高光谱短波红外地物光谱仪的光机设计

　　1　引　言

　　地物目标的特征光谱测量、辐射测量,遥感仪器的场地定标都需要高光谱的地物光谱仪[1]。短波红外波段是遥感应用的一个重要波段,广泛应用于工业、农业、环境监测等各方面[2]。随着遥感技术的发展,短波红外波段地物光谱仪的应用越来越重要[3-4]。

　　由于可见至短波(SWIR)红外波段(380~1 000 nm)使用成熟的Si探测器,使此波段光谱仪技术发展较为成熟,国内外均研制成功了高性能的商业仪器[5]。而短波红外波段由于受到探测器性能的制约,仪器的发展受到很大的限制。早期研制的短波红外光谱仪器在光谱分辨率、使用便携性、信噪比等主要指标上与使用要求相差甚远。

　　近年来,短波红外探测器技术的发展[6-7]和新型平场凹面光栅的出现[8],为研制高性能的短波红外光谱仪提供了可能。本文采用平场凹面光栅分光、线阵列探测器探测这一最新设计方案,结合短波红外仪器的使用要求,进行了光谱仪的设计,并主要就仪器光机方面的设计做了较详细论述。

　　2　总体设计

　　整台仪器的工作原理如图1所示。由透镜L1、L2组成的前置光学系统使视场范围内目标的反射均匀地照亮入射光纤束,每根光纤都接受整个视场范围内相同的光通量,保证了两个探测单元视场的同一性,并可通过更换前置光学系统方便地改变仪器视场。采用光纤束导光,简化了光机结构设计,并在使用上更加方便。由平场凹面光栅和线阵列探测器组成的分光探测单元是仪器的核心部分,通过光纤的光照亮狭缝,经过光栅分光、会聚,成像在列阵探测器平面上,各像元输出电信号。由于受到探测器响应波段的限制,对整个探测波段(900~2 400 nm)分为两个独立的分光探测单元进行探测。CPU产生驱动时序,驱动电路实现探测器的工作时序。探测器输出的模拟信号经过滤波及放大后进行A/D转换,由主控电路完成数字信号的存储和显示。

　　3　光学系统设计

　　3.1　分光探测单元

　　分光探测单元主要由平场凹面光栅和线阵列探测器组成。平场凹面光栅集分光、会聚、像差校正于一体,将入射狭缝的光谱图像会聚到一个平面上,由线阵列同时探测各光谱的强度信号,如图2所示。该系统实现了较大的数值孔径并简化了光机结构设计,分光、探测元件全固化,无运动部件,保证了结构的可靠性和波长稳定性。

　　由于受到光栅覆盖波长范围和探测器响应波长范围的限制,在整个波长范围需要两个分光探测单元来实现。结合系统光谱分辨率、信噪比要求,选择最佳匹配单元。在SWIR1波段(900~1 650 nm),光栅的色散优于72 nm/mm,探测器为256元一级热电制冷InGaAs。在SWIR2波段(1 650 ~ 2 400 nm),光栅的色散优于58 nm/mm,探测器为256元二级热电制冷扩展InGaAs。两个探测器的像元宽度均为50μm,相应系统的光谱取样间隔优于3.6 nm。