机载高光通量双波段成像光谱仪的设计

　　0 引言

　　成像光谱仪因其广泛的实用范围和应用前景而成为一种重要的遥感器，主要应用在环境监测、矿产勘察、农业或生态研究甚至是军事侦查领域[1]。最新的军事应用要求机载成像光谱仪能同时覆盖可见近红外和中波红外光谱波段， 而目前在国内外尚没有这样的光谱仪。通常，双波段机载成像光谱仪要求在可见光波段具有很高的空间和光谱分辨率， 而在红外波段具有很大的孔径。但可见光与红外波段成像特性不同[2-3]，在要求机载平台小型化、轻量化和高稳定性的同时， 很难将它们融合到同一个成像光谱仪中。然而，如果为前置望远系统和光谱仪系统选择合理的结构， 经过适当的光路处理后则可以实现VNIR 和MWIR 波段的合并。

　　共心光学结构因其高聚光度和无畸变的优点特别适合用作光谱成像结构[4]， 最典型的共心共轴结构有全反射的Offner 系统和Dyson 折反射系统。前者已广泛受到国内外研究人员的关注， 并且已经应用到各种航空航天遥感器中[5-7]。后者因其具有很好的成像而应用在可见红外波段[8]。由于Dyson 结构具有强大的聚光能力，Mertz 和Warren 先后将其应用到数值孔径(NA) 为0.66 的紫外仪器和F 数为2.5(甚至在设计上达到了1.25)的长波红外仪器中[9-10]。文中根据研究目标要求， 设计了一个融合VNIR 和MWIR 谱段机载高光通量Dyson 结构成像光谱仪，根据ZEMAX 软件的仿真结果， 该光谱仪具有很好的成像特性。

　　1 结构分析和设计

　　根据研究目标要求，需要设计一个双波段机载推扫成像光谱仪， 该成像光谱仪工作在距离地面10 km的平流层，覆盖穿轨方向地面宽度为2 km，光谱范围分别为0.4~1.0 μm 和3.0~5.0 μm。要求在VNIR 波段具有2m 的地面分辨率(GSD)和5 nm 的光谱分辨率，在MWIR 波段具有3.3 m 的地面分辨率和15 nm 的光谱分辨率。为了使MWIR 谱段具有更高的灵敏度，要求系统F 数为2。为了实现上述指标，经权衡优化后， 选择了18 μm×18 μm 的CCD 和30 μm×30 μm的HgCdTe 分别作为可见光和红外波段的探测器。系统焦距选择为90 mm， 考虑到望远镜作为双波段的共同结构，必须选择全反射系统。在众多全反射望远结构中，John Fisher[11]提出，主要有三种结构适合用作成像光谱仪的前置望远镜：经典R-C 系统、三镜消像散(TMA)系统和Schwarzschild 系统。其中，前两者都不适合用作大F 数望远镜， 且在同轴R-C 系统中，主镜为环状孔径，使得从次镜散射的光线直接照射到探测器上，可能造成冷反射，所以不适合用在红外谱段中;平场Schwarzschild 系统具有大视场、大F数、结构简单、像差校正能力强的特点而适合用作大F 数成像光谱仪中的望远镜， 特别是设计成偏轴结构时可实现无遮挡成像， 并且已经出现在参考文献[8]的成像光谱仪中，因此，适合作为双波段共用前置望远系统。因为工作在不同的波段，不同的探测器对灵敏度有不同的要求， 在MWIR 波段， 光通量要求较大，可取F/2，而为了不使CCD 探测器达到饱和而无法工作，可见光波段F 数选为3。为了实现不同波段具有不同F 数，需要将孔径光阑置于光谱仪上，当其置于各自波段光谱仪的光栅上时， 望远镜近似于像方远心结构。