超光谱成像仪狭缝热光谱特性的分析

　　0　引　言

　　超光谱成像仪(HSI———Hyper Spectral Imager)又称成像光谱仪,是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器,它能够同时获取地物的影像及其每一个像元的光谱。与以往的多光谱成像仪相比,将光谱分辨率(λ/Δλ)从多光谱级101,提高到了超光谱级102;谱段通道数也由多光谱级的数个增加到了数十个甚至上百个。超光谱成像仪是遥感对地观测技术发展的前沿,代表着当前监测地球环境动态变化最有效的空间遥感仪器的发展方向[1]。

　　如图1所示,超光谱成像仪由1望远镜系统和光谱仪系统(包括光谱仪狭缝,准直镜,色散元件,成像镜,光电耦合器件)组成。图中的坐标X是飞行前进方向,坐标Y是垂直飞行方向,坐标Z是对地观测方向。望远镜系统将垂直飞行方向( Y向)的狭长形地物成像在光谱仪系统的狭缝上(狭缝宽度方向是X向,狭缝高度方向是Y向);通过狭缝的光线经准直镜准直,色散元件(如光栅、棱镜等)分光,最后经过成像镜汇聚,成像在焦平面(光电耦合器件)上。焦平面上平行狭缝的一行像元对应地面Y方向上狭长形地物;垂直狭缝方向上得到该狭长形地物的光谱分布。通过超光谱成像仪搭载的平台(如卫星、飞船等)飞行推扫得到下一个狭长形地物的光谱像。最终形成两维空间的像和一维光谱的像,也就是我们常称的图像立方(image cube)。

　　在整个系统中,狭缝是超光谱成像仪的核心部件之一。狭缝作为光学系统的视场光阑,既是望远镜系统的像面,又是光谱仪系统的物面,其质量直接影响整个系统的光谱带宽和信噪比。因此要求超光谱成像仪的狭缝不但具有较高的尺寸精度和位置精度,同时还要具有良好的温度适应性,使其在不同温度环境中都具有保持较高尺寸精度和位置精度的能力。本文主要讨论两类狭缝在不同温度环境下自身形状尺寸变化对整个系统的光谱带宽以及系统信噪比的影响,即讨论两类狭缝的热光谱特性。

　　1　狭缝的热光谱特性

　　1.1　空间环境与热光谱特性的含义

　　超光谱成像仪作为空间光学遥感仪器,在太空中必然受到各种严酷的环境考验:微重力、超真空、太阳直射、阳光返照、地球红外辐射和4K冷黑空间等共同作用,所处环境要比地面装调实验室环境恶劣得多。随着超光谱成像仪在太空服役时间的延长,还将会出现许多无法预料的情况。为了顺利完成任务,实现设计指标,一方面需要系统自身具有较好的热光谱特性,另一方面需要通过热光谱特性分析,得到热控指标,从而采用必要的热控措施。对超光谱成像仪狭缝进行热光谱特性分析是狭缝选择、狭缝机构设计、狭缝热设计必不可少的环节。