双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

近年来随着对地观测的需求和光电技术的进步，成像光谱仪已发展成为新-代遥感仪器，它将传统二维成像技术与光谱仪技术有机结合，能在获取地物二维空间几何信息的同时，以高光谱分辨率获取 目标的光谱信息，具有超多波段、高光谱分辨力、高空间分辨力的特点，比多光谱图像包含了更丰富的地物目标信息。因此，高光谱成像在地质地理、植被调查、大气探测、海洋遥感、农业科技，环境监测、减灾防灾及军事应用等方面具有广泛应用前景 。

国内外比较典型的高光谱成像仪仪器有美国JPL实验室的AVIRIS[孙，中国的OMIS[3l，PHI[ ，德国的DAISL5 等。星载高光谱成像仪主要以美国为主，典型的如EO-1卫星的Hyperion[6J，海军NEMO卫星的岸带高光谱成像仪 COISt”，以及火星勘探成像 光 谱仪 CRISML8J和 月球矿 物 制 图仪 MoonMineralogy Mapper[9]等，谱段主要集中在可见近红外.短波红外，这些高光谱成像仪提供的丰富高光谱数据已在多个应用领域发挥了重要作用。

在高光谱成像仪的研制过程中，研制成败的-个关键环节就是光学系统的选择和设计，直接影响着仪器的性能、体积和质量。对于传统的望远系统设计，有折射系统和反射系统 2种选择，其中折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差，反射系统不产生色差，孔径、焦距都可以做得很大，且宜于轻量化。现有的两反系统虽然结构形收稿日期：2013-03-28；修订日期：2013-04-16。

作者简介：姚波 (1982.)，女，浙江省宁波市，助理研究员，硕士在读，现主要从事成像光谱仪等方面的研究。E-mail：yaobo###mail.sitp.ac.cn。

419第35卷 第7期2013年 7月红 外 技 术Infrared TechnologyVbl35 NO.7July 2013式简单，但系统自变量少，只有轴上点成像符合理想，视场不能做得很大。不能满足大视尝大相对孔径的要求。在三反系统中，同轴三反射系统虽然结构比较简单，但成像质量受次镜的遮拦影响较大，辐射利用率也不高，降低了光学系统的分辨率，-方面不能有很大的视场，另-方面还要增加口径来保证有-定的接收辐射能量。针对这些问题，本文对高光谱成像仪光学系统的选择进行说明，给出了- 个共用离轴三反射光学系统的双通道高光谱成像仪设计结果。

1 应用要求及主要技术指标本推帚式高光谱成像仪要求对 4502500 nm光谱范围内的地物特性进行高光谱成像探测，并开展在水、土、农、林、矿等资源、环境、海洋领域的初步应用。

表 1 主要技术指标Table 1 Primary specifcations4202 设计思想该系统由离轴三反射镜 (TMA)主光学望远系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外 (VISNIR)光谱仪后光学和短波红外 (SwIR)光谱仪后光学组成，光谱仪采用棱镜-全息透射光栅-棱镜 (PGP)分光方式。

2.1 工作原理地物辐射信号经过离轴三反射主光学系统会聚，成像在狭缝平面上，经准直镜、转折镜后，由分色镜分成 VISNIR波段和 SWIR波段。VISNIR波段透射进入 VISNIR通道经 PGP分光后会聚成像到可见近红外探测器上。SWIR 波段透射进入 SWIR通道经PGP分光后会聚成像到短波红外探测器上。

此时，面阵探测器中的-维完成空间成像，称为空间维，另-维完成光谱成像，称为光谱维，再经由平台向前 (Y方向)运动而完成大范围的推帚成像，如图 1。

2.2 离轴三反系统离轴三反射镜 (TMA)望远系统采用视场离轴的三反系统lU-u，TMA系统根据离轴方式不同分为光阑离轴和视场离轴两种类型。光阑离轴的 TMA系统，孔径光阑在主镜上，-般有中间像面，光学系统很不对称，所以视城不能做太大。视场离轴的三反系统，孔径光阑放在次镜上，使光学系统比较对称，视城可以设计成很大，成像质量好，并且容易实现像方远心。因此根据高光谱成像仪的望远系统的特点，选择视场离轴的 TMA系统作为其飞行方向图 1 推帚式成像光谱仪原理图 Fig.1 Sketch ofpushbroom imaging spectrometer第35卷 第7期2013年 7月红 外 技 术Infrared Technology、，01.35 No.7July 20134 结束语设计了-种由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成的成像光谱仪光学系统。该光学系统使用的长线性大视场的离轴三反射镜望远物镜能够完善成像，效率高，无色差；VISNIR通道和 SWIR通道共用离轴三反射主光学系统、狭缝及转折镜、准直镜和分色镜，系统结构紧凑，方便构型布局；双通道光谱仪均采用 PGP分光组件分光，利用棱镜分光光谱向短波方向弯曲而光栅分光光谱向长波方向弯曲，相互补偿光谱仪的光谱弯曲，使得 VISNIR通道光谱仪和 SWIR通道光谱仪的光谱弯曲均控制在 2 gm 以内，可以更准确地获取成像光谱仪的光谱信息；对平台要求低，适用于大视惩精细分光的推帚式光谱成像系统。该类系统在航空遥感应用领域具有-定优势。