高分辨率空间相机共轴三反光学系统实现形式研究

    引言

    高分辨率对地观测,无论在军事还是民用领域都有巨大的应用前景,目前对地观测的主要形式仍是光学相机。折射和折反式系统由于需要采用特殊玻璃和消二级光谱等问题[1],应用受到一定的限制,而反射式系统不产生色差,孔径可以做得较大,宜于轻量化,在抗热性能方面有较强的优势,而且可以通过非球面来校正像差,使结构简单、像质优良。因此反射式光学系统在空间光学领域得到了广泛应用。三反消像差系统是可以满足消像差、平像场要求的反射式光学系统,适合航天应用的需求。三反射光学系统中的共轴形式由于加工、装调方便在国内外得到广泛应用,相比离轴三反光学系统,具有体积小、质量轻、热稳定性好和工艺成熟等优点。若通过相机间视场的合理拼接,则可以进一步扩大视场,提高卫星的覆盖宽度。如果采用珩架式结构和各种轻量化技术,则可以进一步减轻质量,因此共轴三反光学系统在轻小型高分辨率光学卫星上有着广泛的应用前景。

    空间相机在轨对地观测过程中,受到大气吸收和散射等因素的影响导致成像质量下降[2],因此在光学系统设计过程中应使其成像质量达到衍射极限。

    同时,空间多光谱遥感对地面目标伪装具有较强的识别能力,因此,越来越多的高分辨率对地观测相机在不断提高全色地元分辨率的同时加入多光谱成像,从而增强对地面目标的探测和识别能力。

    1　光学系统参数选择

    遥感相机的地元素分辨率由光电传感器的像元尺寸,轨道高度及光学系统的焦距决定。如(1)式所示:

    式中: GSD为地元分辨率;H为轨道高度;f为光学系统焦距;a为传感器的像元尺寸。

    当轨道高度为500 km,像元尺寸为10Lm,焦距为5 m时,地元素分辨率为1 m。(1)式中的地面像元素分辨率是理想情况下得到的,因此应该使其光学系统的分辨能力与此匹配,光学系统的分辨能力由其瞬时视场决定。如下式所示:

    式中H为相机的瞬时视场。

    当像元尺寸为10Lm,焦距为5 m时,瞬时视场为0.4″。

    由瑞利判据可得,光学系统的角分辨率由光学系统的口径决定,即

    式中D为光学系统的入射光瞳口径。

    在可见光部分,取K=550 nm,那么(3)式可以简化为

    令H=A,则D=300 mm,光学系统的相对孔径为F/16.7。

    因此光学系统的有效通光口径至少要大于300mm,目前应用的TDI-CCD空间相机相对孔径基本处于F/8～F/16之间,即对于5 m焦距的相机,有效通光口径处于312.5 mm～625 mm之间。

    地面的覆盖宽度将由空间相机的有效视场角2X决定,当轨道高度H一定时,地面覆盖宽度W由(5)式决定: