高光谱分辨率近红外CO2成像光谱仪设计与模拟

　　0 引 言

　　大气层既是地球气候与环境的主要载体和活动舞台，又是空间天气与环境的重要组成部分。大气层下连地球海洋及生物圈，上接太阳活动重大影响区域磁层和电离层，上下发生着重要的相互作用。对它进行遥感探测从而发现和理解其中的整体行为和相互作用，一直是地球和空间科学界共同的追求目标[1]。CO2是人类产生的主要温室气体和气候变化的重要推动力[2]。地基 CO2监测网络没有足够的空间分辨率和覆盖率来识别全球范围内 CO2的产生、吸收及变化过程。充分认识大气中 CO2含量变化、产生、吸收、全球碳循环的动态变化是 21 世纪地球系统科学主要挑战之一。对大气中 CO2的空间遥感观测，具有前所未有的空间时间分辨率和覆盖率，对我们认识全球碳循环科学是革命性的。

　　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光学遥感器，它能够以高光谱分辨率获取景物和目标的超多谱段图像，在大气、海洋和陆地观测中正在得到广泛的应用。成像光谱仪是一种“图像和光谱合一”的光学遥感仪器，它利用入射狭缝将前置望远光学系统和光谱成像系统有机地结合在一起，能够提供景物连续的光谱图像。成像光谱仪具有其他光学遥感器不能比拟的综合技术性能，是光学遥感器发展的主流和方向[3-5]。在设计整个成像光谱仪中，光学系统设计决定仪器的最后性能[3]。成像光谱仪按分光技术可分为传统的棱镜、光栅色散型成像光谱仪和傅里叶变换、采用可调谐或者渐变滤光片及采用二元光学元件等新型成像光谱仪。在地球红外波段高光谱分辨率探测领域，通常采用傅里叶变换技术，迈克尔逊干涉法结构简单但由于存在着动镜加工装调要求高，三角共路干涉法采用元件较多、结构复杂[6]。CO2吸收光谱的遥感观测具有高光谱分辨率且属于微光探测的特点，这增加了成像光谱仪的设计难度。本文设计了一种简单但有效的平面反射光栅光谱仪来解决这两个难题，采用了尽量少的光学元件，保证探测器性能和系统的稳定性。

　　1 近红外成像光谱仪的光学结构设计

　　根据空间 CO2近红外吸收光谱[7](如图 1)遥感探测的特点及所要达到的光谱分辨率，确定系统的主要指标如表1 所示。

　　整个光学系统包括望远镜和光谱仪两部分，这两部分的设计在尽量减少光学元件数的思想下进行的。图2 给出的是整个光谱仪系统的光线追迹固体模型图，光谱仪焦距为220 mm。

　　1.1 望远镜设计

　　由于光谱仪光谱范围较窄(30 nm)，前置望远镜采用匹兹伐尔型折射结构[8]，适合本应用大相对孔径F/1.8，小视场角为 0.5°的情况，MTF 达到 0.7@28 lp/mm。图 3 为设计结果，焦距为 220 mm。透镜均采用普通常用光学玻璃，为简化望远镜设计结构、减少透镜片数，提高系统透过率，满足信噪比要求，采用了非球面设计，设计结果采用两片透镜，每片透镜第一面采用非球面且非球面只采用简单二次非球面，这减少了加工难度。