星載高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的選擇與設(shè)計

黃明陽 李想

摘 要：由兩個凸光柵成像光譜系統(tǒng)和離軸非球面三反射鏡望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)組成的全反射式高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，是以小型化與寬波段為出發(fā)點，為了使兩種不同型號的探測器得以匹配，該項目將海內(nèi)外優(yōu)秀高光譜星載成像儀納入研究內(nèi)容中，分析對比了這些儀器的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并對于其中的主流成像儀光柵色散、傅立葉變換和棱鏡色散的優(yōu)劣點及它們的運作原理進行了定義，最后通過調(diào)整兩探測器的光譜成像系統(tǒng)的變倍比以達(dá)到最終目的。

關(guān)鍵詞：高光譜成像儀；光學(xué)系統(tǒng)；傅立葉變換型

通過30年的快速發(fā)展，近年來，光譜成像技術(shù)逐漸進入遙感研究界的主流視野當(dāng)中，成為學(xué)術(shù)界的前沿學(xué)科。高光譜分辨率、寬光譜范圍和多樣化的譜段是高光譜數(shù)據(jù)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)源的三大特點，同時這些特點也為遙感研究提供了更為多元化的研究途徑和更為翔實的數(shù)據(jù)支持。儀器采用何種光學(xué)系統(tǒng)是研發(fā)過程中至關(guān)重要的組成，決定著光學(xué)儀器的質(zhì)量、性能和體積。

1 高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的特點

光譜成像系統(tǒng)和望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)是構(gòu)成高光譜成像儀的兩個基石，因為該成像儀的光學(xué)系統(tǒng)正式通過兩者得以建立。地物目標(biāo)之能在成像儀上呈現(xiàn)出多個光譜分辨率的圖像，完全得益于其條帶成像在望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的幫助下，進入光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫里，之后色散，由于長短不一的波長，便在探測器的不同位置上成像。

1.1 高聚光力

高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)具有探測器元件接受能力弱和窄帶寬的局限性，以不改變儀器質(zhì)量、體積和性能的為基本原則，需要在最大程度上擴大光學(xué)系統(tǒng)的相對口徑，讓光學(xué)系統(tǒng)的能量收集能力得到最好的發(fā)揮。

1.2 高能量利用率

地球表面有限的光輻射能量加上高光譜成像儀多譜段、短帶寬的特點，使得必須最大限度降低進入光學(xué)系統(tǒng)的能量的衰減。

1.3 高傳遞函數(shù)

在弱光照強度下，只有足夠高的調(diào)制系統(tǒng)傳遞函數(shù)才能保證信噪低的高光譜成像儀對目標(biāo)物的空間位置有精確的判斷。

2 三種常見分光方法的比較

由于分光法決定著高光譜成像儀的質(zhì)量、體積、性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等特性，分光法當(dāng)之無愧是高光譜成像儀的要義核心。棱鏡、傅立葉變換光譜儀和光柵色散分光是三個最具代表性的分光方法，它們是分光方法的基礎(chǔ)。

除了采用不同的分光方式，將質(zhì)量和體積比較接近的高光譜成像儀做比較，很容易發(fā)現(xiàn)它們并沒有明顯的本質(zhì)上的區(qū)別，其中的任何一方相對于他者在儀器的性能上都沒有絕對的優(yōu)勢。如上文所述，高光譜成像儀采用何種分光方法直接決定著分光系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，對于所有的高光譜成像儀來說，大體積的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)都是不可缺少的一個重要組成部分。

經(jīng)過多番實驗研究，相比于只能完成下傳整體數(shù)據(jù)、無法直接獲取單通道圖像、難以精確定位目標(biāo)物空間位置的傅立葉傅立葉變換法，有選擇性地下傳數(shù)據(jù)、無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可直接選取單通道圖像的棱鏡色散和光柵在各方面占有絕對的優(yōu)勢。

3 小型高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

除了將高光譜成像儀的工作性能納入考慮范圍，星載高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)還須權(quán)衡成像儀的質(zhì)量、體積和工作波長等內(nèi)容。在研究了發(fā)達(dá)國家的高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)后，筆者總結(jié)了它們的特點，了解了我國的高光譜成像儀之所以常常選擇反射式系統(tǒng)，都是因為其低穩(wěn)定性的投射材料。為了改善這一現(xiàn)狀，結(jié)合了我國現(xiàn)有的光學(xué)加工技術(shù)和工程學(xué)設(shè)計，設(shè)計出了一個體積小、全反射式的可運用與高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計過程中，為了獲得兩個不同波段的光譜的焦距，筆者經(jīng)過多番考量，最終決定通過改變凸光柵光譜成像系統(tǒng)的放大率這一方法。

不同于COIS和Hyperion這兩種分離法，該系統(tǒng)運用的是視場分離法，為了入射光束貝邊緣阻擋，入射的兩束光通過各自獨立的狹縫進入，通過刀口反射鏡的切入光束由刀口反射鏡決定切入位置。

4 國外采用的高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)

隨著科技水平的日新月異，世界各國都致力于地球以外的空間探索。據(jù)數(shù)據(jù)記載，許多高光譜成像衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)送到太空之中，其中Hyperion、COIS、FTHSI和CHRIS是這些高光譜成像儀衛(wèi)星最常采用的光學(xué)系統(tǒng)，本章節(jié)也是主要研究這三個光學(xué)系統(tǒng)。

4.1 Hyperion

由美國TRW公司發(fā)明的Hyperion光學(xué)系統(tǒng)是通過將目標(biāo)物成像帶投射于鏡片焦面后方的狹縫上，并且運用分色濾光片讓光束分別進入短紅外波和近紅外的成像系統(tǒng)上，在這兩個光譜相互交叉重疊時，它們會相互定位對方的具體目標(biāo)位置，然后探測儀通過前文提到的光譜圖像顯示的信息，將太空高光譜成像儀衛(wèi)星發(fā)回的地面空間圖合成為高光譜圖像。

4.2 COIS

作為美國海軍最常用的監(jiān)控衛(wèi)星，它與Hyperion具有相似的配置-兩個凸光柵光譜儀和大孔徑利州非球面望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)。

4.3 CHRIS

卡式系統(tǒng)構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)是CHRIS有別于其他高光譜測量儀的主要原因，英國Sira公司是該系統(tǒng)的研發(fā)者，系統(tǒng)中棱鏡色散光譜成像系統(tǒng)在入射、出射發(fā)散光束的應(yīng)用使得其具有兩個曲面色散鏡，這樣一來，CHRIS高光譜測量儀既擺脫了光柵色散高級次光譜的干擾，又保證了測量儀體積的合理性。然而，較大的非線性光譜與光譜不均勻發(fā)分辨率是CHRIS高光譜測量儀急需解決的燃眉之急。

4.4 FTHSI

唯一一個利用傅立葉變換技術(shù)的FTHSI高光譜成像儀是由美國Kestrel公司研制的，它之所以可以把目標(biāo)物的條帶成像投射到焦面狹縫上，是由于其卡式系統(tǒng)構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，狹縫運用分束器將穿過它的光一分為二，通過二次反射，變成透射和反射兩條光線再次返回分束器合二為一，再投射出去。光線的傳播路徑由于分束器與反射鏡之間的不等距而具有不同的長度，因此也導(dǎo)致了一個相干虛物的產(chǎn)生。前面所提到的出射的相干光束通過柱面鏡和傅立葉透鏡匯合、準(zhǔn)直，然后各個像元入射到狹縫中長生的雙光束干涉圖便可被FTHSI高光譜測量儀的探測器所接收，在此之后，傅立葉變換和數(shù)字處理會在數(shù)據(jù)下傳后進行，各個像元的光譜圖便是依據(jù)此原理得來的。

5 結(jié)束語

綜上所述，為了分析比較棱鏡、傅立葉變換光譜儀和光柵色散分光這三種主流高光譜分光法，筆者對國內(nèi)外衛(wèi)星高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)做了詳細(xì)研究分析，從結(jié)果可以看出，Offner光譜成像系統(tǒng)之所以相比較于其他系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的空間應(yīng)用、小體積、輕質(zhì)量和高性能的特點，都得益于其采用的色散元件-凸光柵，該元件的應(yīng)用最大限度縮小了高光譜成像儀的重量和體積，同時讓系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅度提升，使其更容易適應(yīng)外部的空間環(huán)境，所以該系統(tǒng)是太空衛(wèi)星的最佳系統(tǒng)。

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