星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计

黄明阳 李想

摘 要：由两个凸光栅成像光谱系统和离轴非球面三反射镜望远成像系统组成的全反射式高光谱成像仪光学系统，是以小型化与宽波段为出发点，为了使两种不同型号的探测器得以匹配，该项目将海内外优秀高光谱星载成像仪纳入研究内容中，分析对比了这些仪器的光学系统的结构并对于其中的主流成像仪光栅色散、傅立叶变换和棱镜色散的优劣点及它们的运作原理进行了定义，最后通过调整两探测器的光谱成像系统的变倍比以达到最终目的。

关键词：高光谱成像仪；光学系统；傅立叶变换型

通过30年的快速发展，近年来，光谱成像技术逐渐进入遥感研究界的主流视野当中，成为学术界的前沿学科。高光谱分辨率、宽光谱范围和多样化的谱段是高光谱数据明显区别于传统遥感数据源的三大特点，同时这些特点也为遥感研究提供了更为多元化的研究途径和更为翔实的数据支持。仪器采用何种光学系统是研发过程中至关重要的组成，决定着光学仪器的质量、性能和体积。

1 高光谱成像仪光学系统的特点

光谱成像系统和望远成像系统是构成高光谱成像仪的两个基石，因为该成像仪的光学系统正式通过两者得以建立。地物目标之能在成像仪上呈现出多个光谱分辨率的图像，完全得益于其条带成像在望远成像系统的帮助下，进入光谱成像系统的入射狭缝里，之后色散，由于长短不一的波长，便在探测器的不同位置上成像。

1.1 高聚光力

高光谱成像仪光学系统具有探测器元件接受能力弱和窄带宽的局限性，以不改变仪器质量、体积和性能的为基本原则，需要在最大程度上扩大光学系统的相对口径，让光学系统的能量收集能力得到最好的发挥。

1.2 高能量利用率

地球表面有限的光辐射能量加上高光谱成像仪多谱段、短带宽的特点，使得必须最大限度降低进入光学系统的能量的衰减。

1.3 高传递函数

在弱光照强度下，只有足够高的调制系统传递函数才能保证信噪低的高光谱成像仪对目标物的空间位置有精确的判断。

2 三种常见分光方法的比较

由于分光法决定着高光谱成像仪的质量、体积、性能和结构复杂度等特性，分光法当之无愧是高光谱成像仪的要义核心。棱镜、傅立叶变换光谱仪和光栅色散分光是三个最具代表性的分光方法，它们是分光方法的基础。

除了采用不同的分光方式，将质量和体积比较接近的高光谱成像仪做比较，很容易发现它们并没有明显的本质上的区别，其中的任何一方相对于他者在仪器的性能上都没有绝对的优势。如上文所述，高光谱成像仪采用何种分光方法直接决定着分光系统的体积与质量，对于所有的高光谱成像仪来说，大体积的望远光学系统都是不可缺少的一个重要组成部分。

经过多番实验研究，相比于只能完成下传整体数据、无法直接获取单通道图像、难以精确定位目标物空间位置的傅立叶傅立叶变换法，有选择性地下传数据、无需数据转换可直接选取单通道图像的棱镜色散和光栅在各方面占有绝对的优势。

3 小型高光谱成像仪光学系统的设计

除了将高光谱成像仪的工作性能纳入考虑范围，星载高光谱成像仪的光学系统还须权衡成像仪的质量、体积和工作波长等内容。在研究了发达国家的高光谱成像仪的光学系统后，笔者总结了它们的特点，了解了我国的高光谱成像仪之所以常常选择反射式系统，都是因为其低稳定性的投射材料。为了改善这一现状，结合了我国现有的光学加工技术和工程学设计，设计出了一个体积小、全反射式的可运用与高光谱成像仪的光学系统，设计过程中，为了获得两个不同波段的光谱的焦距，笔者经过多番考量，最终决定通过改变凸光栅光谱成像系统的放大率这一方法。

不同于COIS和Hyperion这两种分离法，该系统运用的是视场分离法，为了入射光束贝边缘阻挡，入射的两束光通过各自独立的狭缝进入，通过刀口反射镜的切入光束由刀口反射镜决定切入位置。

4 国外采用的高光谱成像仪的光学系统

随着科技水平的日新月异，世界各国都致力于地球以外的空间探索。据数据记载，许多高光谱成像卫星已经成功发送到太空之中，其中Hyperion、COIS、FTHSI和CHRIS是这些高光谱成像仪卫星最常采用的光学系统，本章节也是主要研究这三个光学系统。

4.1 Hyperion

由美國TRW公司发明的Hyperion光学系统是通过将目标物成像带投射于镜片焦面后方的狭缝上，并且运用分色滤光片让光束分别进入短红外波和近红外的成像系统上，在这两个光谱相互交叉重叠时，它们会相互定位对方的具体目标位置，然后探测仪通过前文提到的光谱图像显示的信息，将太空高光谱成像仪卫星发回的地面空间图合成为高光谱图像。

4.2 COIS

作为美国海军最常用的监控卫星，它与Hyperion具有相似的配置-两个凸光栅光谱仪和大孔径利州非球面望远成像系统。

4.3 CHRIS

卡式系统构成的望远系统是CHRIS有别于其他高光谱测量仪的主要原因，英国Sira公司是该系统的研发者，系统中棱镜色散光谱成像系统在入射、出射发散光束的应用使得其具有两个曲面色散镜，这样一来，CHRIS高光谱测量仪既摆脱了光栅色散高级次光谱的干扰，又保证了测量仪体积的合理性。然而，较大的非线性光谱与光谱不均匀发分辨率是CHRIS高光谱测量仪急需解决的燃眉之急。

4.4 FTHSI

唯一一个利用傅立叶变换技术的FTHSI高光谱成像仪是由美国Kestrel公司研制的，它之所以可以把目标物的条带成像投射到焦面狭缝上，是由于其卡式系统构成的望远系统，狭缝运用分束器将穿过它的光一分为二，通过二次反射，变成透射和反射两条光线再次返回分束器合二为一，再投射出去。光线的传播路径由于分束器与反射镜之间的不等距而具有不同的长度，因此也导致了一个相干虚物的产生。前面所提到的出射的相干光束通过柱面镜和傅立叶透镜汇合、准直，然后各个像元入射到狭缝中长生的双光束干涉图便可被FTHSI高光谱测量仪的探测器所接收，在此之后，傅立叶变换和数字处理会在数据下传后进行，各个像元的光谱图便是依据此原理得来的。

5 结束语

综上所述，为了分析比较棱镜、傅立叶变换光谱仪和光栅色散分光这三种主流高光谱分光法，笔者对国内外卫星高光谱成像仪的光学系统做了详细研究分析，从结果可以看出，Offner光谱成像系统之所以相比较于其他系统具有稳定性的空间应用、小体积、轻质量和高性能的特点，都得益于其采用的色散元件-凸光栅，该元件的应用最大限度缩小了高光谱成像仪的重量和体积，同时让系统稳定性大幅度提升，使其更容易适应外部的空间环境，所以该系统是太空卫星的最佳系统。

参考文献

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