推帚式超光谱成像仪光学系统的选择

    引言

    超光谱成像^[1]仪是一种谱像合一的新型成像遥感仪器，它在获得景物影像的同时获得像元的光谱，能够反映地球表面物质的光谱特性，从而达到利用光谱识别地球表面物质的目的。面阵探测器推帚式^[2]超光谱成像仪由于驻留时间长，便于实现高信噪比^[3]，所以，多用于高分辨率超光谱成像观测任务。

    1 望远系统方案的选择

    推帚式超光谱成像仪的光学系统包括望远系统和光谱仪光学系统两部分，狭缝将望远系统与光谱仪系统有机结合为一体（图 1）。望远系统将来自景物的光会聚在光谱仪的入射狭缝上，光通过狭缝后被准直，穿过色散元件，再会聚到阵列探测器上，在狭缝的长度方向上形成空间窄带的像，在狭缝宽度方向上形成窄带像元的光谱^[4]。

    望远系统分为反射式、折射式、折反射式 3 种^[5]。折射式望远系统具有像质好、视场大、角弥散＜25μrad 等优点，但是需要采用特殊的玻璃，对于较长的焦距，口径大，应力集中，易碎。折反射式望远系统使用大口径的透镜，受发射应力影响易碎。反射式望远系统可分为同轴和离轴两种。同轴系统结构简单、质量轻，但视场小，更重要的是由于有中心遮拦，能量利用率较低，只能达到 75%左右。离轴系统结构复杂、质量重，但能量利用率较高，视场大。离轴系统可分为离轴三反、离轴五反等方式。离轴三反式系统的特点是中等口径，中等视场，杂光抑制能力一般，非球面多；离轴五反式系统的特点是全球面，可以达到优良的像质和远心度，仅有少量高级畸变，可用视场光阑抑制杂光，反射面数略多。

    在满足光谱范围、视场和空间分辨率的前提下，需要在能量、体积和质量方面进行工程权衡。目前采用的主要是反射式。离轴三反的反射镜个数少，但非球面加工难度较球面高；离轴五反的反射镜个数多，但全球面，容易加工。这两种方式都是应用较好的方案，近年来随着非球面加工技术的不断发展，离轴三反式的望远系统应用略多。

    2 光谱仪系统方案的选择

    色散型超光谱成像仪是当前高分辨率超光谱成像仪发展的主流，按色散方式又分为光栅色散和棱镜色散两种^[6]。光栅色散型超光谱成像仪覆盖的光谱范围窄，光谱分辨率高，光谱是线性的且有重叠现象；棱镜色散型超光谱成像仪覆盖的光谱范围宽，光谱分辨率低且光谱是非线性的。由于棱镜色散型超光谱成像仪能量利用率很高，且无光谱重叠现象，所以应用较多。