星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

王保华,姜会林,唐绍凡,张绪国,李 阳,封宇航

(1.北京空间机电研究所,北京 100094;2.长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022)

1 引 言

高光谱成像仪将成像技术与光谱技术相结合,可以同时获取被测目标的空间信息、辐射信息和光谱信息,成为光学遥感仪器的重要发展方向[1]。红外高光谱成像数据在地表温度精确反演、煤火监测、旱灾监测、城市热岛效应、污染气体探测以及矿物探测等方面具有独特的优势,具有十分迫切的应用需求[2]。目前,国外在轨和在研的高光谱成像仪主要有Hyperion[3]、COIS[4]和HyspIRI[5]等,我国近年来也相继成功研制了搭载于“天宫一号”、“环境减灾卫星1A/B”和“高分五号”卫星的高光谱成像仪[6～8],但在国内外在轨和在研的高光谱成像仪中,除了HyspIRI以外的其他高光谱成像仪工作谱段均为可见光和短波红外,HyspIRI的工作谱段虽然覆盖了中波和长波红外,但谱段数量仅有6个,光谱带宽大于320 nm,无法获取高光谱分辨率成像数据。我国在高分五号卫星上配置了一台全谱段光谱成像仪,工作谱段包括两个中波红外谱段和四个长波红外谱段,也只能获取红外多光谱成像数据。针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和强烈应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像方案,中波红外谱段范围为3～5 μm,长波红外谱段范围为8～12.5 μm,中波红外和长波红外的光谱分辨率分别为50 nm和100 nm,空间分辨率为60 m,成像幅宽为60 km,中波红外和长波红外谱段的噪声等效温差(NEDT)均优于0.2 K。星载红外双谱段高光谱成像仪的空间分辨率与HyspIRI和“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪相同,但谱段数量增加了十几倍,可以同时实现高空间分辨率和高光谱分辨率遥感数据获取。本文分析了星载红外双谱段高光谱成像仪的噪声等效温差,根据成像性能、光学调制传递函数(MTF)等确定了光学系统技术指标,优化设计了高光谱成像仪光学系统,望远光学系统采用离轴三反设计方案,并使用自由曲面实现了大相对孔径、低畸变像方远心设计;光谱成像系统采用Wynne-Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统的成像质量接近衍射极限,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。

2 红外高光谱成像仪光学系统指标分析

为了方便红外高光谱成像数据与红外多光谱成像数据进行对比,同时便于红外高光谱成像数据与可见光短波红外高光谱成像数据的融合使用,星载红外双谱段高光谱成像仪的指标设置参考“高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪,工作轨道高度与“高分五号”卫星保持一致,均为705 km,空间分辨率和成像幅宽与全谱段光谱成像仪相同,分别为60 m和60 km,工作谱段为3～5 μm和8～12.5 μm,完全覆盖全谱段光谱成像仪的红外工作谱段范围,中波红外和长波红外的光谱分辨率分别为50 nm和100 nm,谱段数量分别为40个和45个。星载红外双谱段高光谱成像仪可以同时实现高空间分辨率和高光谱分辨率成像数据获取,填补国内外星载红外高光谱成像数据的空白,满足地表温度精确反演、煤火监测、旱灾监测、城市热岛效应、污染气体探测以及矿物探测等领域的迫切应用需求。

星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统技术指标主要包括焦距、视场角、相对孔径、光谱分辨率和狭缝长度等,需根据高光谱成像仪的整体成像要求来确定。星载红外双谱段高光谱成像仪选用国产红外面阵器件,像元规模1024×256,像元尺寸24 μm×32 μm,根据探测器的像元尺寸、轨道高度、空间分辨率和幅宽等可计算得到高光谱成像仪光学系统的焦距为282 mm,成像视场角为4.88°,取4.9°进行设计;根据探测器规模、焦距和视场角等确定星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统的狭缝长度为24.576 mm,狭缝宽度为32 μm。

光学系统的相对孔径(D/f′)直接影响红外高光谱成像仪的噪声等效温差和调制传递函数,同时还决定系统的体积和工程研制难度,因此,合理选择光学系统的相对孔径是实现高性能高光谱成像的基础。

红外高光谱成像仪的噪声等效温差由轨道高度、空间分辨率、光谱分辨率以及探测器、光学系统和电子学系统的性能等因素决定,噪声等效温差计算方法为[9]:

(1)

由于中波红外和长波红外谱段辐射能量的差异,中波红外谱段更容易实现较高的噪声等效温差,因此,中波红外谱段光谱成像系统可以选取相对较小的光学系统相对孔径,有利于减小光学系统的体积和重量,而长波红外谱段光谱成像系统则必须选取大相对孔径光学系统来提高能力收集能力,从而实现较高的噪声等效温差。当中波和长波红外谱段的光学系统相对孔径分别为D/f′=1/3和D/f′=1/2.4时,将其他参数代入式(1),分别计算得到工作谱段范围内的噪声等效温差曲线如图1(a)和图1(b)所示,中波和长波红外谱段的噪声等效温差均优于0.2 K,满足多个领域对高温度灵敏度、高光谱红外成像数据的应用需求。

图1 星载红外双谱段高光谱成像仪噪声等效温差曲线

当中波和长波红外谱段的光学系统相对孔径分别为D/f′=1/3和D/f′=1/2.4时,5 μm波长在奈奎斯特频率(20.8 lp/mm)处的调制传递函数衍射极限高于0.6,12.5 μm波长在奈奎斯特频率(20.8 lp/mm)处的调制传递函数衍射极限高于0.28,综合考虑光学设计、加工、装调、电子线路以及探测器等因素,红外高光谱成像仪的静态传函预估均高于0.12,可以满足应用需求。

因此,综合考虑噪声等效温差和调制传递函数要求后,最终确定星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统技术指标汇总见表1。

表1 星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统技术指标

3 红外高光谱成像仪光学系统设计

高光谱成像仪的光学系统由望远光学系统和光谱成像光学系统两部分组成,望远光学系统的作用是将地物目标成像到狭缝处,光谱成像光学系统的作用是将狭缝像色散分光后再次成像到探测器上。望远光学系统和光谱成像光学系统满足光瞳匹配原则,可以分别进行设计和成像质量评价,并通过狭缝连接成全系统[10]。

3.1 望远光学系统设计

望远光学系统在设计时需要重点考虑成像质量和像方远心度的要求[11],如果望远光学系统的成像质量较差,不仅会降低高光谱成像仪的光谱分辨率,还会增加高光谱成像数据的几何畸变校正工作量,影响光谱数据的快速处理和应用;如果望远光学系统的像方远心度较差,将导致望远光学系统与光谱成像光学系统的匹配度下降,系统产生较大的渐晕,降低高光谱成像仪的调制传递函数和信噪比,因此,合理选择初始结构是保证光学系统实现指标要求和成像要求的重要环节。星载红外双谱段高光谱成像仪的工作谱段覆盖中波和长波红外,口径和相对孔径均较大,望远光学系统选用离轴三反作为初始结构不仅可以实现中波和长波红外一体化成像,而且有利于满足成像质量和像元远心度的要求。

自由曲面相比球面和非球面具有更多的设计自由度,有利于校正光学系统的轴外像差,尤其有利于降低离轴光学系统的畸变。随着自由曲面加工和检测水平的不断提高,自由曲面也越来越多地应用到成像光学系统中[12-13]。为了提高光学系统传函、减小系统畸变和提升像方远心度,星载红外双谱段高光谱成像仪的望远光学系统用自由曲面代替了传统的球面或非球面反射镜,优化设计后的自由曲面离轴三反望远光学系统如图2所示,系统体积仅为到156 mm×265 mm×205 mm(X×Y×Z),实现了望远光学系统的轻小型化设计。

图2 自由曲面离轴三反望远光学系统

望远光学系统在全视场范围内的调制传递函数曲线如图3所示,各视场在奈奎斯特频率处的调制传递函数均接近衍射极限。

图3 望远光学系统调制传递函数曲线

望远光学系统的畸变如图4所示,在成像视场范围内的最大相对畸变为0.135 %,较小的畸变有利于光谱成像数据的快速处理和应用。

图4 望远光学系统畸变曲线

望远光学系统的像方远心度通常用边缘视场主光线在像面的出射角度进行评价,出射角度越小,表明望远光学系统的像方远心度越高。经分析,望远光学系统的边缘视场主光线在像面的出射角度仅为0.51°,像方远心度高有利于望远光学系统与后续光谱成像光学系统的良好匹配。

3.2 光谱成像光学系统设计

20世纪80年代后期,美国的Kwo D等人提出了基于凸面光栅的Offner光谱成像光学系统[14],该系统具有结构简单紧凑、体积小、成像性能好等优点,非常适合用于高光谱分辨率、小型化成像光谱仪,并在Hyperion、COIS和HyspIRI等星载高光谱成像仪中得到了应用和验证。为了扩大Offner光谱成像系统的成像视场,Wynne提出了Wynne-Offner结构形式,通过在凸面镜前加入同心弯月透镜来校正球差,具有狭缝长、结构紧凑、成像质量优、光谱畸变小的特点[15]。星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统的相对孔径较大,为了提高光谱成像系统的成像质量,同时为了减小光谱成像系统的体积来降低低温制冷功耗,光谱成像系统应采用Wynne-Offner结构形式。经过优化设计,最后设计的中波和长波红外光谱成像光学系统如图5所示,中波红外光谱成像光学系统的体积为66 mm×88 mm×105 mm(X×Y×Z),中波红外光谱成像光学系统的体积为90 mm×140 mm×145 mm(X×Y×Z)。

图5 Wynne-Offner光谱成像光学系统

光谱成像光学系统在不同波长下的调制传递函数曲线如图6所示,各波长在成像视场范围的调制传递函数均接近衍射极限,满足高性能光谱成像要求。

图6 光谱成像光学系统调制传递函数曲线

3.3 整体光学系统设计

把望远光学系统和光谱成像光学系统通过狭缝连接在一起,形成星载红外双谱段高光谱成像仪整体光学系统如图7所示,整体系统体积仅为156 mm×395 mm×390 mm(X×Y×Z),结构布局合理紧凑,有利于实现星载红外双谱段高光谱成像仪的轻小型化设计。

图7 高光谱成像仪整体光学系统

星载红外双谱段高光谱成像仪整体光学系统不同波长的调制传递函数曲线如图8所示,3 μm波长在奈奎斯特频率(20.8 mm/lp)的调制传递函数大于0.7,12.5 μm波长在奈奎斯特频率(20.8 mm/lp)的调制传递函数大于0.28,成像质量优良。

图8 整体光学系统调制传递函数曲线

4 结 论

国内外已研制了多台工作谱段覆盖可见光近红外和短波红外的高光谱成像仪,但尚未实现中波和长波红外高光谱成像仪的星载工程应用,为了填补国内外中波和长波红外星载高光谱成像数据的空白,针对地表温度精确反演、煤火监测、旱灾监测、城市热岛效应、污染气体探测以及矿物探测等领域的迫切应用需求,本文提出了星载中波和长波红外双谱段高光谱成像方案,同时获取高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度的红外成像数据。为了便于与已有的红外多光谱和可见光-短波红外高光谱数据进行融合使用,星载红外双谱段高光谱成像仪的技术指标参照XX可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪,谱段范围覆盖3～5 μm和8～12.5 μm,空间分辨率和成像幅宽分别为60 m和60 km,中波红外和长波红外的光谱分辨率分别为50 nm和100 nm,噪声等效温差优于0.2 K。完成了星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统技术指标分析和优化设计,望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案实现红外双谱段一体化设计,畸变小、像方远心度高;光谱成像系统采用Wynne-Offner结构形式实现高成像质量、轻小型化设计;整体光学系统结构布局紧凑合理,成像质量优良,具有较强的工程应用价值。