CN105136294A - 地基可见高光谱分辨率月球观测系统 - Google Patents
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Abstract
地基可见高光谱分辨率月球观测系统，涉及成像光谱技术和辐射定标领域，解决了现有采用滤光片型光谱成像仪的地基对月观测系统存在的观测光谱不连续且光谱分辨率低的问题。该系统包括视轴一致的月球跟踪成像仪和可见高光谱成像仪，所述可见高光谱成像仪由望远镜、位于望远镜焦面上的入射狭缝、分波段衰减滤光片、平面转折镜、离轴椭球面准直镜、色散棱镜、离轴双曲面成像镜和面阵CCD探测器组成；从入射狭缝出射的光束依次经分波段衰减滤光片调节光强、平面折转镜折转、离轴椭球面准直镜准直、色散棱镜色散后，再经离轴双曲面成像镜按照不同波长聚焦成像在面阵CCD探测器上。本发明观测光谱连续，光谱分辨率和光谱成像质量高。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术和辐射定标技术领域，具体涉及一种地基可见高光谱分辨率月球观测系统。
背景技术
定量化遥感是大气、海洋等遥感领域发展的重点方向。对空间遥感器定标是遥感信息定量化的前提，遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于遥感器的定标准确度。同时定标后的数据不依赖于遥感器的数据，其辐射值仍保持着目标结构和成分的物理信息。如果可以利用一个合适的辐射特性已知的天然星体，则是一个非常有价值的定标源。月球是唯一一个包含在地球轨道上绝大多数成像光谱仪动态范围内的天然星体，被称作“solardiffuser”，月球表面有极好的辐射稳定性，一旦准确地确定出月球光谱辐射亮度随相位角和天平动角的变化关系，就可以将月球用作空间遥感器的长期定标源。
目前国内外都建立了相关的地基对月观测系统，但是主要都集中在滤光片型光谱成像仪。滤光片型成像仪是通过旋转滤光片轮切换不同的滤光片进入光路来实现不同谱段的光谱测量，由于滤光片型成像光谱仪的工作原理所致，其一般只有几个谱段。因此，采用滤光片型成像光谱仪的地基对月观测系统只能得到几个离散谱段的月球光谱图像数据，不能得到月球的高光谱分辨率的连续光谱图像数据，也就不能通过计算获得月球的连续光谱辐射亮度信息，而月球若用作空间遥感器的长期定标源是需要获取月球的宽波段连续高光谱辐射数据，并且这种采用滤光片型光谱成像仪的地基对月观测系统受滤光片带宽的限制光谱分辨率较低，无法满足地基对月观测时的宽波段高光谱分辨率的要求。
发明内容
为了解决现有采用滤光片型光谱成像仪的地基对月观测系统存在的观测光谱不连续且光谱分辨率低的问题，本发明提出一种地基可见高光谱分辨率月球观测系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，安装在二维跟踪转台上，包括视轴一致的月球跟踪成像仪和可见高光谱成像仪，所述可见高光谱成像仪由望远镜、位于望远镜焦面上的入射狭缝、分波段衰减滤光片、平面转折镜、离轴椭球面准直镜、色散棱镜、离轴双曲面成像镜和面阵CCD探测器组成；
先粗调二维跟踪转台使月球跟踪成像仪对月球进行粗跟踪同时捕获月球图像，再精调二维跟踪转台使可见高光谱成像仪的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经望远镜成像在入射狭缝上，形成狭缝像；从入射狭缝出射的光束依次经分波段衰减滤光片调节光强、平面折转镜折转、离轴椭球面准直镜准直、色散棱镜色散后，再经离轴双曲面成像镜按照不同波长聚焦成像在面阵CCD探测器上；
当狭缝像从月球圆盘的右边缘扫描至左边缘时，完成对月球圆盘的一次扫描；再次调整二维跟踪转台使可见高光谱成像仪的视轴重新对准月球圆盘的右边缘，重新开始下一次的扫描观测，依次循环往复，实现对整个月球圆盘的高光谱分辨率扫描观测。
进一步的，所述望远镜为透射式像方远心系统，焦距ft满足：230mm≤ft≤260mm，相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5。
进一步的，所述望远镜的组成透镜片数Nt满足：5≤Nt≤10。
进一步的，所述望远镜由无焦平板透镜、第一双凸正透镜、第一双凹负透镜、第二双凸正透镜、第一凹凸负透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜和第二凹凸负透镜组成；所述无焦平板透镜的材料为H-K9L，所述第一双凸正透镜的材料为H-ZBaF3，所述第一双凹负透镜的材料为ZF3，所述第二双凸正透镜、所述第二双凹负透镜和第二凹凸负透镜的材料均为ZF7，所述第一凹凸负透镜的材料为H-QK3L，所述第三双凸正透镜的材料为H-ZK10。
进一步的，所述离轴椭球面准直镜的二次曲面系数k1满足：-0.9≤k1≤-0.6，离轴量h1满足：60≤h1≤70。
进一步的，所述离轴双曲面成像镜的二次曲面系数k2满足：-1.7≤k2≤-1.4，离轴量h2满足：24≤h2≤30。
进一步的，所述离轴椭球面准直镜二次曲面的曲率半径r1与离轴双曲面成像镜二次曲面的曲率半径r2满足：0.85r1≤r2≤1.1r1。
进一步的，所述色散棱镜具有两个工作表面，分别为第一工作表面和第二工作表面，所述第一工作表面为透射面，所述第二工作表面为内反射面，所述第一工作表面与第二工作表面之间的夹角α满足：20≤α≤30。
进一步的，所述色散棱镜采用熔石英透镜。
进一步的，所述月球跟踪成像仪的视场角FOV2满足：25≤FOV2≤35，焦距f2满足：300mm≤f2≤400mm，相对孔径D2/f2满足：1/5≤D2/f2≤1/3。
进一步的，所述可见高光谱成像仪的工作波段为400～1000nm，视场角FOV1满足：1.2≤FOV1≤1.5，焦距f1满足：195mm≤f1≤286mm，相对孔径D1/f1满足：1/8.8≤D1/f1≤1/4。
本发明的有益效果是：
本发明利用月球跟踪成像仪和二维跟踪转台对月球进行粗跟踪同时捕获月球图像，利用月球相对地球的运动同时利用可见高光谱成像仪实现对整个月球圆盘扫描观测拼接得到完整的月球高光谱分辨率连续光谱辐射数据。本发明中，可见高光谱成像仪采用熔石英透镜作为色散元件，在400～1000nm波段具有高透射率，采用离轴椭球面准直镜和离轴双曲面成像镜来保证良好的光谱成像质量，从而获得高光谱分辨率。
附图说明
图1为本发明中的可见高光谱成像仪的结构组成示意图。
图2为本发明中的色散棱镜的结构示意图。
图3为本发明的地基可见高光谱分辨率月球观测系统对月球进行扫描观测的原理示意图。
图中：1、望远镜，1.1、无焦平板透镜，1.2、第一双凸正透镜，1.3、第一双凹负透镜，1.4、第二双凸正透镜，1.5、第一凹凸负透镜，1.6、第二双凹负透镜，1.7、第三双凸正透镜，1.8、第二凹凸负透镜，2、入射狭缝，3、分波段衰减滤光片，4、平面转折镜，5、离轴椭球面准直镜，6、色散棱镜，7、离轴双曲面成像镜，8、面阵CCD探测器，a、第一工作表面，b、第二工作表面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，主要包括月球跟踪成像仪和可见高光谱成像仪。
月球跟踪成像仪的视场角FOV2满足：25≤FOV2≤35，视场角FOV2最好为30；焦距f2满足：300mm≤f3≤400mm；相对孔径D2/f2满足：1/5≤D2/f2≤1/3。优选的，月球跟踪成像仪的焦距f2为350mm，月球跟踪成像仪的入瞳直径D2为87.5mm，月球跟踪成像仪的相对孔径D2/f2为1/4。
本实施方式中，月球跟踪成像仪选用裕众光学有限公司的SkyRover型成像仪。
可见高光谱成像仪的工作波段为400～1000nm；视场角FOV1满足：1.2≤FOV1≤1.5，视场角FOV1最好为1.4；焦距f1满足：195mm≤f1≤286mm；相对孔径D1/f1满足：1/8.8≤D1/f1≤1/4。优选的，可见高光谱成像仪的焦距f1为245mm，可见高光谱成像仪的入瞳直径D1约为40.833mm，可见高光谱成像仪的相对孔径D1/f1为1/6。
如图1所示，可见高光谱成像仪由望远镜1、入射狭缝2、分波段衰减滤光片3、平面转折镜4、离轴椭球面准直镜5、色散棱镜6、离轴双曲面成像镜7和面阵CCD探测器8组成。
望远镜1为透射式像方远心系统，焦距ft满足：230mm≤ft≤260mm，相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5。入射狭缝2位于望远镜1的焦面上。
望远镜1的组成透镜片数Nt满足：5≤Nt≤10。本实施方式中，望远镜1由8片透镜组成，分别为无焦平板透镜1.1、第一双凸正透镜1.2、第一双凹负透镜1.3、第二双凸正透镜1.4、第一凹凸负透镜1.5、第二双凹负透镜1.6、第三双凸正透镜1.7和第二凹凸负透镜1.8。无焦平板透镜1.1的材料为H-K9L，第一双凸正透镜1.2的材料为H-ZBaF3，第一双凹负透镜1.3的材料为ZF3，所述第二双凸正透镜1.4、第二双凹负透镜1.6和第二凹凸负透镜1.8的材料均为ZF7，所述第一凹凸负透镜1.5的材料为H-QK3L，第三双凸正透镜1.7的材料为H-ZK10。
离轴椭球面准直镜5的二次曲面系数k1满足：-0.9≤k1≤-0.6，离轴量h1满足：60≤h1≤70。
离轴双曲面成像镜7的二次曲面系数k2满足：-1.7≤k2≤-1.4，离轴量h2满足：24≤h2≤30。
离轴椭球面准直镜5二次曲面的曲率半径r1与离轴双曲面成像镜7二次曲面的曲率半径r2满足：0.85r1≤r2≤1.1r1。
如图2所示，色散棱镜6的第一工作表面a为透射面，第二工作表面b为内反射面，第一工作表面a与第二工作表面b之间的夹角α满足：20≤α≤30。
本实施方式中，色散棱镜6采用熔石英透镜，使得可见高光谱成像仪在400～1000nm波段具有高透射率。
面阵CCD探测器8的型号为CCD47-20，厂家为英国e2V公司。
本发明的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，安装在二维跟踪转台上，二维跟踪转台采用赤道仪，跟踪精度为0.02。本发明中，月球跟踪成像仪和可见高光谱成像仪都安装在二维跟踪转台上，可见高光谱成像仪的视轴与月球跟踪成像仪的视轴一致，视轴一致性误差小于5角秒，月球跟踪成像仪对月球圆盘捕获跟踪，可见高光谱成像仪利用月球相对地球的运动实现对月球圆盘高光谱分辨率的扫描观测。
如图3所示，首先，粗调二维跟踪转台的俯仰和方位角度，使月球跟踪成像仪对月球进行粗跟踪同时捕获月球图像，然后，精细调节二维跟踪转台的俯仰和方位角度，使可见高光谱成像仪的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经可见高光谱成像仪中的望远镜1成像在入射狭缝2上，形成狭缝像。从入射狭缝2出射的光经过分波段衰减滤光片3调节光强后入射到平面转折镜4上，经过平面折转镜4折转后入射到离轴椭球面准直镜5上，经过离轴椭球面准直镜5准直后入射到色散棱镜6上，经过色散棱镜6色散后的光束再经过离轴双曲面成像镜7按照不同波长聚焦成像在面阵CCD探测器8上。如图1所示，平行于x轴方向的一维为狭缝像的长度方向，平行于y轴方向的一维为光谱色散方向。
利用二维跟踪转台使本发明中的可见高光谱成像仪的视轴预先对准在月球运动轨迹上即月球圆盘的右边缘，等待月球运动至此处并扫描，每隔一定间断的时间改变二维跟踪转台的定位，当狭缝像从月球圆盘的右边缘扫描至左边缘时，完成对月球圆盘的一次扫描；再次调节二维跟踪转台的方位和俯仰角度，使本发明中的可见高光谱成像仪的视轴重新对准月球圆盘的右边缘，重新开始下一次的扫描观测，依次循环往复，实现对整个月球圆盘的高光谱分辨率扫描观测。
Claims (10)
1.地基可见高光谱分辨率月球观测系统，安装在二维跟踪转台上，其特征在于，包括视轴一致的月球跟踪成像仪和可见高光谱成像仪，所述可见高光谱成像仪由望远镜(1)、位于望远镜(1)焦面上的入射狭缝(2)、分波段衰减滤光片(3)、平面转折镜(4)、离轴椭球面准直镜(5)、色散棱镜(6)、离轴双曲面成像镜(7)和面阵CCD探测器(8)组成；
先粗调二维跟踪转台使月球跟踪成像仪对月球进行粗跟踪同时捕获月球图像，再精调二维跟踪转台使可见高光谱成像仪的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经望远镜(1)成像在入射狭缝(2)上，形成狭缝像；从入射狭缝(2)出射的光束依次经分波段衰减滤光片(3)调节光强、平面折转镜4折转、离轴椭球面准直镜(5)准直、色散棱镜(6)色散后，再经离轴双曲面成像镜(7)按照不同波长聚焦成像在面阵CCD探测器(8)上；
当狭缝像从月球圆盘的右边缘扫描至左边缘时，完成对月球圆盘的一次扫描；再次调整二维跟踪转台使可见高光谱成像仪的视轴重新对准月球圆盘的右边缘，重新开始下一次的扫描观测，依次循环往复，实现对整个月球圆盘的高光谱分辨率扫描观测。
2.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述望远镜(1)为透射式像方远心系统，焦距ft满足：230mm≤ft≤260mm，相对孔径D/ft满足：1/8≤D/ft≤1/5。
3.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述望远镜(1)的组成透镜片数Nt满足：5≤Nt≤10。
4.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述望远镜(1)由无焦平板透镜(1.1)、第一双凸正透镜(1.2)、第一双凹负透镜(1.3)、第二双凸正透镜(1.4)、第一凹凸负透镜(1.5)、第二双凹负透镜(1.6)、第三双凸正透镜(1.7)和第二凹凸负透镜(1.8)组成；所述无焦平板透镜(1.1)的材料为H-K9L，所述第一双凸正透镜(1.2)的材料为H-ZBaF3，所述第一双凹负透镜(1.3)的材料为ZF3，所述第二双凸正透镜(1.4)、所述第二双凹负透镜(1.6)和第二凹凸负透镜(1.8)的材料均为ZF7，所述第一凹凸负透镜(1.5)的材料为H-QK3L，所述第三双凸正透镜(1.7)的材料为H-ZK10。
5.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述离轴椭球面准直镜(5)的二次曲面系数k1满足：-0.9≤k1≤-0.6，离轴量h1满足：60≤h1≤70。
6.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述离轴双曲面成像镜(7)的二次曲面系数k2满足：-1.7≤k2≤-1.4，离轴量h2满足：24≤h2≤30。
7.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述离轴椭球面准直镜(5)二次曲面的曲率半径r1与离轴双曲面成像镜(7)二次曲面的曲率半径r2满足：0.85r1≤r2≤1.1r1。
8.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述色散棱镜(6)具有两个工作表面，分别为第一工作表面(a)和第二工作表面(b)，所述第一工作表面(a)为透射面，所述第二工作表面(b)为内反射面，所述第一工作表面(a)与第二工作表面(b)之间的夹角α满足：20≤α≤30；所述色散棱镜(6)采用熔石英透镜。
9.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述月球跟踪成像仪的视场角FOV2满足：25≤FOV2≤35，焦距f2满足：300mm≤f2≤400mm，相对孔径D2/f2满足：1/5≤D2/f2≤1/3。
10.根据权利要求1所述的地基可见高光谱分辨率月球观测系统，其特征在于，所述可见高光谱成像仪的工作波段为400～1000nm，视场角FOV1满足：1.2≤FOV1≤1.5，焦距f1满足：195mm≤f1≤286mm，相对孔径D1/f1满足：1/8.8≤D1/f1≤1/4。
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