王保華 李可 唐紹凡 張秀茜 王媛媛

高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王保華 李可 唐紹凡 張秀茜 王媛媛

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

針對(duì)高空間分辨率、高光譜分辨率和大幅寬成像的遙感應(yīng)用需求，提出了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀技術(shù)方案，分析確定了成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，系統(tǒng)相對(duì)畸變小于0.02%；光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長(zhǎng)度超過90mm，采用新型離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變均小于1/10像元尺寸。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊，成像品質(zhì)接近系統(tǒng)衍射極限，滿足星載高光譜對(duì)地成像的數(shù)據(jù)應(yīng)用要求。

成像光譜儀 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自由曲面 凸面光柵 航天遙感

0 引言

成像光譜儀是一種將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的新型光學(xué)遙感儀器，可以同時(shí)采集目標(biāo)的空間信息、輻射信息和光譜信息，形成譜像合一的數(shù)據(jù)立方體，在大氣、陸地、海洋、農(nóng)林、應(yīng)急減災(zāi)、水土和礦產(chǎn)資源調(diào)查等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

國(guó)內(nèi)外星載對(duì)地成像光譜儀通常采用推掃成像方式，選用面陣探測(cè)器件，利用光譜分光結(jié)合衛(wèi)星平臺(tái)沿軌方向的推掃實(shí)現(xiàn)空間維和光譜維成像，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外典型的推掃式星載對(duì)地成像光譜儀主要有美國(guó)在軌運(yùn)行的Hyperion[4]、COIS[5]以及在研的HyspIRI[6]等，Hyperion和COIS光譜儀的空間分辨率為30m，光譜分辨率為10nm，幅寬分別為7.5km和30km；HyspIRI光譜儀的空間分辨率為60m，光譜分辨率為10nm，幅寬為150km。我國(guó)也相繼成功研制了搭載于“天宮一號(hào)”、“環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星”1A、1B和“高分五號(hào)”衛(wèi)星的星載對(duì)地成像光譜儀，其中“高分五號(hào)”衛(wèi)星可見短波紅外光譜儀的空間分辨率為30m，在可見光近紅外譜段的光譜分辨率為5nm，幅寬為60km[7]。

目前，國(guó)內(nèi)外星載對(duì)地成像光譜儀的光譜分辨率多為5~10nm，空間分辨率為30~60m，而成像幅寬卻差異較大，最大幅寬為150km，而最小幅寬只有7.5km。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源和地質(zhì)調(diào)查以及農(nóng)林監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)b感器的時(shí)間分辨率要求較高，通常要求成像幅寬大于100km，隨著高光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的不斷深入，各應(yīng)用部門對(duì)星載成像光譜儀的空間分辨率和光譜分辨率的要求也越來越高，在軌運(yùn)行的成像光譜儀已不能完全滿足應(yīng)用需求，因此，各國(guó)正在積極研制或規(guī)劃性能更加先進(jìn)的高光譜遙感儀器。針對(duì)高空間分辨率、高光譜分辨率和大幅寬成像光譜儀的迫切需求，本文提出了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀技術(shù)方案，該光譜儀工作譜段覆蓋0.4~1.0μm，光譜分辨率為5nm，空間分辨率為50m，成像幅寬達(dá)到150km。與美國(guó)在研的HyspIRI光譜儀相比，高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀在保持幅寬相同的情況下將空間分辨率提升了1.2倍，光譜分辨率提升了2倍，綜合指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。本文分析了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀在典型觀測(cè)條件下的信噪比，根據(jù)成像性能、調(diào)制傳遞函數(shù)等確定了光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。針對(duì)大相對(duì)孔徑和大視場(chǎng)成像的特點(diǎn)，空間成像光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑、低畸變像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長(zhǎng)度超過90mm，遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)外同類型成像光譜儀的狹縫長(zhǎng)度，本文提出了離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案，解決了傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)成像狹縫短、相對(duì)孔徑小、體積大等問題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)果均小于1/10像元尺寸。

1 光學(xué)指標(biāo)確定

高分辨率超大幅寬成像光譜儀采用推掃工作方式，工作譜段覆蓋0.4~1.0μm，光譜分辨率為5nm，在軌道高度為600km時(shí)的成像幅寬達(dá)到150km，空間分辨率達(dá)到50m。

成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要包括焦距、視場(chǎng)角、相對(duì)孔徑、光譜分辨率和狹縫長(zhǎng)度等，需根據(jù)成像光譜儀的整體成像要求來確定。高分辨率超大幅寬成像光譜儀選用面陣探測(cè)器件，由于高分辨率超大幅寬成像光譜儀的成像幅寬達(dá)到1 500km，需要優(yōu)選大規(guī)模面陣探測(cè)器，最終選用的探測(cè)器像元規(guī)模為6144×256，像元尺寸15μm×15μm，采用2×2合并像元的方式使用。根據(jù)探測(cè)器的像元尺寸、軌道高度、空間分辨率和幅寬等可計(jì)算得到成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的焦距為360mm，成像視場(chǎng)角為14.25°，取14.4°進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)探測(cè)器規(guī)模、焦距和視場(chǎng)角等確定成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長(zhǎng)度為90mm，狹縫寬度為30μm。

光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑直接影響成像光譜儀的信噪比（SNR）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），同時(shí)還決定系統(tǒng)的體積和工程研制難度，因此，合理選擇光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑是高性能高光譜成像的基礎(chǔ)。

成像光譜儀的信噪比由軌道高度、空間分辨率、光譜分辨率以及探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)的性能等因素決定，信噪比計(jì)算方法為[8]

式中signal、noise分別表示信號(hào)電子數(shù)和噪聲電子數(shù)，計(jì)算公式分別為

圖1 典型觀測(cè)條件下成像光譜儀信噪比曲線

表1 高分辨率超大幅寬成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Optical technical parameters of the imaging spectrometer

當(dāng)成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑/′=1/3時(shí)，將其他參數(shù)分別代入式（1）、式（2）和式（3），計(jì)算得到成像光譜儀在典型觀測(cè)條件下的信噪比曲線如圖1所示，在工作譜段范圍內(nèi)除大氣吸收譜段外的信噪比均優(yōu)于150，最高可達(dá)到1600，滿足多個(gè)領(lǐng)域的高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑/′=1/3時(shí)，在奈奎斯特頻率（16.7線對(duì)/mm）處的調(diào)制傳遞函數(shù)衍射極限高于0.9，綜合考慮光學(xué)設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)、電子線路以及探測(cè)器等因素，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的靜態(tài)傳函預(yù)估高于0.35，高于通常遙感數(shù)據(jù)0.2的靜態(tài)傳函，滿足遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

因此，綜合考慮成像光譜儀的信噪比和調(diào)制傳遞函數(shù)要求，最終確定成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑/′=1/3，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)匯總見表1，具有大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)、長(zhǎng)狹縫成像的特點(diǎn)。

2 光譜儀光學(xué)設(shè)計(jì)

成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)由空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)兩部分組成，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的作用是將地物目標(biāo)成像到狹縫處，光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的作用是將狹縫像色散分光后再次成像到探測(cè)器上?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)滿足光瞳匹配原則，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和成像品質(zhì)評(píng)價(jià)，再通過狹縫連接成全系統(tǒng)[9-10]。

2.1 空間成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮成像品質(zhì)和像方遠(yuǎn)心度的要求[11-12]?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)通常用調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖、畸變等指標(biāo)來評(píng)價(jià)，如果空間成像光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)較差，不僅會(huì)降低成像光譜儀的光譜分辨率，還會(huì)增加高光譜成像數(shù)據(jù)的幾何畸變校正工作量，影響光譜數(shù)據(jù)的快速處理和應(yīng)用。為了便于與光譜成像光學(xué)系統(tǒng)匹配，空間成像光學(xué)系統(tǒng)通常應(yīng)具有良好的像方遠(yuǎn)心度，如果空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度較差，將導(dǎo)致空間成像光學(xué)系統(tǒng)與光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的匹配性下降，使得系統(tǒng)產(chǎn)生較大的漸暈，降低成像光譜儀的調(diào)制傳遞函數(shù)和信噪比。

圖2 自由曲面離軸三反空間成像光學(xué)系統(tǒng)

合理選擇初始結(jié)構(gòu)是保證光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求和成像要求的重要環(huán)節(jié)，空間遙感器常用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要有透射式、反射式和折反式三種，其中離軸三反是當(dāng)前用途最廣泛的反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。離軸三反式與透射式和折反式相比具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)：1）不存在色差，適于寬譜段成像；2）光學(xué)元件數(shù)目相對(duì)較少，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)；3）對(duì)材料要求較低，溫度、濕度等環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[13]；4）容易實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。針對(duì)高分辨率超大幅寬成像光譜儀的大相對(duì)孔徑和大視場(chǎng)成像等指標(biāo)要求，空間成像光學(xué)系統(tǒng)選擇離軸三反形式作為初始結(jié)構(gòu)。

自由曲面相比球面和非球面具有更多的設(shè)計(jì)自由度，有利于校正光學(xué)系統(tǒng)的軸外像差，尤其有利于降低大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的畸變，隨著自由曲面加工、檢測(cè)和裝調(diào)水平的不斷提高，自由曲面也越來越多地應(yīng)用到空間遙感器中[14-16]。為了提高調(diào)制傳遞函數(shù)、減小系統(tǒng)畸變和提升像方遠(yuǎn)心度，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的空間成像光學(xué)系統(tǒng)用自由曲面代替了傳統(tǒng)的球面反射鏡，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的自由曲面離軸三反空間成像光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。自由曲面反射鏡的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、大相對(duì)孔徑、低畸變像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，體積僅為246mm×245mm×263mm（××）。

圖3 空間成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場(chǎng)范圍內(nèi)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖3所示，各視場(chǎng)在奈奎斯特頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)均優(yōu)于0.9，非常接近系統(tǒng)衍射極限。

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場(chǎng)范圍內(nèi)的成像點(diǎn)列圖指標(biāo)如表2所示，各視場(chǎng)成像點(diǎn)的彌散斑半徑均方根值（RMS）均在3.7μm以內(nèi)，小于1/6像元尺寸；各視場(chǎng)成像點(diǎn)的彌散斑最大幾何半徑（GEO）均在11.7μm以內(nèi)，小于1/2像元尺寸。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場(chǎng)范圍內(nèi)均具有良好的成像效果。

經(jīng)設(shè)計(jì)后，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線如圖4所示，在成像視場(chǎng)范圍內(nèi)的最大相對(duì)畸變?yōu)?.017%，最大畸變值為7.7μm，小于1/3像元尺寸，有利于光譜成像數(shù)據(jù)的快速處理和應(yīng)用。

表2 空間成像光學(xué)系統(tǒng)成像彌散斑情況

Tab.2 Spot diagrams of the spatial imaging optical system

空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度通常用邊緣視場(chǎng)主光線在像面的出射角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，出射角度越小，表明空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度越高。經(jīng)分析，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的邊緣視場(chǎng)主光線在像面的出射角度僅為0.65°，有利于空間成像光學(xué)系統(tǒng)與后續(xù)光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的良好匹配。

圖4 空間成像光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線

2.2 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分光元件是光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的核心器件，目前星載對(duì)地成像光譜儀通常采用的分光元件主要有光柵、棱鏡、干涉儀和濾光片等，其中光柵色散分光不僅可以直接獲得場(chǎng)景的光譜圖，同時(shí)還具有精度高、對(duì)平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定性要求低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為星載對(duì)地成像光譜儀的主流分光方式[17]。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)的Kwo D等人提出了基于凸面光柵的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、成像性能好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于高光譜分辨率、小型化成像光譜儀，并已在美國(guó)的星載光譜儀Hyperion和COIS中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)是單位放大率的同心系統(tǒng)，其基本成像原理如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)由反射鏡M和凸面反射光柵G組成。狹縫發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡M的下部反射到凸面光柵G，經(jīng)凸面光柵分光后反射到反射鏡M的上部，最后不同波長(zhǎng)的光線依次成像在面陣探測(cè)器的不同位置。當(dāng)孔徑光闌位于凸面光柵G時(shí)，入射和出射主光線互相平行并且垂直于物像平面，滿足同心光學(xué)系統(tǒng)理想成像條件，系統(tǒng)譜線彎曲很小，色畸變也可以忽略不計(jì)。

光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角用狹縫長(zhǎng)度來表征，傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)所能完善成像的狹縫長(zhǎng)度較小，例如Hyperion光譜儀的狹縫長(zhǎng)度僅為7.65mm，COIS光譜儀的狹縫長(zhǎng)度為18mm。隨著視場(chǎng)角的增大，傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的體積會(huì)迅速增加，例如當(dāng)狹縫長(zhǎng)度為48mm時(shí)，Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度約為320mm[19]，難以實(shí)現(xiàn)輕小型化設(shè)計(jì)。高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀的狹縫長(zhǎng)度為90mm，遠(yuǎn)大于在軌和在研的同類型成像光譜儀狹縫長(zhǎng)度，采用傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)將很難校正像散、場(chǎng)曲和畸變等像差。因此，本文對(duì)傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新，提出了離軸透鏡補(bǔ)償性O(shè)ffner設(shè)計(jì)方案，通過平衡離軸彎月校正透鏡和反射鏡的光焦度來縮短光路長(zhǎng)度，從而減小系統(tǒng)體積；通過調(diào)整離軸彎月校正透鏡的中心厚度、偏心和傾斜等參數(shù)來保證凸面光柵和反射鏡近似同心，從而很好地校正色畸變及譜線彎曲，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)狹縫高保真光譜成像。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的離軸透鏡補(bǔ)償型Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)如圖6所示，體積僅為177mm×165mm×218mm（××）。

圖5 傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

圖6 離軸透鏡補(bǔ)償型Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

光譜成像光學(xué)系統(tǒng)在不同波長(zhǎng)下的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖7所示，各波長(zhǎng)在成像視場(chǎng)范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.85，滿足高性能光譜成像要求。

圖7 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

譜線彎曲和色畸變是反映光譜成像光學(xué)系統(tǒng)保真成像能力的重要指標(biāo)，高分辨率超大幅寬成像光譜儀光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的譜線彎曲和色畸變曲線如圖8所示，最大譜線彎曲為2.2μm，小于1/13像元尺寸；最大色畸變?yōu)?.1μm，小于1/14像元尺寸。分析結(jié)果表明，高分辨率超大幅寬成像光譜儀光譜成像光學(xué)系統(tǒng)具有良好的保真光譜成像能力。

圖8 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)譜線彎曲和色畸變

2.3 全光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

把空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)通過90mm長(zhǎng)狹縫連接在一起，形成高分辨率超大幅寬成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)。成像光譜儀全系統(tǒng)光路如圖9所示，為了提高成像光譜儀的機(jī)動(dòng)成像能力，光學(xué)系統(tǒng)前端增加了指向鏡。

圖9 成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)

高分辨率超大幅寬成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)不同波長(zhǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖10所示，在奈奎斯特頻率處調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.89，成像品質(zhì)優(yōu)良。

圖10 成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

3 結(jié)束語

針對(duì)國(guó)內(nèi)外在軌和在研星載成像光譜儀在光譜分辨率、空間分辨率以及成像幅寬等方面的不足，本文提出了高分辨率超大幅寬成像光譜儀方案，在0.4~1.0μm譜段范圍內(nèi)的光譜分辨率優(yōu)于5nm，同時(shí)具有50m空間分辨率和150km的成像幅寬，可用于生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源和地質(zhì)調(diào)查以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。本文完成了成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)分析和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角為14.4°，相對(duì)孔徑為1/3，焦距為360mm，采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.9，相對(duì)畸變小于0.017%，像方遠(yuǎn)心程度高；光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長(zhǎng)度為90mm，遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)外在軌和在研的同類型成像光譜儀狹縫長(zhǎng)度，采用新型離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變均小于1/10像元尺寸。本文設(shè)計(jì)的高分辨率超大幅寬成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)滿足高光譜對(duì)地成像的應(yīng)用需求，可為我國(guó)新一代高性能星載對(duì)地成像光譜儀的研制提供參考。

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Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer with High Resolution and Super Swatch

WANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume, which can satisfy the demand of remote sensing application.

imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing

O439

A

1009-8518(2021)01-0092-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011

王保華，男，1988年生，2013年獲中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：wangbaohua508@163.com。

2020-03-02

科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0500501）

王保華, 李可, 唐紹凡, 等. 高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 92-99.

WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer with High Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）