星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计

　　0　引言

　　成像光谱仪能够同时获取观测目标的空间几何和光谱信息,具有独特的信息获取和特征识别能力,它作为一种重要的空间对地观测手段,在陆地、大气和海洋观测中正在得到越来越广泛的应用[1-3].短波红外(Short-Wave Infrared, SWIR)成像光谱仪在国民经济、科学研究等诸多领域具有广泛的应用前景[4].目前国际上具有代表性的短波红外成像光谱仪有美国TRW公司研制的Hyperion[5],视场0.624°,刈幅宽度7.5 km;美国海军NEMO卫星的主载荷COIS[6],视场2.5°,刈幅宽度30 km;英国Sira公司研制的CHRIS[7],视场角0.553°,刈幅宽度13 km.国内上海技术物理研究所的王欣等设计的短波外成像光谱仪视场1.4°[8],这些短波红外成像光谱的地面像元分辨力一般为几十米,光谱分辨力为几十纳米,缺点是视场角较小,刈幅宽度小.随着空间遥感应用的不断深入,对短波红外成像光谱仪的要求也越来越高,在满足高分辨力的条件下,还要求具有大视场角.因为视场越大则刈幅宽度越大,仪器的回访周期就越小.因此星载大视场短波红外成像光谱仪成为空间遥感的迫切需求,而现有的小视场短波红外成像光谱仪不能满足要求.

　　短波红外成像光谱仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统组成.地物目标的一个条带经前置望远系统成像在光谱成像系统的入射狭缝上,光谱成像系统对入射狭缝进行色散,按波长不同成像在探测器的不同位置上.与入射狭缝长度方向平行的一维为空间维,与狭缝宽度方向平行的一维为光谱维,再经随卫星运行方向推扫得到图谱合一的图像.在成像光谱仪的研制过程中,光学系统的选择和设计直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积等.

　　本文根据星载大视场短波红外成像光谱仪的应用要求和技术指标,考虑到市售短波红外焦平面探测器产品的限制,提出了视场分离的方法,详细分析了视场分离分光的原理,运用该方法设计了星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,并利用光学设计软件CODE V和ZEMAX对设计结果进行了分析与评价.

　　1　主要技术指标

　　短波红外成像光谱仪预计将来工作轨道高度H=600 km的卫星平台上,要求刈幅宽度GW=120 km,地面像元分辨力GSD=60 m,光谱分辨力10 nm.由于受市售短波红外焦平面探测器产品的限制,可选择的余地非常有限,在1.0~2.5μm波段,可用的HgCdTe焦平面探测器像元尺寸为p=30μm,像元数为1 000 (空间维)×256(光谱维).根据仪器轨道高度和刈幅宽度的要求,确定仪器的视场角为：

　　成像光谱仪的光谱成像系统的放大倍率取1∶1,则望远系统的焦距f′t为300 mm.综合考虑成像质量和信噪比要求,取入瞳直径为75 mm,仪器的相对孔径为1∶4.根据光谱分辨力为10 nm的要求,确定光谱通道数为150个.短波红外成像光谱仪光学系统的主要技术指标总结如表1.