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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

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光谱成像系统的放大倍率取1:1,则望远系统的焦距tf ′为 360 mm。综合考虑成像质量和信噪比要求,取入瞳直径为 90 mm,仪器的相对孔径为 1:4。高光谱成像仪光学系统的主要技术指标总结如表1 所示。

2 望远系统设计

2。1 视场分离分光原理

从技术指标可以看出,这是一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统。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。因此为同时满足高分辨力和大视场的要求,本文提出了视场分离分光方法,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(fov 1)和视场 2 (fov2)。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光束的位置,使其边缘不挡住视场 2 的入射光束,又能完全反射视场 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,减小仪器体积。因为高光谱成像仪的视场为线视场,在空间维上全视场为 11。42°,对应入射狭缝的长度方向,在光谱维上的视场为0。002 86°,对应狭缝宽度方向。因为视场 1 和视场 2 的离轴量不同,二者在焦面附近就分开了一定的距离,所以在焦面附近放置刀口反射镜,就不会有视场 1 的光进入视场 2,也不会有视场 2 的光进入视场1。视场分离的方法,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 120 km 的刈幅宽度。

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2.2 望远系统光学设计

望远系统覆盖的波段宽,视场大,分辨力要求高,因此望远系统采用离轴三反消像散(tma)[11-12]结构,tma 系统是近些年发展起来的新型光学系统,由三块非球面反射镜组成,具有无中心遮拦、分辨力高、体积小、平像场等优点。为了与光谱成像系统实现光瞳匹配,要求 望远系统像方远心。tma 系统根据离轴方式不同分为光阑离轴和视场离轴两种类型。光阑离轴的 tma 系统,孔径光阑在主镜上,一般有中间像面,光学系统很不对称,所以视场角不能做太大。视场离轴的三反系统,孔径光阑放在次镜上,使光学系统比较对称,可以 设计成很大的视场角,成像质量好,并且容易实现像方远心。因此根据高光谱成像仪的望远系统的特点,选择视场离轴的 tma 系统作为其结构型式。

首先根据高斯光学理论计算同轴三反系统的初始结构参数,然后加入适当的离轴量,避免中心遮拦,fov 1 离轴 8°,fov 2 离轴 10°,二者在像面上错开约 12 mm 的距离,在焦面附件加了一个刀口反射镜实现视场分离。利用 code v 软件的多重结构(zoom)优化功能,在初始结构基础上进行了优化设计,形成如图 2 所示的离轴三反望远系统,次镜为孔径光阑,无中间像,主镜为六次非球面,次镜和三镜均为二次曲面,系统总长约为系统焦距的 1/2。图 3 为望远系统的调制传递函数,各视场在特征频率 28 lp/mm 处大于0.8,成像质量接近衍射极限。

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3 光谱成像系统设计

offner 光谱成像系统(如图 4 所示)是在反射式 offner 中继光学系统[13-14]的基础上发展起来的新型光谱成像系统,2 块球面反射镜分别作为主镜和三镜,凸面光栅作为第二个面。在 offner 中继光学系统的初始结构中,主镜和三镜具有相同的曲率半径和曲率中心,孔径光阑在次镜上,因此系统的入瞳和出瞳均位于无限远,系统可以看作关于光阑对称的 系统,彗差和畸变因对称性消除。当把第二个面换成光栅后,尽管在一定程度上破坏了系统的对称性,但可以适当调整主镜和三镜的旋转角度来获得良好的成像质 量。与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,offner 光谱成像系统具有体积小、质量轻、谱线弯曲和色畸变小等优点。如图 4 所示,纸面内为光谱维,垂直纸面方向为空间维,图4 给出了中心波长和两个边缘波长的位置。

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因此,光谱成像系统采用 offner 凸面光栅结构,入射狭缝尺寸为 36 mm×18 μm,物方数值孔径为 0.124。为了使狭缝像与探测器匹配,光谱成像系统的放大率取为 1:1,利用光学设计软件 code v 和 zemax 进行了优化设计,图 5 给出了 offner 光谱成像系统的设计结果。从图 5可以看出,不同波长的调制传递函数(mtf)在奈奎斯特空间频率 28 lp/mm(对应 18 μm 探测器像元)处均大于 0.75,成像质量优良。畸变小于 0.02%,可以忽略。

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4 高光谱成像仪全系统设计

将离轴三反消像散(tma)望远系统与 offner光谱成像系统组合,并适当调整,得到高分辨力、大视场高光谱成像仪全系统的光学结构如图 6 所示,光谱维在纸面内,空间维在垂直纸面方向。图 6 给出了视场 1 和视场 2 的中心波长和边缘波长在焦平面上的位置。高光谱成像仪全系统视场1 不同波长的调制传递函数(mtf)如图 7 所示。高光谱成像仪全系统视场 2 不同波长的调制传递函数(mtf)如图8 所示。可以看出,各视场不同波长的调制传递函数(mtf)在奈奎斯特空间频率 28lp/mm 处(对应 18 μm 探测器像元)均大于 0.7,远高于 mtf≥0.5 的设计指标要求。

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5 结 论

星载高分辨力、大视场高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,本文根据高分辨力、大视场高光谱成像仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了一 种新的视场分离分光方法,这种视场分离方法具有结构简单紧凑、易于实现的特点。详细分析了视场分离分光的原理,并利用这种设计方法设计了全视场 11.42°,地面像元分辨力 30 m,光谱分辨力 5 nm,工作波段为 0.4~1.0 μm,光谱通道为 120 的星载高光谱成像仪光学系统,用光学设计软件 code v 和 zemax 进行了优化设计,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,不同波长的调制传递函数(mtf)均达到 0.7 以上,完全满足成像质量要求,并且结构紧凑,适合空间遥感应用。

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