嫦娥一号卫星成像光谱仪光学系统设计与在轨评估

　　0　引言

　　我国首颗月球探测卫星嫦娥一号于2007年10月24日成功发射,11月5日被月球捕获,在完成卫星调轨、调姿后从11月20日起各种探测设备相继开机开展各项科学探测,干涉成像光谱仪是继CCD立体相机之后第二台开机工作的科学仪器,到2008年12月工作时间已超过设计寿命一年,仪器在轨工作一直正常.已获得了大量中高纬度清晰的多光谱图像.它是国际上首次采用干涉成像光谱技术,实现对月球的可见光/近红外连续宽谱段的多光谱探测,它与X/γ射线谱仪共同完成了分析月球表面有用元素成分及物质类型的含量与分布的科学目标.

　　1　科学目标

　　根据嫦娥一号卫星地面应用系统制订的我国首次绕月探测的科学目标,嫦娥一号卫星共配置了八种科学探测设备.

　　从表1可以看出,在8种探测设备中,有三台属于精密光学仪器,即CCD立体相机、激光高度计及成像光谱仪.其中CCD立体相机与激光高度计完成第一科学目标:获取月表三维立体影像;成像光谱仪与X射线谱仪、γ射线谱仪完成第二科学目标:分析月表有用元素成分与物质类型的含量与分布[1].

　　在分析月表有用元素成分与物质类型上,三台设备还是有各自的侧重点,X射线谱仪与γ射线谱仪侧重于元素的探测,而成像光谱仪则侧重于物质类型的分类.其实光谱单通道的照相机也具有区分物质类型的功能,如从形态上看水泥马路、沥青路面与土路是十分相似的,但在相同光照条件下,水泥马路会比沥青路面显得更亮些,这是因为水泥马路路面比沥青路面具有较高的反射系数所致,但是它尚不具备光谱分辨能力,对一台黑白照相机来说,若在草地上停有一辆颜色与背景不同的汽车,但在照相机的工作波段内探测器具有相同信号输出强度时,则无法发现该汽车,但是由于两者的颜色不同,采用多光谱图像,则可以十分容易地进行识别.月球自身并不发光,它是依靠太阳光照的反射而发光,称为被照发光体,不同类型的物质对不同的波长具有不同的反射系数,因此在由成像光谱仪获得的多光谱序列图像(即相当于波段很窄的准单色图像)中可以把具有不同光谱反射特性的物质类型区分得非常清楚.

　　2　技术指标

　　根据科学目标与任务要求,嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪当轨道高度H=200 km时达到的技术指标为:1)月表地元分辨率GSD=200 m;2)月表成像宽度L= 25. 6 km; 3)光谱范围λ= 0. 48 ~0.96μm;4)光谱通道数N=32个谱段;5)光谱分辨率δσ=325 cm-1;6)量化等级为12 bit;7)MTF≥0.2;8)S/N≥100;9)太阳高度角θ≥15°.即要求当太阳高度角θ≥15°时,仪器可以获得有用数据图像。