王保華,姜會林,唐紹凡,張緒國,李 陽,封宇航

(1.北京空間機電研究所,北京 100094;2.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林 長春 130022)

1 引 言

高光譜成像儀將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合,可以同時獲取被測目標(biāo)的空間信息、輻射信息和光譜信息,成為光學(xué)遙感儀器的重要發(fā)展方向[1]。紅外高光譜成像數(shù)據(jù)在地表溫度精確反演、煤火監(jiān)測、旱災(zāi)監(jiān)測、城市熱島效應(yīng)、污染氣體探測以及礦物探測等方面具有獨特的優(yōu)勢,具有十分迫切的應(yīng)用需求[2]。目前,國外在軌和在研的高光譜成像儀主要有Hyperion[3]、COIS[4]和HyspIRI[5]等,我國近年來也相繼成功研制了搭載于“天宮一號”、“環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星1A/B”和“高分五號”衛(wèi)星的高光譜成像儀[6～8],但在國內(nèi)外在軌和在研的高光譜成像儀中,除了HyspIRI以外的其他高光譜成像儀工作譜段均為可見光和短波紅外,HyspIRI的工作譜段雖然覆蓋了中波和長波紅外,但譜段數(shù)量僅有6個,光譜帶寬大于320 nm,無法獲取高光譜分辨率成像數(shù)據(jù)。我國在高分五號衛(wèi)星上配置了一臺全譜段光譜成像儀,工作譜段包括兩個中波紅外譜段和四個長波紅外譜段,也只能獲取紅外多光譜成像數(shù)據(jù)。針對國內(nèi)外星載紅外高光譜成像數(shù)據(jù)空白和強烈應(yīng)用需求,本文提出了星載紅外雙譜段高光譜成像方案,中波紅外譜段范圍為3～5 μm,長波紅外譜段范圍為8～12.5 μm,中波紅外和長波紅外的光譜分辨率分別為50 nm和100 nm,空間分辨率為60 m,成像幅寬為60 km,中波紅外和長波紅外譜段的噪聲等效溫差(NEDT)均優(yōu)于0.2 K。星載紅外雙譜段高光譜成像儀的空間分辨率與HyspIRI和“高分五號”衛(wèi)星全譜段光譜成像儀相同,但譜段數(shù)量增加了十幾倍,可以同時實現(xiàn)高空間分辨率和高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取。本文分析了星載紅外雙譜段高光譜成像儀的噪聲等效溫差,根據(jù)成像性能、光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等確定了光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo),優(yōu)化設(shè)計了高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng),望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)采用離軸三反設(shè)計方案,并使用自由曲面實現(xiàn)了大相對孔徑、低畸變像方遠(yuǎn)心設(shè)計;光譜成像系統(tǒng)采用Wynne-Offner結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)了高成像質(zhì)量、輕小型化設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明,星載紅外雙譜段高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限,結(jié)構(gòu)布局緊湊合理,具有較強的工程應(yīng)用價值。

2 紅外高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)分析

為了方便紅外高光譜成像數(shù)據(jù)與紅外多光譜成像數(shù)據(jù)進行對比,同時便于紅外高光譜成像數(shù)據(jù)與可見光短波紅外高光譜成像數(shù)據(jù)的融合使用,星載紅外雙譜段高光譜成像儀的指標(biāo)設(shè)置參考“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機和全譜段光譜成像儀,工作軌道高度與“高分五號”衛(wèi)星保持一致,均為705 km,空間分辨率和成像幅寬與全譜段光譜成像儀相同,分別為60 m和60 km,工作譜段為3～5 μm和8～12.5 μm,完全覆蓋全譜段光譜成像儀的紅外工作譜段范圍,中波紅外和長波紅外的光譜分辨率分別為50 nm和100 nm,譜段數(shù)量分別為40個和45個。星載紅外雙譜段高光譜成像儀可以同時實現(xiàn)高空間分辨率和高光譜分辨率成像數(shù)據(jù)獲取,填補國內(nèi)外星載紅外高光譜成像數(shù)據(jù)的空白,滿足地表溫度精確反演、煤火監(jiān)測、旱災(zāi)監(jiān)測、城市熱島效應(yīng)、污染氣體探測以及礦物探測等領(lǐng)域的迫切應(yīng)用需求。

星載紅外雙譜段高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)主要包括焦距、視場角、相對孔徑、光譜分辨率和狹縫長度等,需根據(jù)高光譜成像儀的整體成像要求來確定。星載紅外雙譜段高光譜成像儀選用國產(chǎn)紅外面陣器件,像元規(guī)模1024×256,像元尺寸24 μm×32 μm,根據(jù)探測器的像元尺寸、軌道高度、空間分辨率和幅寬等可計算得到高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的焦距為282 mm,成像視場角為4.88°,取4.9°進行設(shè)計;根據(jù)探測器規(guī)模、焦距和視場角等確定星載紅外雙譜段高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長度為24.576 mm,狹縫寬度為32 μm。

光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑(D/f′)直接影響紅外高光譜成像儀的噪聲等效溫差和調(diào)制傳遞函數(shù),同時還決定系統(tǒng)的體積和工程研制難度,因此,合理選擇光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑是實現(xiàn)高性能高光譜成像的基礎(chǔ)。

紅外高光譜成像儀的噪聲等效溫差由軌道高度、空間分辨率、光譜分辨率以及探測器、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)的性能等因素決定,噪聲等效溫差計算方法為[9]:

(1)

由于中波紅外和長波紅外譜段輻射能量的差異,中波紅外譜段更容易實現(xiàn)較高的噪聲等效溫差,因此,中波紅外譜段光譜成像系統(tǒng)可以選取相對較小的光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑,有利于減小光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量,而長波紅外譜段光譜成像系統(tǒng)則必須選取大相對孔徑光學(xué)系統(tǒng)來提高能力收集能力,從而實現(xiàn)較高的噪聲等效溫差。當(dāng)中波和長波紅外譜段的光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑分別為D/f′=1/3和D/f′=1/2.4時,將其他參數(shù)代入式(1),分別計算得到工作譜段范圍內(nèi)的噪聲等效溫差曲線如圖1(a)和圖1(b)所示,中波和長波紅外譜段的噪聲等效溫差均優(yōu)于0.2 K,滿足多個領(lǐng)域?qū)Ω邷囟褥`敏度、高光譜紅外成像數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

圖1 星載紅外雙譜段高光譜成像儀噪聲等效溫差曲線

當(dāng)中波和長波紅外譜段的光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑分別為D/f′=1/3和D/f′=1/2.4時,5 μm波長在奈奎斯特頻率(20.8 lp/mm)處的調(diào)制傳遞函數(shù)衍射極限高于0.6,12.5 μm波長在奈奎斯特頻率(20.8 lp/mm)處的調(diào)制傳遞函數(shù)衍射極限高于0.28,綜合考慮光學(xué)設(shè)計、加工、裝調(diào)、電子線路以及探測器等因素,紅外高光譜成像儀的靜態(tài)傳函預(yù)估均高于0.12,可以滿足應(yīng)用需求。

因此,綜合考慮噪聲等效溫差和調(diào)制傳遞函數(shù)要求后,最終確定星載紅外雙譜段高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)匯總見表1。

表1 星載紅外雙譜段高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3 紅外高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)兩部分組成,望遠(yuǎn)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器上。望遠(yuǎn)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,可以分別進行設(shè)計和成像質(zhì)量評價,并通過狹縫連接成全系統(tǒng)[10]。

3.1 望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計時需要重點考慮成像質(zhì)量和像方遠(yuǎn)心度的要求[11],如果望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量較差,不僅會降低高光譜成像儀的光譜分辨率,還會增加高光譜成像數(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;如果望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度較差,將導(dǎo)致望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)與光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的匹配度下降,系統(tǒng)產(chǎn)生較大的漸暈,降低高光譜成像儀的調(diào)制傳遞函數(shù)和信噪比,因此,合理選擇初始結(jié)構(gòu)是保證光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)指標(biāo)要求和成像要求的重要環(huán)節(jié)。星載紅外雙譜段高光譜成像儀的工作譜段覆蓋中波和長波紅外,口徑和相對孔徑均較大,望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)選用離軸三反作為初始結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)中波和長波紅外一體化成像,而且有利于滿足成像質(zhì)量和像元遠(yuǎn)心度的要求。

自由曲面相比球面和非球面具有更多的設(shè)計自由度,有利于校正光學(xué)系統(tǒng)的軸外像差,尤其有利于降低離軸光學(xué)系統(tǒng)的畸變。隨著自由曲面加工和檢測水平的不斷提高,自由曲面也越來越多地應(yīng)用到成像光學(xué)系統(tǒng)中[12-13]。為了提高光學(xué)系統(tǒng)傳函、減小系統(tǒng)畸變和提升像方遠(yuǎn)心度,星載紅外雙譜段高光譜成像儀的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)用自由曲面代替了傳統(tǒng)的球面或非球面反射鏡,優(yōu)化設(shè)計后的自由曲面離軸三反望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示,系統(tǒng)體積僅為到156 mm×265 mm×205 mm(X×Y×Z),實現(xiàn)了望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的輕小型化設(shè)計。

圖2 自由曲面離軸三反望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)

望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖3所示,各視場在奈奎斯特頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)均接近衍射極限。

圖3 望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的畸變?nèi)鐖D4所示,在成像視場范圍內(nèi)的最大相對畸變?yōu)?.135 %,較小的畸變有利于光譜成像數(shù)據(jù)的快速處理和應(yīng)用。

圖4 望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線

望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度通常用邊緣視場主光線在像面的出射角度進行評價,出射角度越小,表明望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度越高。經(jīng)分析,望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的邊緣視場主光線在像面的出射角度僅為0.51°,像方遠(yuǎn)心度高有利于望遠(yuǎn)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。

3.2 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

20世紀(jì)80年代后期,美國的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)[14],該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、成像性能好等優(yōu)點,非常適合用于高光譜分辨率、小型化成像光譜儀,并在Hyperion、COIS和HyspIRI等星載高光譜成像儀中得到了應(yīng)用和驗證。為了擴大Offner光譜成像系統(tǒng)的成像視場,Wynne提出了Wynne-Offner結(jié)構(gòu)形式,通過在凸面鏡前加入同心彎月透鏡來校正球差,具有狹縫長、結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量優(yōu)、光譜畸變小的特點[15]。星載紅外雙譜段高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑較大,為了提高光譜成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量,同時為了減小光譜成像系統(tǒng)的體積來降低低溫制冷功耗,光譜成像系統(tǒng)應(yīng)采用Wynne-Offner結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計,最后設(shè)計的中波和長波紅外光譜成像光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示,中波紅外光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的體積為66 mm×88 mm×105 mm(X×Y×Z),中波紅外光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的體積為90 mm×140 mm×145 mm(X×Y×Z)。

圖5 Wynne-Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

光譜成像光學(xué)系統(tǒng)在不同波長下的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖6所示,各波長在成像視場范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)均接近衍射極限,滿足高性能光譜成像要求。

圖6 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

3.3 整體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

把望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)通過狹縫連接在一起,形成星載紅外雙譜段高光譜成像儀整體光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示,整體系統(tǒng)體積僅為156 mm×395 mm×390 mm(X×Y×Z),結(jié)構(gòu)布局合理緊湊,有利于實現(xiàn)星載紅外雙譜段高光譜成像儀的輕小型化設(shè)計。

圖7 高光譜成像儀整體光學(xué)系統(tǒng)

星載紅外雙譜段高光譜成像儀整體光學(xué)系統(tǒng)不同波長的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖8所示,3 μm波長在奈奎斯特頻率(20.8 mm/lp)的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.7,12.5 μm波長在奈奎斯特頻率(20.8 mm/lp)的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.28,成像質(zhì)量優(yōu)良。

圖8 整體光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

4 結(jié) 論

國內(nèi)外已研制了多臺工作譜段覆蓋可見光近紅外和短波紅外的高光譜成像儀,但尚未實現(xiàn)中波和長波紅外高光譜成像儀的星載工程應(yīng)用,為了填補國內(nèi)外中波和長波紅外星載高光譜成像數(shù)據(jù)的空白,針對地表溫度精確反演、煤火監(jiān)測、旱災(zāi)監(jiān)測、城市熱島效應(yīng)、污染氣體探測以及礦物探測等領(lǐng)域的迫切應(yīng)用需求,本文提出了星載中波和長波紅外雙譜段高光譜成像方案,同時獲取高空間分辨率、高光譜分辨率和高溫度靈敏度的紅外成像數(shù)據(jù)。為了便于與已有的紅外多光譜和可見光-短波紅外高光譜數(shù)據(jù)進行融合使用,星載紅外雙譜段高光譜成像儀的技術(shù)指標(biāo)參照XX可見短波紅外高光譜相機和全譜段光譜成像儀,譜段范圍覆蓋3～5 μm和8～12.5 μm,空間分辨率和成像幅寬分別為60 m和60 km,中波紅外和長波紅外的光譜分辨率分別為50 nm和100 nm,噪聲等效溫差優(yōu)于0.2 K。完成了星載紅外雙譜段高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)分析和優(yōu)化設(shè)計,望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面離軸三反設(shè)計方案實現(xiàn)紅外雙譜段一體化設(shè)計,畸變小、像方遠(yuǎn)心度高;光譜成像系統(tǒng)采用Wynne-Offner結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)高成像質(zhì)量、輕小型化設(shè)計;整體光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局緊湊合理,成像質(zhì)量優(yōu)良,具有較強的工程應(yīng)用價值。