黃明陽(yáng) 李想

摘 要：由兩個(gè)凸光柵成像光譜系統(tǒng)和離軸非球面三反射鏡望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)組成的全反射式高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)，是以小型化與寬波段為出發(fā)點(diǎn)，為了使兩種不同型號(hào)的探測(cè)器得以匹配，該項(xiàng)目將海內(nèi)外優(yōu)秀高光譜星載成像儀納入研究?jī)?nèi)容中，分析對(duì)比了這些儀器的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并對(duì)于其中的主流成像儀光柵色散、傅立葉變換和棱鏡色散的優(yōu)劣點(diǎn)及它們的運(yùn)作原理進(jìn)行了定義，最后通過(guò)調(diào)整兩探測(cè)器的光譜成像系統(tǒng)的變倍比以達(dá)到最終目的。

關(guān)鍵詞：高光譜成像儀；光學(xué)系統(tǒng)；傅立葉變換型

通過(guò)30年的快速發(fā)展，近年來(lái)，光譜成像技術(shù)逐漸進(jìn)入遙感研究界的主流視野當(dāng)中，成為學(xué)術(shù)界的前沿學(xué)科。高光譜分辨率、寬光譜范圍和多樣化的譜段是高光譜數(shù)據(jù)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)源的三大特點(diǎn)，同時(shí)這些特點(diǎn)也為遙感研究提供了更為多元化的研究途徑和更為翔實(shí)的數(shù)據(jù)支持。儀器采用何種光學(xué)系統(tǒng)是研發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要的組成，決定著光學(xué)儀器的質(zhì)量、性能和體積。

1 高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)

光譜成像系統(tǒng)和望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)是構(gòu)成高光譜成像儀的兩個(gè)基石，因?yàn)樵摮上駜x的光學(xué)系統(tǒng)正式通過(guò)兩者得以建立。地物目標(biāo)之能在成像儀上呈現(xiàn)出多個(gè)光譜分辨率的圖像，完全得益于其條帶成像在望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的幫助下，進(jìn)入光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫里，之后色散，由于長(zhǎng)短不一的波長(zhǎng)，便在探測(cè)器的不同位置上成像。

1.1 高聚光力

高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)具有探測(cè)器元件接受能力弱和窄帶寬的局限性，以不改變儀器質(zhì)量、體積和性能的為基本原則，需要在最大程度上擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)口徑，讓光學(xué)系統(tǒng)的能量收集能力得到最好的發(fā)揮。

1.2 高能量利用率

地球表面有限的光輻射能量加上高光譜成像儀多譜段、短帶寬的特點(diǎn)，使得必須最大限度降低進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的能量的衰減。

1.3 高傳遞函數(shù)

在弱光照強(qiáng)度下，只有足夠高的調(diào)制系統(tǒng)傳遞函數(shù)才能保證信噪低的高光譜成像儀對(duì)目標(biāo)物的空間位置有精確的判斷。

2 三種常見分光方法的比較

由于分光法決定著高光譜成像儀的質(zhì)量、體積、性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等特性，分光法當(dāng)之無(wú)愧是高光譜成像儀的要義核心。棱鏡、傅立葉變換光譜儀和光柵色散分光是三個(gè)最具代表性的分光方法，它們是分光方法的基礎(chǔ)。

除了采用不同的分光方式，將質(zhì)量和體積比較接近的高光譜成像儀做比較，很容易發(fā)現(xiàn)它們并沒(méi)有明顯的本質(zhì)上的區(qū)別，其中的任何一方相對(duì)于他者在儀器的性能上都沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。如上文所述，高光譜成像儀采用何種分光方法直接決定著分光系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，對(duì)于所有的高光譜成像儀來(lái)說(shuō)，大體積的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)都是不可缺少的一個(gè)重要組成部分。

經(jīng)過(guò)多番實(shí)驗(yàn)研究，相比于只能完成下傳整體數(shù)據(jù)、無(wú)法直接獲取單通道圖像、難以精確定位目標(biāo)物空間位置的傅立葉傅立葉變換法，有選擇性地下傳數(shù)據(jù)、無(wú)需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可直接選取單通道圖像的棱鏡色散和光柵在各方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

3 小型高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

除了將高光譜成像儀的工作性能納入考慮范圍，星載高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)還須權(quán)衡成像儀的質(zhì)量、體積和工作波長(zhǎng)等內(nèi)容。在研究了發(fā)達(dá)國(guó)家的高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)后，筆者總結(jié)了它們的特點(diǎn)，了解了我國(guó)的高光譜成像儀之所以常常選擇反射式系統(tǒng)，都是因?yàn)槠涞头€(wěn)定性的投射材料。為了改善這一現(xiàn)狀，結(jié)合了我國(guó)現(xiàn)有的光學(xué)加工技術(shù)和工程學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)體積小、全反射式的可運(yùn)用與高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了獲得兩個(gè)不同波段的光譜的焦距，筆者經(jīng)過(guò)多番考量，最終決定通過(guò)改變凸光柵光譜成像系統(tǒng)的放大率這一方法。

不同于COIS和Hyperion這兩種分離法，該系統(tǒng)運(yùn)用的是視場(chǎng)分離法，為了入射光束貝邊緣阻擋，入射的兩束光通過(guò)各自獨(dú)立的狹縫進(jìn)入，通過(guò)刀口反射鏡的切入光束由刀口反射鏡決定切入位置。

4 國(guó)外采用的高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)

隨著科技水平的日新月異，世界各國(guó)都致力于地球以外的空間探索。據(jù)數(shù)據(jù)記載，許多高光譜成像衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)送到太空之中，其中Hyperion、COIS、FTHSI和CHRIS是這些高光譜成像儀衛(wèi)星最常采用的光學(xué)系統(tǒng)，本章節(jié)也是主要研究這三個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

4.1 Hyperion

由美國(guó)TRW公司發(fā)明的Hyperion光學(xué)系統(tǒng)是通過(guò)將目標(biāo)物成像帶投射于鏡片焦面后方的狹縫上，并且運(yùn)用分色濾光片讓光束分別進(jìn)入短紅外波和近紅外的成像系統(tǒng)上，在這兩個(gè)光譜相互交叉重疊時(shí)，它們會(huì)相互定位對(duì)方的具體目標(biāo)位置，然后探測(cè)儀通過(guò)前文提到的光譜圖像顯示的信息，將太空高光譜成像儀衛(wèi)星發(fā)回的地面空間圖合成為高光譜圖像。

4.2 COIS

作為美國(guó)海軍最常用的監(jiān)控衛(wèi)星，它與Hyperion具有相似的配置-兩個(gè)凸光柵光譜儀和大孔徑利州非球面望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)。

4.3 CHRIS

卡式系統(tǒng)構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)是CHRIS有別于其他高光譜測(cè)量?jī)x的主要原因，英國(guó)Sira公司是該系統(tǒng)的研發(fā)者，系統(tǒng)中棱鏡色散光譜成像系統(tǒng)在入射、出射發(fā)散光束的應(yīng)用使得其具有兩個(gè)曲面色散鏡，這樣一來(lái)，CHRIS高光譜測(cè)量?jī)x既擺脫了光柵色散高級(jí)次光譜的干擾，又保證了測(cè)量?jī)x體積的合理性。然而，較大的非線性光譜與光譜不均勻發(fā)分辨率是CHRIS高光譜測(cè)量?jī)x急需解決的燃眉之急。

4.4 FTHSI

唯一一個(gè)利用傅立葉變換技術(shù)的FTHSI高光譜成像儀是由美國(guó)Kestrel公司研制的，它之所以可以把目標(biāo)物的條帶成像投射到焦面狹縫上，是由于其卡式系統(tǒng)構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，狹縫運(yùn)用分束器將穿過(guò)它的光一分為二，通過(guò)二次反射，變成透射和反射兩條光線再次返回分束器合二為一，再投射出去。光線的傳播路徑由于分束器與反射鏡之間的不等距而具有不同的長(zhǎng)度，因此也導(dǎo)致了一個(gè)相干虛物的產(chǎn)生。前面所提到的出射的相干光束通過(guò)柱面鏡和傅立葉透鏡匯合、準(zhǔn)直，然后各個(gè)像元入射到狹縫中長(zhǎng)生的雙光束干涉圖便可被FTHSI高光譜測(cè)量?jī)x的探測(cè)器所接收，在此之后，傅立葉變換和數(shù)字處理會(huì)在數(shù)據(jù)下傳后進(jìn)行，各個(gè)像元的光譜圖便是依據(jù)此原理得來(lái)的。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了分析比較棱鏡、傅立葉變換光譜儀和光柵色散分光這三種主流高光譜分光法，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星高光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)做了詳細(xì)研究分析，從結(jié)果可以看出，Offner光譜成像系統(tǒng)之所以相比較于其他系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的空間應(yīng)用、小體積、輕質(zhì)量和高性能的特點(diǎn)，都得益于其采用的色散元件-凸光柵，該元件的應(yīng)用最大限度縮小了高光譜成像儀的重量和體積，同時(shí)讓系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅度提升，使其更容易適應(yīng)外部的空間環(huán)境，所以該系統(tǒng)是太空衛(wèi)星的最佳系統(tǒng)。

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