方向推掃得到 圖譜合一的圖像。在成像光譜儀的研制過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)成像光譜儀的性能、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、重量和體積等。

本文根據(jù)星載高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀的應(yīng)用要求和技術(shù)指標(biāo)，考慮到市售探測(cè)器的限制，提出了一種新的視場(chǎng)分離的方法，詳細(xì)分析了視場(chǎng)分離 分光的原理，運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了星載高分辨力、大視場(chǎng)、高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，并利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 code v 和 zemax 對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。

1 應(yīng)用要求及主要技術(shù)指標(biāo)

星載高光譜成像儀要求在 0.4～1.0 μm 光譜范圍內(nèi)對(duì)地物特征和性質(zhì)進(jìn)行高光譜成像探測(cè)，試驗(yàn)驗(yàn)證目標(biāo)識(shí)別，并開(kāi)展在農(nóng)、林、水、土、礦等資源、環(huán)境民用領(lǐng)域的初步應(yīng)用。衛(wèi)星軌道高度 h=600 km，要求刈幅寬度 gw=120 km，地面像元分辨力 gsd=30 m，光譜分辨力 5 nm。由于受市售 ccd 產(chǎn)品的限制，可選擇的余地非常有限，在 0.4～1.0 μm 波段(vnir)，可用的 ccd探測(cè)器像元尺寸為 p=18 μm，像元數(shù)為 2 048(空間維)×256(光譜維)。根據(jù)儀器軌道高度和刈幅寬度的要求，確定儀器的視場(chǎng)角為

光譜成像系統(tǒng)的放大倍率取1:1，則望遠(yuǎn)系統(tǒng)的焦距tf ′為 360 mm。綜合考慮成像質(zhì)量和信噪比要求，取入瞳直徑為 90 mm，儀器的相對(duì)孔徑為 1:4。高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)總結(jié)如表1 所示。

2 望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 視場(chǎng)分離分光原理

從技術(shù)指標(biāo)可以看出，這是一個(gè)星載高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)。由于市售探測(cè)器的限制，在滿(mǎn)足地面像元分辨力的前提下，探測(cè)器在空間 維上不夠大。因此為同時(shí)滿(mǎn)足高分辨力和大視場(chǎng)的要求，本文提出了視場(chǎng)分離分光方法，原理如圖 1 所示，將全視場(chǎng) 11.42°分成 0～5.71°和-5.71～0°兩個(gè)視場(chǎng)，分別定義為視場(chǎng) 1(fov 1)和視場(chǎng) 2 (fov2)。視場(chǎng) 1 和視場(chǎng) 2 使用各自獨(dú)立的狹縫，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)的焦平面前放置一個(gè)刀口反射鏡，精確控制刀口反射鏡切入光束的位置，使其邊緣不擋住視場(chǎng) 2 的入射光束，又能完全反射視場(chǎng) 1 的光束，控制刀口反射鏡的方向可以轉(zhuǎn)動(dòng)視場(chǎng) 1 光束的空間位置，減小儀器體積。因?yàn)楦吖庾V成像儀的視場(chǎng)為線視場(chǎng)，在空間維上全視場(chǎng)為 11.42°，對(duì)應(yīng)入射狹縫的長(zhǎng)度方向，在光譜維上的視場(chǎng)為0.002 86°，對(duì)應(yīng)狹縫寬度方向。因?yàn)橐晥?chǎng) 1 和視場(chǎng) 2 的離軸量不同，二者在焦面附近就分開(kāi)了一定的距離，所以在焦面附近放置刀口反射鏡，就不會(huì)有視場(chǎng) 1 的光進(jìn)入視場(chǎng) 2，也不會(huì)有視場(chǎng) 2 的光進(jìn)入視場(chǎng)1。視場(chǎng)分離的方法，兩個(gè)狹縫的位置精確匹配控制，視場(chǎng) 1 和視場(chǎng)2 不能同時(shí)對(duì)地面同一目標(biāo)成像，但通過(guò)沿衛(wèi)星飛行方向推掃和數(shù)據(jù)重組，能夠獲得 120 km 的刈幅寬度。

2.2 望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

望遠(yuǎn)系統(tǒng)覆蓋的波段寬，視場(chǎng)大，分辨力要求高，因此望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用離軸三反消像散(tma)[11-12]結(jié)構(gòu)，tma 系統(tǒng)是近些年發(fā)展起來(lái)的新型光學(xué)系統(tǒng)，由三塊非球面反射鏡組成，具有無(wú)中心遮攔、分辨力高、體積小、平像場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。為了與光譜成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光瞳匹配，要求 望遠(yuǎn)系統(tǒng)像方遠(yuǎn)心。tma 系統(tǒng)根據(jù)離軸方式不同分為光闌離軸和視場(chǎng)離軸兩種類(lèi)型。光闌離軸的 tma 系統(tǒng)，孔徑光闌在主鏡上，一般有中間像面，光學(xué)系統(tǒng)很不對(duì)稱(chēng)，所以視場(chǎng)角不能做太大。視場(chǎng)離軸的三反系統(tǒng)，孔徑光闌放在次鏡上，使光學(xué)系統(tǒng)比較對(duì)稱(chēng)，可以 設(shè)計(jì)成很大的視場(chǎng)角，成像質(zhì)量好，并且容易實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心。因此根據(jù)高光譜成像儀的望遠(yuǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇視場(chǎng)離軸的 tma 系統(tǒng)作為其結(jié)構(gòu)型式。

首先根據(jù)高斯光學(xué)理論計(jì)算同軸三反系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后加入適當(dāng)?shù)碾x軸量，避免中心遮攔，fov 1 離軸 8°，fov 2 離軸 10°，二者在像面上錯(cuò)開(kāi)約 12 mm 的距離，在焦面附件加了一個(gè)刀口反射鏡實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)分離。利用 code v 軟件的多重結(jié)構(gòu)(zoom)優(yōu)化功能，在初始結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成如圖 2 所示的離軸三反望遠(yuǎn)系統(tǒng)，次鏡為孔徑光闌，無(wú)中間像，主鏡為六次非球面，次鏡和三鏡均為二次曲面，系統(tǒng)總長(zhǎng)約為系統(tǒng)焦距的 1/2。圖 3 為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，各視場(chǎng)在特征頻率 28 lp/mm 處大于0.8，成像質(zhì)量接近衍射極限。

3 光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

offner 光譜成像系統(tǒng)(如圖 4 所示)是在反射式 offner 中繼光學(xué)系統(tǒng)[13-14]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型光譜成像系統(tǒng)，2 塊球面反射鏡分別作為主鏡和三鏡，凸面光柵作為第二個(gè)面。在 offner 中繼光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)中，主鏡和三鏡具有相同的曲率半徑和曲率中心，孔徑光闌在次鏡上，因此系統(tǒng)的入瞳和出瞳均位于無(wú)限遠(yuǎn)，系統(tǒng)可以看作關(guān)于光闌對(duì)稱(chēng)的 系統(tǒng)，彗差和畸變因?qū)ΨQ(chēng)性消除。當(dāng)把第二個(gè)面換成光柵后，盡管在一定程度上破壞了系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性，但可以適當(dāng)調(diào)整主鏡和三鏡的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)獲得良好的成像質(zhì) 量。與傳統(tǒng)準(zhǔn)直光束中使用光柵或棱鏡的方法相比，offner 光譜成像系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、譜線彎曲和色畸變小等優(yōu)點(diǎn)。如圖 4 所示，紙面內(nèi)為光譜維，垂直紙面方向?yàn)榭臻g維，圖4 給出了中心波長(zhǎng)和兩個(gè)邊緣波長(zhǎng)的位置。

因此，光譜成像系統(tǒng)采用 offner 凸面光柵結(jié)構(gòu)，入射狹縫尺寸為 36 mm×18 μm，物方數(shù)值孔徑為 0.124。為了使狹縫像與探測(cè)器匹配，光譜成像系統(tǒng)的放大率取為 1:1，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 code v 和 zemax 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖 5 給出了 offner 光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。從圖 5可以看出，不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)在奈奎斯特空間頻率 28 lp/mm(對(duì)應(yīng) 18 μm 探測(cè)器像元)處均大于 0.75，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良?；冃∮?0.02%，可以忽略。

4 高光譜成像儀全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將離軸三反消像散(tma)望遠(yuǎn)系統(tǒng)與 offner光譜成像系統(tǒng)組合，并適當(dāng)調(diào)整，得到高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀全系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，光譜維在紙面內(nèi)，空間維在垂直紙面方向。圖 6 給出了視場(chǎng) 1 和視場(chǎng) 2 的中心波長(zhǎng)和邊緣波長(zhǎng)在焦平面上的位置。高光譜成像儀全系統(tǒng)視場(chǎng)1 不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)如圖 7 所示。高光譜成像儀全系統(tǒng)視場(chǎng) 2 不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)如圖8 所示。可以看出，各視場(chǎng)不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)在奈奎斯特空間頻率 28lp/mm 處(對(duì)應(yīng) 18 μm 探測(cè)器像元)均大于 0.7，遠(yuǎn)高于 mtf≥0.5 的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

星載高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀已成為空間遙感的迫切需求，本文根據(jù)高分辨力、大視場(chǎng)高光譜成像儀的要求，考慮到市售探測(cè)器的限制，提出了一 種新的視場(chǎng)分離分光方法，這種視場(chǎng)分離方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。詳細(xì)分析了視場(chǎng)分離分光的原理，并利用這種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了全視場(chǎng) 11.42°，地面像元分辨力 30 m，光譜分辨力 5 nm，工作波段為 0.4～1.0 μm，光譜通道為 120 的星載高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 code v 和 zemax 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(mtf)均達(dá)到 0.7 以上，完全滿(mǎn)足成像質(zhì)量要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，適合空間遙感應(yīng)用。