光學(xué)精密工程 | 輕小型高分辨率星載高光譜成像光譜儀

2021.4.23

　　摘要

　　在小型化成像光譜儀的研制和應(yīng)用中，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化、高地面分辨率和高信噪比是目前亟待突破的技術(shù)難題。本文通過將線性漸變?yōu)V光片分光技術(shù)和數(shù)字域時(shí)間延遲積分技術(shù)相結(jié)合，并對鏡頭進(jìn)行緊湊化處理，設(shè)計(jì)了一款工作波段為403~988 nm、平均光譜分辨率為8.9 nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為7 kg的輕小型星載高光譜成像光譜儀。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該高光譜成像儀能在500 km軌道上得到刈幅寬度為50.5 km、地面分辨率為10 m的高光譜圖像，且圖像信噪比良好。該成像光譜儀可為微納衛(wèi)星獲得高分辨率的高光譜圖像提供技術(shù)支持，推動(dòng)了我國高光譜遙感探測技術(shù)的發(fā)展。

　　1 引

　　言

　　高光譜遙感技術(shù)是在成像光譜學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種光學(xué)遙感技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)空間信息、光譜信息和輻射信息的綜合觀測。目前，該技術(shù)已經(jīng)在大氣探測、地球資源普查、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和海洋遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感領(lǐng)域?qū)p小型高光譜成像光譜儀的需求日益強(qiáng)烈，但是當(dāng)前輕小型高光譜成像光譜儀的空間分辨率普遍較低。國外典型的輕小型高光譜成像光譜儀有歐空局PROBA衛(wèi)星搭載的CHRIS和韓國研制的COMIS等。CHRIS質(zhì)量為14 kg，長度為790 mm，空間角分辨率為0.04 mrad；COMIS的空間角分辨率為0.043 mrad，在500 km軌道上只能獲得空間分辨率為20 m的高光譜圖像。近年來，國內(nèi)多個(gè)機(jī)構(gòu)開展了成像光譜儀小型化的研究，但與國外還有一定的差距。中國科學(xué)院光電研究院馮蕾等通過將棱鏡分光系統(tǒng)小型化，設(shè)計(jì)了空間角分辨率為0.14 mrad，光學(xué)系統(tǒng)長度小于330 mm的成像光譜儀。北京空間機(jī)電研究所王保華等通過將光柵分光系統(tǒng)小型化，設(shè)計(jì)了空間角分辨率為0.075 mrad，長度小于550 mm的成像光譜儀，但是仍然不能滿足微小衛(wèi)星的高分辨要求。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的王穎等設(shè)計(jì)了一種漸變?yōu)V光片型成像光譜儀，雖然空間角分辨率僅為0.28 mrad，但此光譜儀結(jié)構(gòu)簡單輕便，具有低質(zhì)量實(shí)現(xiàn)高地面分辨率的潛力。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，首先分析了國內(nèi)外星載小型高光譜成像光譜儀難以實(shí)現(xiàn)較高地面分辨率的原因，提出了將漸變?yōu)V光片分光技術(shù)和數(shù)字域時(shí)間延遲積分（Time Delay Integration，TDI）技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)輕小型星載成像光譜儀的高分辨率對地成像。基于漸變?yōu)V光片分光原理設(shè)計(jì)了輕小型高分辨率成像光譜儀，并介紹了緊湊化的復(fù)消色差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。最后，通過實(shí)驗(yàn)分析了漸變?yōu)V光片和數(shù)字域TDI相結(jié)合時(shí)成像光譜儀的光譜分辨率、各譜段的能量和數(shù)字域TDI對光譜分辨率的影響。

　　2 設(shè)計(jì)原理

　　2.1

　　能量限制

　　光學(xué)系統(tǒng)成像所需的光能量是地物反射的太陽光，一般認(rèn)為太陽是絕對溫度為5 900 K的黑體，由普朗克黑體輻射公式和輻照度公式推導(dǎo)可得太陽光在λ1~λ2波段內(nèi)對空間目標(biāo)的輻照度為：

　　式中：h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為太陽的黑體溫度，A為太陽表面積，R為日地平均距離，均可認(rèn)為是常量。因此，太陽對地面目標(biāo)的輻照度主要由波長λ的范圍決定。高光譜成像光譜儀的通道眾多，單個(gè)通道的光譜范圍較窄，因此，單個(gè)通道能利用的輻照度很小。本文以光譜分辨率為10 nm的高光譜成像光譜儀為例，將某些通道能利用的輻照度與可見光相機(jī)（400~800 nm）進(jìn)行對比，如圖1所示。從圖中可以看出，高光譜成像光譜儀有更多的通道數(shù)、更寬的光譜范圍和更高的光譜精細(xì)度，但是，其每個(gè)通道可利用的輻照度卻不足可見光相機(jī)的3%。另一方面，空間目標(biāo)反射的光信號在光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的光能量E1是輻照度（M）、光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑（D）和空間目標(biāo)面積（S）的函數(shù)，即：

　　衛(wèi)星的速度恒定，積分時(shí)間t與地面采樣距離（Ground Sampling Distance， GSD）成正比。假設(shè)面積為S的空間目標(biāo)反射的光信號全部會(huì)聚在一個(gè)像元內(nèi)，則該像元在曝光時(shí)間內(nèi)接收到的總能量E2與GSD的關(guān)系如下：

　　由公式可以看出，單個(gè)像元在曝光時(shí)間內(nèi)接收到的總能量與M，D2和GSD3成正比。受限于通光口徑和單個(gè)通道可利用的輻照度，輕小型高光譜成像光譜儀每個(gè)通道在曝光時(shí)間內(nèi)接收到的總能量很小，若追求更小的地面采樣距離，則能量會(huì)進(jìn)一步下降，從而影響每個(gè)通道的圖像信噪比。因此，能量不足造成的圖像信噪比下降是輕小型高光譜成像光譜儀無法實(shí)現(xiàn)更小地面采樣距離的主要原因。

　　2.2

　　漸變?yōu)V光片與數(shù)字域TDI

　　該高光譜成像光譜儀采用線性漸變?yōu)V光片作為分光器件，其特點(diǎn)是沒有狹縫的限制，因此能與數(shù)字域TDI技術(shù)相結(jié)合，在不增加成像光譜儀口徑的情況下提高能量；同時(shí)，與棱鏡和光柵分光系統(tǒng)相比，濾光片的體積和質(zhì)量極小，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。對于法布里-珀羅的線性漸變?yōu)V光片，其峰值透射波長為：

　　式中：n為諧振腔層的折射率，d表示諧振腔層的厚度，和分別為上反射膜系和下反射膜系的位相，k=0，1，2，…。線性漸變?yōu)V光片的諧振腔層厚度沿某一方向線性變化，由式（4）可知，其中心透射波長會(huì)沿諧振腔厚度的漸變方向線性變化。將線性漸變?yōu)V光片置于探測器前，可以使探測器的不同像素行對應(yīng)不同的單色光，如圖2所示。同時(shí)，由于不受狹縫的限制，探測器的每一行都會(huì)對地物成像。圖2中地面區(qū)域A被探測器的P1到P3行連續(xù)成像3次，將3次成像的電子數(shù)相加可以提高圖像信噪比。其中，參與成像的3行探測器像元為三級數(shù)字域TDI的輸出行，由于相鄰3行的中心波長接近，可以認(rèn)為是同一光譜通道。

　　3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　3.1

　　光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定

　　光學(xué)系統(tǒng)用于收集地面目標(biāo)的能量信息和空間信息，其性能的好壞直接影響著目標(biāo)圖像質(zhì)量和系統(tǒng)的光譜分辨率。為了使微納衛(wèi)星獲得高分辨率光譜圖像，該成像光譜儀要求光學(xué)系統(tǒng)具有輕量化和強(qiáng)集光能力等特點(diǎn)。高光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括：工作波段、焦距、相對孔徑、視場角、像元尺寸和調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function， MTF）等。其中，工作波段是指系統(tǒng)所能響應(yīng)的波長范圍，它決定了光學(xué)系統(tǒng)材料及膜系的選擇；焦距是指光學(xué)系統(tǒng)聚集光線的能力，它影響著系統(tǒng)的地面分辨率；F數(shù)是相對孔徑的倒數(shù)，用于評價(jià)系統(tǒng)的實(shí)際通光能力，F(xiàn)數(shù)越小，通光能力越強(qiáng)；視場角決定了光學(xué)系統(tǒng)能夠觀測到的視野范圍，濾光片型成像光譜儀對視場的要求與面陣相機(jī)相似；像元尺寸是指探測器感光芯片上單個(gè)像元的大小，像元越小，同等地面分辨率下系統(tǒng)的焦距越??；MTF是評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)的重要指標(biāo)，MTF值越大，系統(tǒng)像質(zhì)越好；畸變反映了系統(tǒng)成像的形變，會(huì)影響不同通道的光譜匹配，畸變越小，匹配越精準(zhǔn)。該成像光譜儀使用GSENSE 5130探測器，并要求它在500 km軌道上能獲得10 m地面分辨率的圖像。根據(jù)應(yīng)用需求，表1列出了該成像光譜儀的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　3.2

　　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有折射式、反射式和折反式。其中，同軸反射結(jié)構(gòu)和折反式結(jié)構(gòu)的視場角一般不會(huì)超過3°，不滿足光學(xué)系統(tǒng)的視場要求；離軸反射結(jié)構(gòu)的體積較大且較難加工和裝調(diào)，會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)的制造成本；折射式結(jié)構(gòu)視場大、相對孔徑大、結(jié)構(gòu)簡單，適合輕小型成像光譜儀的設(shè)計(jì)要求。綜合考慮各方面因素，最終將光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選為折射式攝遠(yuǎn)型結(jié)構(gòu)，并在其中加入像方遠(yuǎn)心鏡組，如圖3所示。圖中前組為攝遠(yuǎn)型基本結(jié)構(gòu)，能縮短光學(xué)系統(tǒng)長度，后組為像方遠(yuǎn)心鏡組，使各視場的光線在濾光片和探測器上的入射角度相同，既能保證像面照度的均勻性，又能避免因主光線入射角度不同而引起的光譜藍(lán)移。