用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

　　0 引 言

　　高光谱成像仪是 20 世纪 80 年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥感仪器，它是遥感技术的进步和发展，能够以高光谱分辨力获取景物和目标的超多谱段图像， 在陆地、大气和海洋观测中正在得到广泛的应用[1-2]。 高光谱成像仪的工作波段宽、分辨率高，一般覆盖 0.4～2.5μm，地面像元分辨力从几米至几十米， 光谱分辨力从几纳米至几十纳米。 目前国际上具有代表性的高光谱成像仪有美国 TRW 公司研制的 Hyperion[3]，视场 0.624°，刈幅 宽 度 7.5 km; 美 国 海 军 NEMO 卫 星 的 主 载 荷COIS[4]，视场 2.5°，刈幅宽度 30 km;英国 Sira 公司研制的 CHRIS[5]，视场角 0.553°，刈幅宽度 13 km。 这些高光谱成像仪载荷在空间遥感中发挥了重要作用，但是，其缺点是视场角较小，刈幅宽度小，分辨力高。

　　随着空间遥感应用的不断深入， 对高光谱成像仪的要求也越来越高，要求在大视场的条件下获得高分辨力，因为视场越大则刈幅宽度越大，仪器的回访周期就越小;分辨力越高，可在多项应用中提供更加丰富的数据和研究方法。 因此大视场、高分辨率星载高光谱成像仪成为空间遥感的迫切需求，而现有的小视场成像光谱仪不能满足要求。

　　高光谱成像仪光学系统由望远系统和光谱成像系统组成。 地物目标的一个条带经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， 然后按波长不同成像在探测器的不同位置上， 再经随卫星运行方向推扫得到图谱合一的图像。 高光谱成像仪的性能、体积和质量主要由望远系统决定，因此研究大视场、小体积、轻质量的望远系统具有重要意义。

　　文中在几何光学成像理论的基础上， 研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题，编制了初始结构计算程序，针对工作波段为 0.4～2.5 μm 范围内的高光谱成像仪设计了焦距为 360 mm， 相 对 孔 径 为 1:4， 线 视 场 为11.42°的离轴三反望远系统 ， 并考虑到市售探测器的限制，提出了视场分离的分光方法，在望远系统的焦面附近加一个刀口反射镜实现了视场分离，并对设计的离轴三反望远系统的性能进行了分析与评价。

　　1 结构型式的选择

　　高光谱成像仪的望远系统是宽谱段、大视场、大相对孔径、高分辨力的光学系统。 在大孔径光学系统中， 折射系统需要采用特殊光学材料或复杂的结构来消除二级光谱，而反射系统不产生色差，孔径可以做的较大，且宜于轻量化[6]。

　　具有两个反射镜的光学系统， 由于校正像差的自由度所限，不能满足大视场、大相对孔径的要求。三反系统具有 3 个半径、2 个间隔和 3 个二次曲面系数共 8 个变量，在满足焦距、球差、彗差、像散、场曲的条件下， 还剩余 3 个可变参数满足光学系统结构要求。 共轴三反系统在大视场的情况下，中心遮拦过大，影响进入系统的能量，同时降低了光学系统的分辨力。 离轴三反系统可以实现完全无遮拦[7]。 离轴三反系统根据离轴方式不同分为光阑离轴和视场离轴两种类型。 光阑离轴的三反系统，孔径光阑在主镜上，一般有中间像面，光学系统很不对称，所以视场角不能做太大[8-9]。 视场离轴的三反系统 ， 孔径光阑放在次镜上，使光学系统比较对称，可以设计成很大的视场角，成像质量好。 因此根据高光谱成像仪的望远系统的特点， 选择视场离轴的三反系统作为其结构型式。