凸面光栅成像光谱仪的研制与应用

　　1　引　言

　　成像光谱技术是20世纪80年代起源于遥感探测领域“图谱合一”的新型分析技术，通过在连续成像空间上进行连续光谱测量对目标进行“定性、定量、定时、定位”分析和动态过程监测，实现了空间图像与光谱数据的统一。目前，主要应用于资源勘查、军事侦察、自然资源开发等领域，成像光谱仪是实施此项技术的基本设备。成像光谱仪由前置望远系统和分光系统两部分组成，分光系统是成像光谱仪的关键部分，常见的分光模式有色散型和干涉型，色散型所使用的色散元件主要有：色散棱镜、干涉滤光片、平面闪耀光栅等[1]。光栅色散成像光谱仪由于比棱镜、滤波器、干涉型等其他类型成像光谱仪具有显著优点而得到越来越广泛的应用[2-4]。传统光栅色散型成像光谱仪的主要限制因素是当系统孔径大时，会产生较大的光学畸变、高衍射级次的杂散光等，这严重地影响了光谱的纯度并限制了后期数据处理算法的精确度。

　　1987年D.Kwo首次提出了基于Offner同心分光结构的凸面光栅成像光谱仪，该系统以凸面光栅为色散元件，结构简单、易实现大孔径但系统存在像散或彗差[5];1999年，M.P.Chrisp对系统进行了改进，显著提高了凸面光栅成像光谱仪的成像质量[6]。与传统成像光谱仪相比，基于Offner同心结构的凸面光栅成像光谱仪的分光系统仅由3个光学元件组成，设计本身具有大孔径、低光学畸变、结构简单、易于实现小型化的特性[7-8]，这大大降低了成像光谱仪的设计难度和后端数据处理的复杂度，提高了成像光谱分析的准确度;但是受到凸面光栅制造水平的限制，凸面光栅成像光谱仪在最初并未得到推广应用。近年来，随着光栅制造技术的发展，凸面光栅成像光谱仪逐渐从理论研究走向实际应用[9-12]。美国国家航空航天局(NASA)、欧洲宇航局(ESA)等已经将凸面光栅成像光谱仪成功地应用于高指标的航空、航天任务中，完成了月球表面高分辨率矿物质探测、火星矿物质探测等[13-14]。国内关于凸面光栅成像光谱仪的研究也越来越多，但大多停留在实验室研究阶段[13-16]，实际应用相对较少。鉴于此，本文设计并利用全息法制作了凸面光栅，并利用该凸面光栅作为核心元件研制了便携式凸面光栅成像光谱仪，该仪器以推扫方式扫描目标，从而获取目标的成像光谱数据立方，经测试以及室外实验，各项指标均满足设计要求。

　　2　凸面光栅成像光谱仪的设计

　　2.1　基本原理

　　凸面光栅成像光谱仪由前置望远系统和凸面光栅分光系统两部分组成[9]。沿狭缝方向的探测目标条带经望远系统成像在狭缝上，后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并由探测器接收。通过空间连续推扫方式获得了目标的成像数据立方，对目标进行空间分析和成分识别。