发布时间:2021-04-23 16:07 原文链接: 光学精密工程|轻小型高分辨率星载高光谱成像光谱仪

  摘 要

  在小型化成像光谱仪的研制和应用中,如何同时实现轻量化、高地面分辨率和高信噪比是目前亟待突破的技术难题。本文通过将线性渐变滤光片分光技术和数字域时间延迟积分技术相结合,并对镜头进行紧凑化处理,设计了一款工作波段为403~988 nm、平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为7 kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪。仿真和实验结果表明,该高光谱成像仪能在500 km轨道上得到刈幅宽度为50.5 km、地面分辨率为10 m的高光谱图像,且图像信噪比良好。该成像光谱仪可为微纳卫星获得高分辨率的高光谱图像提供技术支持,推动了我国高光谱遥感探测技术的发展。

  1 引

  言

  高光谱遥感技术是在成像光谱学基础上发展而来的一种光学遥感技术,能实现空间信息、光谱信息和辐射信息的综合观测。目前,该技术已经在大气探测、地球资源普查、军事侦察、环境监测、农业和海洋遥感等领域有着广泛的应用。随着微纳卫星技术的发展,遥感领域对轻小型高光谱成像光谱仪的需求日益强烈,但是当前轻小型高光谱成像光谱仪的空间分辨率普遍较低。国外典型的轻小型高光谱成像光谱仪有欧空局PROBA卫星搭载的CHRIS和韩国研制的COMIS等。CHRIS质量为14 kg,长度为790 mm,空间角分辨率为0.04 mrad;COMIS的空间角分辨率为0.043 mrad,在500 km轨道上只能获得空间分辨率为20 m的高光谱图像。近年来,国内多个机构开展了成像光谱仪小型化的研究,但与国外还有一定的差距。中国科学院光电研究院冯蕾等通过将棱镜分光系统小型化,设计了空间角分辨率为0.14 mrad,光学系统长度小于330 mm的成像光谱仪。北京空间机电研究所王保华等通过将光栅分光系统小型化,设计了空间角分辨率为0.075 mrad,长度小于550 mm的成像光谱仪,但是仍然不能满足微小卫星的高分辨要求。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的王颖等设计了一种渐变滤光片型成像光谱仪,虽然空间角分辨率仅为0.28 mrad,但此光谱仪结构简单轻便,具有低质量实现高地面分辨率的潜力。本文在上述研究的基础上,首先分析了国内外星载小型高光谱成像光谱仪难以实现较高地面分辨率的原因,提出了将渐变滤光片分光技术和数字域时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)技术相结合,从而实现轻小型星载成像光谱仪的高分辨率对地成像。基于渐变滤光片分光原理设计了轻小型高分辨率成像光谱仪,并介绍了紧凑化的复消色差光学系统设计方法。最后,通过实验分析了渐变滤光片和数字域TDI相结合时成像光谱仪的光谱分辨率、各谱段的能量和数字域TDI对光谱分辨率的影响。

  2 设计原理

  2.1

  能量限制

  光学系统成像所需的光能量是地物反射的太阳光,一般认为太阳是绝对温度为5 900 K的黑体,由普朗克黑体辐射公式和辐照度公式推导可得太阳光在λ1~λ2波段内对空间目标的辐照度为:

  式中:h为普朗克常数,c为真空中的光速,k为玻尔兹曼常数,T为太阳的黑体温度,A为太阳表面积,R为日地平均距离,均可认为是常量。因此,太阳对地面目标的辐照度主要由波长λ的范围决定。高光谱成像光谱仪的通道众多,单个通道的光谱范围较窄,因此,单个通道能利用的辐照度很小。本文以光谱分辨率为10 nm的高光谱成像光谱仪为例,将某些通道能利用的辐照度与可见光相机(400~800 nm)进行对比,如图1所示。从图中可以看出,高光谱成像光谱仪有更多的通道数、更宽的光谱范围和更高的光谱精细度,但是,其每个通道可利用的辐照度却不足可见光相机的3%。另一方面,空间目标反射的光信号在光学系统入瞳处的光能量E1是辐照度(M)、光学系统的通光口径(D)和空间目标面积(S)的函数,即:

  卫星的速度恒定,积分时间t与地面采样距离(Ground Sampling Distance, GSD)成正比。假设面积为S的空间目标反射的光信号全部会聚在一个像元内,则该像元在曝光时间内接收到的总能量E2与GSD的关系如下:

  由公式可以看出,单个像元在曝光时间内接收到的总能量与M,D2和GSD3成正比。受限于通光口径和单个通道可利用的辐照度,轻小型高光谱成像光谱仪每个通道在曝光时间内接收到的总能量很小,若追求更小的地面采样距离,则能量会进一步下降,从而影响每个通道的图像信噪比。因此,能量不足造成的图像信噪比下降是轻小型高光谱成像光谱仪无法实现更小地面采样距离的主要原因。

  2.2

  渐变滤光片与数字域TDI

  该高光谱成像光谱仪采用线性渐变滤光片作为分光器件,其特点是没有狭缝的限制,因此能与数字域TDI技术相结合,在不增加成像光谱仪口径的情况下提高能量;同时,与棱镜和光栅分光系统相比,滤光片的体积和质量极小,有利于进一步实现轻量化。对于法布里-珀罗的线性渐变滤光片,其峰值透射波长为:

  式中:n为谐振腔层的折射率,d表示谐振腔层的厚度,和分别为上反射膜系和下反射膜系的位相,k=0,1,2,…。线性渐变滤光片的谐振腔层厚度沿某一方向线性变化,由式(4)可知,其中心透射波长会沿谐振腔厚度的渐变方向线性变化。将线性渐变滤光片置于探测器前,可以使探测器的不同像素行对应不同的单色光,如图2所示。同时,由于不受狭缝的限制,探测器的每一行都会对地物成像。图2中地面区域A被探测器的P1到P3行连续成像3次,将3次成像的电子数相加可以提高图像信噪比。其中,参与成像的3行探测器像元为三级数字域TDI的输出行,由于相邻3行的中心波长接近,可以认为是同一光谱通道。

  3 光学系统设计与优化

  3.1

  光学系统参数的确定

  光学系统用于收集地面目标的能量信息和空间信息,其性能的好坏直接影响着目标图像质量和系统的光谱分辨率。为了使微纳卫星获得高分辨率光谱图像,该成像光谱仪要求光学系统具有轻量化和强集光能力等特点。高光谱成像光谱仪的光学系统的主要性能指标包括:工作波段、焦距、相对孔径、视场角、像元尺寸和调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)等。其中,工作波段是指系统所能响应的波长范围,它决定了光学系统材料及膜系的选择;焦距是指光学系统聚集光线的能力,它影响着系统的地面分辨率;F数是相对孔径的倒数,用于评价系统的实际通光能力,F数越小,通光能力越强;视场角决定了光学系统能够观测到的视野范围,滤光片型成像光谱仪对视场的要求与面阵相机相似;像元尺寸是指探测器感光芯片上单个像元的大小,像元越小,同等地面分辨率下系统的焦距越小;MTF是评价光学系统像质的重要指标,MTF值越大,系统像质越好;畸变反映了系统成像的形变,会影响不同通道的光谱匹配,畸变越小,匹配越精准。该成像光谱仪使用GSENSE 5130探测器,并要求它在500 km轨道上能获得10 m地面分辨率的图像。根据应用需求,表1列出了该成像光谱仪的主要设计指标。

  3.2

  光学系统设计

  光学系统的结构形式主要有折射式、反射式和折反式。其中,同轴反射结构和折反式结构的视场角一般不会超过3°,不满足光学系统的视场要求;离轴反射结构的体积较大且较难加工和装调,会增加光学系统的制造成本;折射式结构视场大、相对孔径大、结构简单,适合轻小型成像光谱仪的设计要求。综合考虑各方面因素,最终将光学系统结构选为折射式摄远型结构,并在其中加入像方远心镜组,如图3所示。图中前组为摄远型基本结构,能缩短光学系统长度,后组为像方远心镜组,使各视场的光线在滤光片和探测器上的入射角度相同,既能保证像面照度的均匀性,又能避免因主光线入射角度不同而引起的光谱蓝移。

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