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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), 2025, 18(2): 368-375. 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), 2025, 18(2): 368-375. doi: 10.37188/CO.2024-0150
WU Yin, WANG Yue-ming, ZHANG Dong. Design of spaceborne full-spectrum hyperspectral system[J]. Chinese Optics, 2025, 18(2): 368-375. doi: 10.37188/CO.2024-0150
Citation: WU Yin, WANG Yue-ming, ZHANG Dong. Design of spaceborne full-spectrum hyperspectral system[J]. Chinese Optics, 2025, 18(2): 368-375. 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,博士研究生,2020年于电子科技大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:wuyin20@mails.ucas.ac.cn

    王跃明(1977—),男,安徽黄山人,博士,研究员,博士生导师,2005年于中国科学院上海技术物理研究所获得工学博士学位,主要从事红外与光谱信息获取方法研究及相关仪器研制。E-mail:wangym@mail.sitp.ac.cn

  • 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:

    受航天器体积和重量限制,航天星载遥感探测系统难以兼顾大口径、高分辨率以及高光谱信息同步获取的需求。针对这一问题,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。该系统主镜口径为1000 mm,在500 km轨高下,可见和短波、中波、长波、全色波段空间分辨率分别优于2 m、3 m、6 m和1 m。且系统全视场可达到2.3°,满足20 km幅宽的探测要求。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,实现了望远镜与光谱仪的光瞳匹配。此外,本文还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的影响。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,而且能够实现全谱段高光谱信息的同步获取,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.  Panchromatic channel MTF and distortion diagram

    图 3  全色探测器拼接方案

    Figure 3.  Assembly scheme for panchromatic detectors

    图 4  系统视场配置方式

    Figure 4.  Configuration of the system’s field of view

    图 5  望远镜系统光路图

    Figure 5.  Optical path diagram of telescope system

    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)可见光光谱仪;(b)短波光谱仪;(c)中波光谱仪;(d)长波光谱仪

    Figure 7.  Splicing scheme of the spectrometer. (a) VNIR splicing; (b) SWIR splicing; (c) MWIR splicing; (d) LWIR splicing

    图 8  全系统光路图

    Figure 8.  Optical path diagram of the entire system

    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  (a) 3.0~5.0 μm和(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; (b) 8.0-12.5 μm

    图 11  中继系统与冷光阑匹配结构图

    Figure 11.  Matching structure diagram of relay system and cold stop

    图 12  光谱仪低温光学结构示意图

    Figure 12.  Schematic of low temperature structure of the spectrograph

    图 13  相机模型及TracePro仿真模型

    Figure 13.  Camera model and simulation model 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  光学系统的主要技术指标

    Table  1.   Key technical specifications of the optical system

    类别 波段
    /μm
    像元
    尺寸
    /μm
    焦距
    /mm
    F数 空间
    分辨率
    /m
    幅宽
    /km
    视场

    /(°)
    像元数
    全色 0.4-0.8 7.5 3750 3.75 1 20000
    可见 0.4-0.9 15.0 3750 3.75 2 10000
    短波 0.9-2.5 15.0 3750 3.75 2 20 2.3 10000
    中波 3.5-5.0 15.0 2500 2.50 3 6667
    长波 8.0-12.5 30.0 2500 2.50 6 3334
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    表  3  光谱仪公差设置

    Table  3.   Tolerance setting for spectrometer

    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
  • 修回日期:  2024-09-18
  • 录用日期:  2024-11-07
  • 网络出版日期:  2024-11-27

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