“海洋一号”卫星10通道水色扫描仪光学系统的设计

　　1 前 言

　　2002 年 5 月中国成功发射了第一颗太阳极地同步轨道的海洋水色卫星——“海洋一号”。卫星的主要有效载荷是 10 通道水色扫描仪，它的瞬时视场是 1.38mrad，星下点的空间分辨率是 1.1km。

　　水色仪的光学系统在空间运行中成功地完成了任务要求，并首次采用了消像旋系统使得 45 扫描镜和线列阵探测器能配合使用。

　　2 光学系统

　　水色扫描仪有 10 个探测波段范围，从可见光到长波红外。“海洋一号”水色扫描仪的探测波段中心波长如表 1 所示。

　　为了提高系统的信噪比，系统采用了列阵探测器并扫，因此像面要求不能随扫描系统旋转而旋转。45°旋转扫描镜扫描是一个好的扫描方式，但会产生像旋转。要采用 45°旋转扫描镜扫描，消像旋就显得十分重要。因此在光学系统中加入了消像旋系统。

　　如图 1 所示，光学系统由 45°旋转扫描镜、主光学系统、消像旋系统和后光学系统组成。因为光学系统的光谱必须覆盖从可见光到长波红外的范围，在后光学系统前必须采用反射系统。

　　入射光经过 45°旋转扫描镜反射后进入主光学系统和消像旋系统，然后第 1 分色片将光谱分为两部分：红外和可见光，红外光反射而可见光透射。红外光(2个探测通道)由红外透镜系统将其聚焦至列阵探测器上。可见光通道被第 2 分色片分成两个部分，一部分(5个探测通道)反射，另一部分(其余3 个探测通道)透射。两部分的可见光分别由各自的透镜系统会聚到线列探测器上。探测光谱波段由放在探测器前的滤光片形成。

　　2.1 主光学系统

　　主光学系统是一个由两块反射镜组成的卡氏系统，它把45°旋转扫描镜反射的光线会聚，焦点位于消像旋系统之后。在固定2块反射镜的主系统镜筒内壁形成螺纹以减少杂散光。

　　2.2 消像旋系统

　　经过研究、设计和计算，采用了 3 块反射镜的消像旋系统。当该消像旋系统以 45°旋转扫描镜一半转速同方向旋转时，可以消除 45°旋转扫描镜产生的像旋转。

　　3 块反射镜排列成字母“K”，且它们的入射面是相同的。主系统的光轴、45°旋转扫描镜的旋转轴和消像旋系统的光轴旋转轴重合。系统旋转起始时 45°扫描镜和消像旋系统的入射面是重合或垂直的。45°扫描镜和消像旋系统必须同时启动，同方向，且 45°扫描镜转速是消像旋系统转速的一半，这是非常重要的技术要求，必须精确实现。

　　2.3 后光学系统

　　消像旋系统之后的光学系统称为后光学系统，其中包括分色片、会聚透镜和通道滤光片。先由分色片将光谱分成 3 个部分，分别由 3 个透镜组将光线会聚到探测器上，由位于探测器前的滤光片细分成探测所需的光谱波段.