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0431-81702023
光學工程
機載輕小型高分辨率成像光譜儀光學系統設計

摘要 為了滿足輕小型機載遙感平臺對成像光譜儀高分辨率和小型化的要求,采用平場 Schwarzschild 望遠系統和基于凸面光柵的 Offner 光譜成像系統匹配的結構形式,設計了一個工作譜段為 0.4~2.5 μm、相對孔徑 D/f′=1/3、全視場 2ω=7.2°的機載高分辨率成像光譜儀光學系統。分析了 Schwarzschild 望遠系統和 Offner 光譜成像系統的特點和像差校正方法,利用 ZEMAX 光學設計軟件進行了光線追跡和優化設計,給出了系統的調制傳遞函數曲線(MTF)和點列圖,并進行了分析和評價。設計和分析結果表明,機載高分辨率成像光譜儀可以實現 0.6 m 的空間分辨率和全譜段 5 nm 的光譜分辨率,滿足機載寬刈幅遙感成像的應用要求,光學系統結構簡單緊湊,具有接近衍射極限的優良像質,易于加工和裝調實現,具有較高的實際應用價值。

關鍵詞 成像系統; 成像光譜儀; 光學設計; 凸面光柵; Offner 光譜成像系統

1 引 言

      成像光譜儀是一種將成像技術與光譜技術相結合的新型光學遙感儀器,可以同時采集地面物體的空間信息和光譜信息,形成探測目標譜像合一的立方體數據,在大氣、陸地和海洋觀測以及農林、水土、礦產資源調查等領域具有巨大的應用價值和廣闊的發展前景[1-2] ,在遙感領域得到了廣泛應用。

      成像光譜儀根據掃描成像方式可分為光機掃描式和推帚式兩種[3] 。推帚式成像光譜儀探測器采用面陣電荷耦合器件(CCD),由飛行平臺沿軌方向的推掃實現空間維和光譜維成像,大大增加了像元凝視時間,可以同時獲得高空間分辨率和高光譜分辨率圖像,具有體積小、結構簡單、信噪比高等優點,尤其適用于空間較小的飛機或無人機等遙感平臺。國外典型的推帚式成像光譜儀有美國研制的 Hyperion[4] 和 COIS[5] ,空間分辨率為 30 m,光譜分辨率為 10 nm;歐空局研制的 APEX,空間分辨率為 7.5 m,光譜分辨率為 10 nm;國內中科院上海技物所研制的 PHI 機載成像光譜儀光譜覆蓋范圍 0.4~0.85 μm,光譜分辨率為 5 nm,空間分辨率為 1.8 m[6] 。目前,國內外成像光譜儀均可實現高光譜成像,但缺點是空間分辨率較低,不能很好地滿足高空間分辨率和高光譜分辨率同時成像的要求。近年來,隨著遙感技術的不斷發展,對成像光譜儀的空間分辨率和光譜分辨率提出了更高要求,因此迫切需要解決現有的成像光譜儀分辨率較低的問題。

      本文根據遙感載荷的應用需求和技術指標,提出了采用平場 Schwarzschild 望遠系統和基于凸面光柵的 Offner 光譜成像系統匹配的成像光譜儀結構形式,設計了該形式的機載輕小型高分辨率成像光譜儀光學系統,譜段范圍覆蓋 0.4~2.5 μm,光譜分辨率為 5 nm,空間分辨率為 0.6 m,可實現高光譜分辨率和高空間分辨率同時寬幅成像,具有體積小、無遮攔、結構簡單緊湊等優點,可用于土地資源調查與監測、農業林業資源調查與監測、地質礦產、油氣資源調查、防災減災等領域。

2 光學系統技術指標

      機載高分辨率成像光譜儀采用推帚工作方式,根據高分辨率成像光譜儀對陸地、海洋以及地質勘探等的探測要求,工作波段為 0.4~2.5 μm 的整個太陽反射光譜區,光譜分辨率為 5 nm,機載平臺平均飛行高度 H=8 km,地面覆蓋寬度(GW)為 1 km,地面像元分辨率(GSD)為 0.6 m。

      為了在寬譜段范圍內實現 5 nm 的高光譜分辨率,同時減輕凸面光柵的制造難度,利用兩個 Offner 光譜成像系統在可見近紅外譜段和短波紅外譜段分別成像,兩個光譜成像系統共用一個平場 Schwarzschild 望遠系統。可見光和近紅外(VNIR)譜段探測器選用 CCD 器件,像元尺寸為 18 μm×18 μm,短波紅外(SWIR)譜段探測器選用 HgCdTe 紅外焦平面器件,像元尺寸 18 μm×18 μm。根據探測器像元尺寸、地面像元分辨率和軌道高度 H 確定成像光譜儀光學系統的焦距為:

根據軌道高度和地面覆蓋寬度確定成像光譜儀光學系統的視場為

      根據成像光譜儀光學系統的視場和焦距以及探測器尺寸確定狹縫像尺寸為 25.2 mm×18 μm。為了使狹縫像與探測器尺寸匹配,光譜成像系統的放大率設計成 1:1,由光學系統工作波段、光譜分辨率以及探測器像元尺寸確定 VNIR 譜段探測器像元規模為 1400×120,SWIR 譜段探測器像元規模為 1400×300。

 

      綜合考慮系統信噪比和體積的要求,最后確定光學系統相對口徑 D/f′=1/3。成像光譜儀光學系統主要的技術指標如表 1 所示。

3 望遠系統設計

     機載推帚式成像光譜儀獲取的地面目標復原光譜如果存在畸變會造成目標成分識別誤差,因此為了獲得高質量的光譜數據需要嚴格控制系統的畸變。成像光譜儀的畸變通常用譜線彎曲(smile)和譜帶彎曲(keystone) 來表示,望遠系統像面如果存在較大的場曲和畸變,必然會導致全系統存在嚴重的譜線彎曲和譜帶彎曲,因此設計平像場和無畸變的望遠系統具有重要意義。

      下面討論的高分辨率成像光譜儀工作譜段覆蓋可見近紅外和短波紅外譜段,對于折射式望遠系統,可選擇的光學材料種類較少,需要采用特殊材料或復雜結構消除色差和二級光譜;反射式系統由于不存在色差,零件數目相對較少,有利于實現大口徑和輕量化設計,而且對材料要求較低,對溫度、濕度等環境因素變化的適應性強,因此,前置望遠系統選擇全反射式光學結構形成。目前,成像光譜儀使用最多的全反射式望遠系統是離軸三反消像散(TMA)結構[7-8] ,該結構形式可以在較大的視場內獲得較好的像質,但系統結構復雜、體積龐大,不適合用于體積較小的遙感平臺。Schwarzschild 望遠系統是一種兩反射鏡結構,主鏡和次鏡頂點曲率半徑相同,經離軸設計后可以獲得較大的視場和相對孔徑,具有無遮攔、結構簡單、像差校正能力強的特點,適合用作成像質量要求高、體積小的機載成像光譜儀望遠系統。

3.1 同軸 Schwarzschild 結構理論分析

      傳統的同軸 Schwarzschild 結構如圖 1 所示,其結構參數主要包括:主鏡、次鏡的曲率半徑 R1和 R2,主次鏡間距 d,主鏡和次鏡的偏心率 e1和 e2,次鏡對主鏡的遮攔比α,次鏡放大倍率β。它們之間的關系滿足:

利用高斯公式可以導出

      由以上公式可以看到,在五種像差系數表達式中 e1 2 、e2 2 、α 、β 為變量,可用于校正系統像差。由于 Schwarzschild 系統的主鏡和次鏡頂點曲率半徑相等,根據(5)式可得 β =(1 + β)α ,代入(9)式得 SIV =0,因此 Schwarzschild 系統可以實現平像場成像。為了校正系統的畸變,令(9)式 SV =0 得:

    

 

       因此,通過合理選擇α和β值可以得到同時消場曲和畸變的同軸 Schwarzschild 系統。但由于系統優化變量少,同軸 Schwarzschild 系統最多只能同時消除四種單色像差,且最大視場不能超過 0.3°,為了實現機載高分辨率成像光譜儀技術指標要求,Schwarzschild 望遠系統需進行離軸設計。

 

3.2 離軸 Schwarzschild 望遠系統設計

      在同軸 Schwarzschild 結構的基礎上,通過適當的視場離軸和光闌離軸可以實現系統無遮攔,選擇反射鏡半徑、鏡間距以及二次非球面系數作為優化變量,實現系統完善成像。通過在望遠系統像面前加入分色片,實現不同譜段像面分離,優化設計后的光學系統結構如圖 2 所示。圖 3 給出了望遠系統 MTF 曲線,全譜段各視場在奈奎斯特頻率處的 MTF 均大于 0.78,通過接近衍射極限,滿足高質量成像要求。

4 光譜成像系統設計

     傳統光柵色散成像光譜儀的色散元件工作在準直光路中,光學系統結構復雜,難于降低體積和質量,如果在中繼成像系統的發散或會聚光路中使用曲面光柵則可以實現光譜成像系統小型化、輕量化的目的。20 世紀 90 年代后期美國的 Chrisp 等提出了基于凸面光柵的 Offner光譜成像系統[9-10] ,該系統具有結構簡單緊湊、體積小、質量輕、成像質量好的優點,非常適合用于高光譜分辨率和小型化的成像光譜儀。考慮到機載遙感平臺對載荷體積和質量的要求,本文成像系統采用 Offner結構形式。

 

4.1 Offner 光譜成像系統理論分析

      Offner 光譜成像系統是單位放大率的同心光學系統,其基本結構如圖 4 所示,整個系統由反射鏡 M 和凸面反射光柵 G 組成,反射鏡 M 和光柵 G 的曲率半徑重合于軸上點 C。狹縫像發出的光線經反射鏡 M 的上部反射到凸面光柵 G,經凸面光柵分光后反射到反射鏡 M 的下部,最后不同波長的光線依次成像在面陣探測器的不同位置。系統孔徑光闌位于凸面光柵 G 上時,系統視場是一個半徑為 H 的細環形視場,入射和出射主光線互相平行且垂直于物像平面,在滿足 R1=2R2時,所有三級像差自動校正,系統譜線彎曲很小,色畸變可以忽略不計,因此,Offner光譜成像系統具有良好的成像能力。其環形視場 H 的大小為:

4.2 Offner 光譜成像系統設計

     凸面光柵是 Offner 光譜成像系統的核心元件,直接決定成像光譜儀的光譜特性,針對目前國內外凸面光柵的加工制造水平,選擇的凸面光柵參數如表 2 所示,該凸面光柵容易利用全息方法加工制造。Offner 光譜成像系統的設計指標如表 3 所示,入射狹縫尺寸為 25.2 mm×18 μm,物方數值孔徑為 0.167。為了使狹縫像與探測器匹配,光譜成像系統的放大率為 1:1。

      根據光譜成像系統設計指標,利用光學設計軟件分別對 VNIR 和 SWIR 譜段進行優化設計,為了滿足光譜成像系統入瞳與望遠系統出瞳的匹配,將 Offner 系統的一個反射鏡分裂成兩個,并通過適當的離軸保證系統在各波長完善成像,系統結構如圖 5 所示。圖 6 和圖 7 分別給出了不同譜段的 MTF 曲線,各譜段在奈奎斯特空間頻率處均大于 0.75,成像質量良好。

5 成像光譜儀全系統設計

     將 Schwarzschild 望遠系統與 Offner 光譜成像系統組合,通過適當調整光譜成像系統反射鏡曲率半徑和間隔,得到機載高分辨率成像光譜儀全系統的光學結構如圖 8 所示,全系統體積僅 140 mm×350 mm×550 mm,結構簡單緊湊,特別適合機載尤其是無人機遙感應用。

     圖 9 給出了不同波長下系統的 MTF 曲線,由圖 9 可以看出光學系統在全譜段全視場奈奎斯特頻率處的 MTF 值均大于 0.8,接近系統衍射極限,高于設計指標要求。圖 10 給出了系統中心波長前后 5 nm 的點列圖,由圖 10 可以看出,系統在 0.4~2.5 μm 譜段內光譜分辨率均可以達到 5 nm,在各個中心波長處各視場的點斑均小于探測器像元尺寸,滿足高分辨率機載遙感的應用要求。

6 結 論

       為實現機載成像光譜儀高空間分辨率和高光譜分辨率成像,滿足小型飛機尤其是無人機等機載遙感平臺對成像光譜儀體積和重量的要求,針對現有成像光譜儀存在的問題提出了采用平場 Schwarzschild 望遠系統和基于凸面光柵的 Offner 光譜成像系統匹配的成像光譜儀結構形式,并設計了該形式的機載高分辨率成像光譜儀光學系統,譜段范圍覆蓋 0.4~2.5 μm,光譜分辨率為 5 nm,空間分辨率為 0.6 m。系統結構簡單緊湊,體積小、質量輕,具有接近衍射極限的優良像質,實現了遙感儀器的高空間分辨率、高光譜分辨率和小型化目的,滿足機載遙感的應用要求,對輕小型成像光譜儀的研究具有一定的參考價值。

 


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