成像光谱仪工程权衡优化设计的光学结构

　　1　引　言

　　卫星对地观测遥感正在发展一种地面分辨率为数十米,光谱分辨率λ/Δλ=100,具有波长上相邻接的一、二百个窄带光谱通道的高分辨率成像光谱仪(也称超光谱成像仪),该光谱仪在农、林、水、土、矿等资源调查和环境监测等领域有广阔的应用前景。已经研制的高分辨率成像光谱仪有美国Lewis小卫星上的HSI[1]、NEMO卫星上的COIS[2]、EO21卫星上的Hyperion[3]、MightySat卫星上的FTHSI[4],以及英国小卫星上的CHRIS[5]等。

　　高分辨率成像光谱仪采用一维视场(12DFOV)望远镜和光谱仪相结合的光学结构,在其分光光谱的成像焦平面上用面阵列(22D)探测器采集数据,卫星飞行沿轨迹方向推扫(也称帚扫Pushbroom)成像。成像光谱仪光学系统有几种不同的望远镜和光谱仪结构可供选择[6,7]。光谱仪的分光方法也有光栅色散型、棱镜色散型和干涉式傅里叶变换型等三种。

　　成像光谱仪技术方案必须在应用需求,卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合的工程权衡,优选光学结构,确定仪器参数。高分辨率成像光谱仪的地面和光谱分辨率都很高,积分时间短,焦平面器件接受的辐射能量弱,这是比较技术方案、优选光学结构时工程权衡考虑的重点。为设计一种卫星上轻量化的高分辨率成像光谱仪,在工程权衡光学方案的基础上优选了望远镜和光谱仪的光学结构。望远镜采用离轴非球面三反射镜系统,研制了棱镜色散,非球面准直和成像的新光学结构光谱仪,并采用一个光谱仪覆盖可见至短波红外(0.4~2.5μm)光谱区的光学设计方案。为了减少体积和重量,采用小口径的光学系统,用望远镜前的指向反射镜沿轨道方向摆动,视轴相对地面运动补偿(GMC)增加积分时间的方法提高信噪比[8]。这一光学结构具有结构简单、重量轻、辐射能利用率高、成像质量好的特点,并能够满足应用要求的技术指标和性能,在卫星资源(体积、重量)限制和当前技术能力下能够实现。

　　2　技术方案的工程权衡

　　2.1　工程技术权衡

　　成像光谱仪的光学结构和仪器参数(焦距、口径、光效率等)是根据应用任务要求的性能指标(地面分辨率,光谱分辨率,幅宽,信噪比等)和焦平面器件的规格性能(阵元尺寸、数目、探测率、光谱响应等),在卫星提供的资源(体积、重量、电功率等)的约束条件下进行综合的工程技术权衡、总体优化方案而确定的。这些参数和指标是相互制约的。信噪比(SNR)方程是工程上权衡技术指标和仪器参数的主要依据。

　　遥感信噪比(SNR)方程可表示为:

　　根据应用需求的地面分辨率和光谱分辨率要求,只要选定了焦平面器件(像元尺寸),望远镜的焦距、光谱仪的狭缝及线色散等就被确定了。但是为了在焦平面上获得足够的辐射能量,还需要调整和确定一些其它参数,如:相对口径D/f=;探测器阵元尺寸Ad;光学系统总透过率τo(λ);探测率D*(λ)(或量子效率η(λ)和噪电子数Ne);积分时间tin等。采用如下不同的技术方法,选择、确定和调整这些参数,可使光学结构提供的焦平面辐射能量满足信噪比要求。