成像光谱仪的光学系统设计

　　1　引　言

　　成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器,以获取地球目标的详细光谱景像为目的,如陆地、海洋的辐射信息及大气等方面的监测等。成像光谱仪 的特点是成像光谱段多、谱段不连续。位置重叠等。同时也存在有图像分辨率和光谱分辨率的问题,一般对光谱分辨率要求较高,有较高的光谱灵敏度。由于各通道 的光谱段较窄,所以要求光学系统的效率要高,并对系统的偏振灵敏度也提出了一定的要求,系统偏振应小于±2%。在结构安排上,应尽量使偏振最小,也可考虑 加入退偏器件。最大偏振来自于摆镜,既可采用减小摆镜人射角的方法降低偏振,也受到宇宙射线的影响,对光学材料的要求也是很高的,所用材料一定是耐辐射 的,并且还要充分考虑到温度和压力的变化对光学系统质量的影响。作者所设计的20个光谱通道的中分辨率成像光谱仪,就充分考虑了遥感仪器的航天特性,并采 用了光机扫描成像法和微型组合滤光片分光法。

　　该成像光谱仪以可见光和近红外光谱通道为主。其中有6个光谱通道用于遥感云层和地表;9个光谱通道用于遥感海洋水色和大气气溶胶;4个用于遥感 水汽含量及一个红外宽波段窗,用于地表和海表的温度测量。由于探测器和光学材料的限制,作者将光谱区分为四个焦面,即可见光(VIS)、近红外光 (NIR)、短波红外光(SWIR)和长波红外光(LWIR)。每个光谱区再由微型组合滤光镜将其分成若干所要求的光谱波段。其中可见光焦面为7个波段 (参见表1),近红外光焦面为10个波段(参见表2),短波红外光焦面为2个波段(参见表3),长波红外光焦面为1个波段(参见表4)。采用微型组合滤光 镜分波段的好处是光谱段的中心波长、带宽以及光谱位置均可任选,给探测器的制作带来了方便。

　　对成像光谱仪的基本要求是:

　　(1)卫星高度H=850 km。

　　(2)地面空间分辨率为500 m, 1000 m。

　　(3)光谱分辨率为20 nm,50 nm,2μm。

　　(4)幅射灵敏度为0.1%和0.05%。

　　(5)系统偏振度≤±2%。

　　(6)系统总传递函数MTF≥0.4。

　　(7)波段范围为0.40~12.5μm。

　　(8)通道数为20个(详见各谱段对应表)。

　　(9)扫描视场为±45°。

　　(10)入瞳口径D=102 mm。

　　2　结构的考虑和系统参数

　　为便于安装和系统调试,作者采用模块化的设计,主要分为以下几个部分。

　　(1)扫描系统。它是由双面扫描镜和消偏反射镜组成的。采用双面高效扫描镜的目的是为了提高扫描效率,增加探测器的积分时间,从而增强系统的辐 射灵敏度。扫描镜的扫描视场为±45°。工作中的人射角很大,是产生偏振的最大贡献者。为此引入了消偏反射镜,以补偿扫描镜的偏振,最终使偏振度小于所要 求的2%以下。