一种机载多光谱相机的光学系统设计

    0 引言

    多光谱探测技术是60年代出现的一种遥感技术,目前广泛地用于资源考察、农林、水文和地质勘查、环境监测、灾害调查以及测绘制图等方面[1].多光谱相机是在工作过程中同时用几个谱段对同一景物进行成像的相机,因此它既可获取目标的图像信息,又可获取目标的光谱信息.

    在航空遥感应用中,飞机是主要的搭载平台.目前搭载多光谱相机的飞机飞行高度一般在3 500~5 000 m的范围之间,分辨率较低,幅宽覆盖窄.随着速高比和地面覆盖等工作要求的提高,宽幅高分辨率机载多光谱相机逐渐成为未来航空遥感的发展趋方案,其光学子系统焦距为175 mm,相对孔径1/3.6,全视场角为18b.该相机采用两套子系统外视场拼接来实现,相对内视场拼接方式更加容易达到图像配准的要求,在实现高空间分辨率和大幅宽覆盖的同时克服了传统线阵推扫时谱段信息遗漏的缺陷.

    1 系统方案论证

    1.1 推扫方案比较

    采用线阵CCD探测器的优势在于能保证在单维方向的像元数量,容易满足幅宽要求[2].这类相机中的线阵探测器被分为若干连续谱段,并采用相应数目的光学系统来分别对各谱段成像,经过合成后得到连续图像.这就要求针对不同谱段、谱段宽度分别进行光学系统设计,增加了设计和加工成本,也不利于载荷轻量化的要求.同时,采用这种方式在完成一次推扫后,不能得到地物完整的光谱信息,需要往复推扫多次才能取得全谱段信息,这一点是难以满足战略快速反应需要的.

    如果采用大面阵CCD探测器,在推扫方式、系统结构等方面均能带来便利.在推扫方式上,可以将谱段的排列方向与推扫方向垂直(线阵型推扫中谱段排列方向与推扫方向平行),这样一次推扫可以获取相同地物的所有设计谱段信息,没有遗漏.在光学系统设计方面,只需要设计一套光学系统,就可以采用多个相同系统外视场拼接的方式来满足地面幅宽的要求.图1为这两种推扫方式示意,其中线阵探测器在推扫方向被划分了3个谱段,面阵探测器(两片拼接)在垂直于推扫方向被划分了4个谱段.

    1.2 探测器选择

    通过比较本文提出的方案,决定采用面阵CCD探测器外视场拼接的方案.经过调研多种产品,决定选用国外某公司某型号探测器,它具有线性动态范围大、灵敏度高、暗电流小、噪音低等优点,具有可调电子快门功能.其像元大小为9Lm@9Lm.

    1.3 谱段划分方案

    采用在焦平面前端加入滤光的方式进行分光,避免了采用分光棱镜带来的体积、重量、结构和装配等问题.在预设计阶段,将500~900 nm范围均分为16个谱段,谱段宽度25 nm,每个谱段的中心位置为该谱段中心波长处.在设计后期,将根据被探测目标的光谱特性对这16个谱段进行选择,在获得目标特征谱的同时减少了数据处理的压力[3].