卫星姿态抖动对LASIS成像质量的影响

　　引 言

　　成像光谱技术是上世纪八十年代才发展起来的集光学、光谱学、精密仪器、电子技术和计算机技术于一体的高新技术,由于它可以获得被测目标丰富的光谱信息，因此在航天遥感、农业和环境方面均具有很重要的应用价值。大孔径静态干涉成像光谱仪(LASIS)是由中国科学院西安光学精密机械研究所提出的集高灵敏度、高信噪比、高光谱与高空间分辨力、多功能、小体积、轻重量等优点于一体的新型成像光谱仪[1]，它通过在普通照相系统中加入横向剪切干涉仪，使像面上得到的不再是目标的直接图像，而是目标的“干涉图像”，将不同时刻得到干涉图像进行变换、复原和匹配，即可得到目标各“点元”的光谱曲线。LASIS 有效地解决了现有成像光谱仪存在的主要难题——高辐射通量与高稳定度的矛盾[1]。另一方面，LASIS 获得一个“点元”的光谱曲线必须经过一次全视场的推扫过程，在卫星推扫过程中，卫星姿态的变化，如俯仰(pitch)、侧滚(roll)、偏航(yaw)等，就会造成图像质量下降、严重时甚至造成干涉图失真，导致无法反演出被测目标的真实光谱信息。本文将就卫星姿态抖动对 LASIS 图像的影响进行定量分析，为设计正确有效的 LASIS 图像校正算法提供必要的理论依据，同时，也为设计卫星平台参数提供参考数据。

　　2 LASIS 原理简介

　　LASIS 光学部分主要有以下四个部分组成：前置光学系统、横向剪切干涉仪、成像系统和探测器，其成像原理如图1 所示。

　　从图1 可见，LASIS 是在一个普通的照相系统前加入横向剪切干涉仪实现的。横向剪切干涉仪使像面上得到的不再是目标的直接像，而是目标的“干涉图像”。图1 中 Sagnac 型横向剪切干涉仪是 LASIS 成像光谱仪的核心部件，其光学原理如图2 所示，其中d 表示分束后两束相干光线在出射面上的出射点之间的距离(并非两束相干光线之间的距离，这个距离只与射入横向剪切干涉仪入射面光线的入射角和仪器本身参数有关[4])。

　　光线从入射面进入横向剪切干涉仪，在分束面上经反射和透射后分束为两束相干光线从出射面射出，并经后面的成像透镜成像到CCD 面阵列上。由于干涉仪的对称性，入射光和入射法线的夹角和出射光和出射面法线的夹角相等。

　　当这个夹角不为零时，出射光线的等光程面和成像透镜的等光程面不重合，会聚到 CCD 阵列上同一点的两束光就具有光程差，从而发生干涉[2-4]。

　　3 卫星姿态变化对 LASIS 成像的影响

　　图3 是LASIS 的干涉成像原理示意图。图中，á 为入射光线经过横向剪切干涉仪后与成像透镜主光轴的夹角，d 的意义同图2 ，f 为成像透镜的后焦距，x 为光线会聚点到成像中心的距离。从图3 可知，经过横向剪切干涉仪分束后的两束相干光线，会聚到成像透镜的后焦面(CCD 面阵列所在位置)上产生干涉，当成像透镜采用 Fourier 透镜时，两束相干光的光程差为