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星载全谱段高光谱系统设计

吴寅 王跃明 张东

吴寅, 王跃明, 张东. 星载全谱段高光谱系统设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0150
引用本文: 吴寅, 王跃明, 张东. 星载全谱段高光谱系统设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0150
WU Yin, WANG Yue-ming, ZHANG Dong. Design of spaceborne full-spectrum hyperspectral system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0150
Citation: WU Yin, WANG Yue-ming, ZHANG Dong. Design of spaceborne full-spectrum hyperspectral system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0150

星载全谱段高光谱系统设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0150
基金项目: 民用航天预研重点项目(No. D040102)
详细信息
    作者简介:

    吴 寅(1998—),男,贵州遵义人,本科毕业于电子科技大学,现就读中国科学院大学博士研究生,主要从事光学设计方面的研究

    王跃明(1977—),男,安徽黄山人,现任中国科学院上海技术物理研究所研究员、博导,从事红外与光谱信息获取方法研究及相关仪器研制。E-mail:15528127627@163.com

  • 中图分类号: O436

Design of spaceborne full-spectrum hyperspectral system

Funds: Supported by Key civil space pre-research project (No. D040102)
More Information
  • 摘要:

    针对航天星载遥感探测系统,由于航天器体积和重量限制,难以兼顾大口径、高分辨率以及高光谱信息同步获取的需求。本文提出一种新型的高光谱成像系统,采用主次镜共用、多通道分离同轴五反光路设计,结合Offner凸面光栅光谱仪分光技术,实现从可见到长波红外的高光谱探测。设计结果表明:该系统主镜口径1000 mm,在500 km轨高下,可见和短波波段空间分辨率优于2 m,中波优于3 m,长波优于6 m,全色优于1 m。且系统全视场达到2.3°,满足20 km幅宽探测。为提高系统的像差与畸变校正能力,设计中引入高阶非球面,形成像方远心光路,实现望远镜与光谱仪的光瞳匹配。此外,本文还提出将光谱仪模块整体放入冷箱制冷,从源头上抑制光机结构背景辐射对成像质量影响。最终设计结果表明,该系统成像质量优良,布局简单且体积轻便,能够实现全谱段高光谱信息同步获取,可广泛应用于星载对地探测成像等领域。

     

  • 图 1  全色通道像面光迹图

    Figure 1.  Panchromatic channel optical footprint diagram

    图 2  全色通道调制传递函数和畸变图

    Figure 2.  PAN channel MTF and distortion diagram

    图 3  全色探测器拼接方案

    Figure 3.  Assembly scheme for PAN detectors

    图 4  系统视场配置方式

    Figure 4.  Configuring the system field of view

    图 5  望远镜系统光路图

    Figure 5.  Telescope system optical diagram

    图 6  望远镜系统各谱段MTF图。(a)VNIR; (b)SWIR; (c)MWIR; (d)LWIR

    Figure 6.  MTF diagram of each spectral band.(a)VNIR; (b)SWIR; (c)MWIR; (d)LWIR

    图 7  光谱仪拼接方案;(a)可见光谱仪;(b)短波光谱仪;(c)中波光谱仪;(d)长波光谱仪

    Figure 7.  Spectrometer splicing scheme; (a)VNIR splicing; (b)SWIR splicing; (c)MWIR splicing; (d)LWIR splicing

    图 8  全系统光路图

    Figure 8.  System optical design diagram

    图 9  全系统各波段调制传递函数图(a) 全色; (b)可见; (c)短波; (d)中波; (e)长波

    Figure 9.  MTF diagram of each spectral band. (a) PAN; (b)VNIR; (c)SWIR; (d)MWIR; (e)LWIR

    图 10  中长波黑体辐射出射度。(a) 3.0~5.0 μm黑体辐射出射度;(b) 8.0~12.5 μm黑体辐射出射度

    Figure 10.  Medium and long wave blackbody radiant exitance. (a)3.0-5.0 μm blackbody radiant exitance; (b)8.0-12.5 μm blackbody radiant exitance

    图 11  中继系统与冷光阑匹配结构图

    Figure 11.  Relay system and cold stop matching structure diagram

    图 12  光谱仪低温光学结构示意图

    Figure 12.  Spectrograph of low temperature structure diagram

    图 13  相机模型及TracePro仿真

    Figure 13.  System model and simulation in TracePro

    图 14  制冷温度对背景辐射的影响;(a)中波背景辐射;(b)长波背景辐射

    Figure 14.  Effect of Temperature inwall on background radiation;(a) Medium wave background radiation; (b) Long wave background radiation

    表  1  光学系统的主要系统技术指标

    Table  1.   Key technical specifications of the optical system

    类别 全色 可见 短波 中波 长波
    波段/μm 0.4-0.8 0.4-0.9 0.9-2.5 3.5-5.0 8.0-12.5
    像元尺寸/μm 7.5 15.0 15.0 15.0 30.0
    焦距/mm 3750 3750 3750 2500 2500
    F数 3.75 3.75 3.75 2.50 2.50
    空间分辨率/m 1 2 2 3 6
    幅宽/km 20
    视场角 /° 2.3
    像元数 20000 10000 10000 6667 3334
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    表  2  各谱段光谱仪参数

    Table  2.   Structural parameters of Offner spectrometer in each spectral band

    类别可见短波中波长波
    光谱分辨率/nm10204080
    波段数50803756
    像元尺寸/μm15151530
    光谱色散/mm0.751.200.561.68
    探测器规模2048×2562048×2562048×2561024×256
    光谱仪数量5544
    狭缝/mm30×530×525×425×4
    相对孔径0.130.130.200.20
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    表  3  各谱段光谱仪参数

    Table  3.   Structural parameters of Offner spectrometer in each spectral band

    类别反射镜M1光栅反射镜M2
    曲率半径/mm±0.01±0.01±0.01
    厚度/mm±0.01±0.005±0.01
    XY偏心/mm±0.01-±0.01
    XY倾斜/°±0.005-±0.005
    S+A不规则度/光圈±0.5-±0.5
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-25
  • 录用日期:  2024-11-07
  • 网络出版日期:  2024-11-27

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