CN105181137A - 用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统 - Google Patents

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用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，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波段窄、谱段数少、观测光谱不连续、光谱分辨率低的问题。该系统包括主镜、次镜、入射狭缝、楔形分色片、第一VNIR反射镜、VNIR凸面光栅、第二VNIR反射镜、VNIR平面转折镜、VNIR级次选择滤光片、VNIR焦平面探测器、第一IR反射镜、IR凸面光栅、第二IR反射镜、IR级次选择滤光片和IR焦平面探测器。本发明利用月球相对地球的运动，调整转台的角度实现对整个月球圆盘的宽波段、高分辨率扫描观测。本发明利用楔形分色片实现可见近红外波段和红外波段同时探测，波段宽，谱段数增加，观测光谱连续，光谱分辨率和光谱纯度高。

Description

用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统
技术领域
本发明涉及成像光谱技术和辐射定标技术领域，具体涉及一种用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统。
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波段窄、谱段数少、观测光谱不连续、光谱分辨率低的问题，本发明提出一种用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，安装在二维跟踪转台上，包括：主镜、次镜、入射狭缝、楔形分色片、第一VNIR反射镜、VNIR凸面光栅、第二VNIR反射镜、VNIR平面转折镜、VNIR级次选择滤光片、VNIR焦平面探测器、第一IR反射镜、IR凸面光栅、第二IR反射镜、IR级次选择滤光片和IR焦平面探测器；
调整二维跟踪转台使宽波段高光谱分辨率成像系统的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经主镜和次镜反射聚焦后成像在入射狭缝上，形成狭缝像；
从入射狭缝出射的可见近红外波段的光束依次经楔形分色片反射、第一VNIR反射镜反射、VNIR凸面光栅色散后、第二VNIR反射镜聚焦、VNIR平面转折镜折转、VNIR级次选择滤光片滤光后分波长聚焦成像在VNIR焦平面探测器上；
从入射狭缝出射的红外波段的光束依次经楔形分色片透射、第一IR反射镜反射、IR凸面光栅色散后、第二IR反射镜聚焦、IR级次选择滤光片滤光后分波长聚焦成像在IR焦平面探测器上；
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宽波段高光谱分辨率成像系统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宽波段、高光谱分辨率扫描观测。
进一步的，所述主镜的二次曲面系数K1满足：-1≤K1≤-1.5；所述次镜的二次曲面系数K2满足：-1.5≤K2≤-5；所述次镜对主镜的遮拦比小于30％。
进一步的，所述入射狭缝为弯曲狭缝，所述入射狭缝的安装面为柱面，所述入射狭缝的安装面的旋转轴垂直于入射狭缝长度方向，所述入射狭缝的安装面的曲率半径R3满足：50mm≤R3≤100mm。
进一步的，所述楔形分色片采用ZnSe材料制成，其楔角β满足：0.15≤β≤0.3；宽波段高光谱分辨率成像系统的工作波段利用楔形分色片分为可见近红外波段和红外波段，视场角FOV满足：1.2≤FOV≤1.6，焦距f满足：460mm≤f≤560mm，相对孔径D/f满足：1/5≤D/f≤1/3。
进一步的，所述VNIR凸面光栅分为A区和B区，A区和B区的闪耀波长不同，A区用于提高短波的衍射效率，B区用于提高长波的衍射效率，A区的面积SA和B区的面积SB满足：1.2SA≤SB≤1.5SA。
进一步的，所述VNIR级次选择滤光片在光谱维方向分为E区和F区，E区和F区均镀有带通滤光片膜，E区的透射波段为350～700nm，F区的透射波段为700～1050nm。
进一步的，所述IR凸面光栅分为C区和D区，C区和D区的闪耀波长不同，C区用于提高短波的衍射效率，D区用于提高长波的衍射效率，C区的面积SC和D区的面积SD满足：2SC≤SD≤2.5SC。
进一步的，所述IR级次选择滤光片在光谱维方向分为G区、H区和I区，G区和H区均镀有带通滤光片膜，I区镀有线性渐变膜，G区的透射波段为1000～2000nm，H区的透射波段为2000～3000nm，I区线性渐变波段为3000～3500nm。
进一步的，所述VNIR焦平面探测器采用激光辐照可见光面阵Si-CCD探测器。
进一步的，所述IR焦平面探测器采用HgCdTe红外探测器。
进一步的，所述第一VNIR反射镜和第二VNIR反射镜的表面均为扁椭球面。
进一步的，所述第一IR反射镜的表面为球面。
进一步的，所述第二IR反射镜的表面为高次非球面。
进一步的，所述入射狭缝、楔形分色片、第一VNIR反射镜、VNIR凸面光栅、第二VNIR反射镜、VNIR平面转折镜、VNIR级次选择滤光片和VNIR焦平面探测器组成可见近红外光谱成像系统，所述可见近红外光谱成像系统的变倍比β1满足：0.98≤β1≤1.02；
所述入射狭缝、楔形分色片、第一IR反射镜、IR凸面光栅、第二IR反射镜、IR级次选择滤光片和IR焦平面探测器组成红外光谱成像系统，所述红外光谱成像系统的变倍比β2满足：0.98≤β2≤1.02；
所述入射狭缝和楔形分色片为可见近红外光谱成像系统和红外光谱成像系统共用部分。
本发明的有益效果是：
本发明利用月球相对地球的运动对整个月球圆盘扫描观测拼接得到完整的月球宽波段连续高光谱辐射数据。观测开始时，本发明的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经同轴两反望远镜成像在入射狭缝上，从入射狭缝出射的可见近红外波段和红外波段的光束分别经可见近红外光谱成像系统和红外光谱成像系统分别成像在VNIR焦平面探测器和IR焦平面探测器上。
本发明利用楔形分色片实现可见近红外波段和红外波段同时探测，波段宽；可见近红外光谱成像系统和红外光谱成像系统分别采用VNIR凸面光栅和IR凸面光栅作为色散元件来获得高光谱分辨率，VNIR凸面光栅和IR凸面光栅均为分区光栅，可以提高整个工作波段的衍射效率，从而提高了整个系统的探测灵敏度和信噪比。VNIR级次选择滤光片和IR级次选择滤光片均采用分区镀膜方法，可以有效地降低光谱杂光，提高光谱纯度。
附图说明
图1为本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统的结构组成示意图。
图2为本发明中的VNIR凸面光栅的分区示意图。
图3为本发明中的IR凸面光栅的分区示意图。
图4为本发明中的楔形分色片的结构示意图。
图5为本发明中的VNIR级次选择滤光片的分区示意图。
图6为本发明中的IR级次选择滤光片的分区示意图。
图7为本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统对月球进行扫描观测的原理示意图。
图中：1、主镜，2、次镜，3、入射狭缝，4、楔形分色片，5、第一VNIR反射镜，6、VNIR凸面光栅，7、第二VNIR反射镜，8、VNIR平面转折镜，9、VNIR级次选择滤光片，10、VNIR焦平面探测器，11、第一IR反射镜，12、IR凸面光栅，13、第二IR反射镜，14、IR级次选择滤光片，15、IR焦平面探测器，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做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，主要包括同轴两反望远镜、可见近红外(VNIR)光谱成像系统和红外(IR)光谱成像系统。
所说的同轴两反望远镜由主镜1和次镜2组成。主镜1的二次曲面系数K1满足：-1≤K1≤-1.5，K1最好为-1.05；次镜2的二次曲面系数K2满足：-1.5≤K2≤-5，K2最好为-3.61；次镜2对主镜1的遮拦比小于30％。
所说的可见近红外光谱成像系统的变倍比β1满足：0.98≤β1≤1.02。可见近红外光谱成像系统由入射狭缝3、楔形分色片4、第一VNIR反射镜5、VNIR凸面光栅6、第二VNIR反射镜7、VNIR平面转折镜8、VNIR级次选择滤光片9和VNIR焦平面探测器10组成。
所说的红外光谱成像系统的变倍比β2满足：0.98≤β2≤1.02。红外光谱成像系统由入射狭缝3、楔形分色片4、第一IR反射镜11、IR凸面光栅12、第二IR反射镜13、IR级次选择滤光片14和IR焦平面探测器15组成。其中，入射狭缝3和楔形分色片4为可见近红外光谱成像系统和红外光谱成像系统共用部分。
所说的入射狭缝3为弯曲狭缝，入射狭缝3的安装面为柱面，入射狭缝3的安装面的旋转轴垂直于入射狭缝3长度方向，入射狭缝3的安装面的曲率半径R3满足：50mm≤R3≤100mm，R3最好为76mm。
所说的楔形分色片4采用ZnSe材料制成，反射可见近红外波段的光束进入可见近红外光谱成像系统，透射红外波段的光束进入红外光谱成像系统。如图4所示，楔形分色片4的楔角β(即楔形分色片4的第一工作表面a和第二工作表面b的夹角)满足：0.15≤β≤0.3，β最好为0.21。红外波段的光束透过楔形分色片4时，一部分光束会在其第一工作表面a和第二工作表面b之间形成多次反射，楔形分色片4的楔角可使多次反射光不进入成像光路，从而避免了多次反射现像的产生。
如图2所示，VNIR凸面光栅6分为A区和B区两个区域，A区和B区的闪耀波长不同，A区用于提高短波的衍射效率，B区用于提高长波的衍射效率，A区的面积SA和B区的面积SB满足：1.2SA≤SB≤1.5SA。
如图5所示，VNIR级次选择滤光片9在光谱维方向分为E区和F区两个区域，E区和F区均镀有带通滤光片膜，E区的透射波段为350～700nm，F区的透射波段为700～1050nm。
如图3所示，IR凸面光栅12分为C区和D区两个区域，C区和D区的闪耀波长不同，C区用于提高短波的衍射效率，D区用于提高长波的衍射效率，C区的面积SC和D区的面积SD满足：2SC≤SD≤2.5SC。
如图6所示，IR级次选择滤光片14在光谱维方向分为G区、H区和I区三个区域，，G区和H区均镀有带通滤光片膜，I区镀有线性渐变膜，G区的透射波段为1000～2000nm，H区的透射波段为2000～3000nm，I区线性渐变波段为3000～3500nm。
第一VNIR反射镜5和第二VNIR反射镜7的表面均为扁椭球面。第一IR反射镜11的表面为球面。第二IR反射镜13的表面为高次非球面。
VNIR焦平面探测器10采用激光辐照可见光面阵Si-CCD探测器。
IR焦平面探测器15采用HgCdTe(碲镉汞)红外探测器。
本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统的工作波段分为可见近红外波段(350～1050nm)和红外波段(1000～3500nm)，视场角FOV满足：1.2≤FOV≤1.6，视场角FOV最好为1.5，焦距f满足：460mm≤f≤560mm，相对孔径D/f满足：1/5≤D/f≤1/3，优选的，焦距f为500mm，入瞳直径D为125mm，相对孔径D/f为1/4。
本发明的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统安装在二维跟踪转台上，二维跟踪转台采用赤道仪，二维跟踪转台的跟踪精度为0.02，本发明利用月球相对地球的运动实现对月球圆盘进行宽波段、高光谱分辨率的扫描观测。
如图7所示，首先，调整二维跟踪转台的俯仰和方位角度，使本发明的宽波段高光谱分辨率成像系统的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经同轴两反望远镜中的主镜1和次镜2反射聚焦后成像在入射狭缝3上，形成狭缝像。
从入射狭缝3出射的可见近红外波段的光束经过楔形分色片4的第一工作表面a反射后入射到第一VNIR反射镜5上，经过第一VNIR反射镜5反射后入射到VNIR凸面光栅6上，经过VNIR凸面光栅6色散后入射到第二VNIR反射镜7上，经过第二VNIR反射镜7聚焦到VNIR平面转折镜8上，经过VNIR平面转折镜8折转再经过VNIR级次选择滤光片9滤光后分波长(E区的透射波段为350～700nm，F区的透射波段为700～1050nm)聚焦成像在VNIR焦平面探测器10上。
从入射狭缝3出射的红外波段的光束经过楔形分色片4的第一工作表面a和第二工作表面b透射后入射到第一IR反射镜11上，经过第一IR反射镜11反射后入射到IR凸面光栅12上，经过IR凸面光栅12色散后入射到第二IR反射镜13上，经过第二IR反射镜13聚焦再经过IR级次选择滤光片14滤光后分波长(G区的透射波段为1000～2000nm，H区的透射波段为2000～3000nm，I区线性渐变波段为3000～3500nm。)聚焦成像在IR焦平面探测器15上。
利用二维跟踪转台使本发明的宽波段高光谱分辨率成像系统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，使本发明的宽波段高光谱分辨率成像系统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宽波段、高光谱分辨率扫描观测。

Claims (10)

1.用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，安装在二维跟踪转台上，其特征在于，包括：主镜(1)、次镜(2)、入射狭缝(3)、楔形分色片(4)、第一VNIR反射镜(5)、VNIR凸面光栅(6)、第二VNIR反射镜(7)、VNIR平面转折镜(8)、VNIR级次选择滤光片(9)、VNIR焦平面探测器(10)、第一IR反射镜(11)、IR凸面光栅(12)、第二IR反射镜(13)、IR级次选择滤光片(14)和IR焦平面探测器(15)；
调整二维跟踪转台使宽波段高光谱分辨率成像系统的视轴对准月球圆盘的右边缘，月球圆盘的一个条带经主镜(1)和次镜(2)反射聚焦后成像在入射狭缝(3)上，形成狭缝像；
从入射狭缝(3)出射的可见近红外波段的光束依次经楔形分色片(4)反射、第一VNIR反射镜(5)反射、VNIR凸面光栅(6)色散后、第二VNIR反射镜(7)聚焦、VNIR平面转折镜(8)折转、VNIR级次选择滤光片(9)滤光后分波长聚焦成像在VNIR焦平面探测器(10)上；
从入射狭缝(3)出射的红外波段的光束依次经楔形分色片(4)透射、第一IR反射镜(11)反射、IR凸面光栅(12)色散后、第二IR反射镜(13)聚焦、IR级次选择滤光片(14)滤光后分波长聚焦成像在IR焦平面探测器(15)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宽波段高光谱分辨率成像系统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宽波段、高光谱分辨率扫描观测。
2.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述主镜(1)的二次曲面系数K1满足：-1≤K1≤-1.5；所述次镜(2)的二次曲面系数K2满足：-1.5≤K2≤-5；所述次镜(2)对主镜(1)的遮拦比小于30％。
3.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述入射狭缝(3)为弯曲狭缝，所述入射狭缝(3)的安装面为柱面，所述入射狭缝(3)的安装面的旋转轴垂直于入射狭缝(3)长度方向，所述入射狭缝(3)的安装面的曲率半径R3满足：50mm≤R3≤100mm。
4.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述楔形分色片(4)采用ZnSe材料制成，其楔角β满足：0.15≤β≤0.3；宽波段高光谱分辨率成像系统的工作波段利用楔形分色片(4)分为可见近红外波段和红外波段，视场角FOV满足：1.2≤FOV≤1.6，焦距f满足：460mm≤f≤560mm，相对孔径D/f满足：1/5≤D/f≤1/3。
5.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述VNIR凸面光栅(6)分为A区和B区，A区和B区的闪耀波长不同，A区用于提高短波的衍射效率，B区用于提高长波的衍射效率，A区的面积SA和B区的面积SB满足：1.2SA≤SB≤1.5SA。
6.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述VNIR级次选择滤光片(9)在光谱维方向分为E区和F区，E区和F区均镀有带通滤光片膜，E区的透射波段为350～700nm，F区的透射波段为700～1050nm。
7.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述IR凸面光栅(12)分为C区和D区，C区和D区的闪耀波长不同，C区用于提高短波的衍射效率，D区用于提高长波的衍射效率，C区的面积SC和D区的面积SD满足：2SC≤SD≤2.5SC。
8.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述IR级次选择滤光片(14)在光谱维方向分为G区、H区和I区，G区和H区均镀有带通滤光片膜，I区镀有线性渐变膜，G区的透射波段为1000～2000nm，H区的透射波段为2000～3000nm，I区线性渐变波段为3000～3500nm。
9.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述VNIR焦平面探测器(10)采用可见光面阵Si-CCD探测器，所述IR焦平面探测器(15)采用HgCdTe红外探测器；所述第一VNIR反射镜(5)和第二VNIR反射镜(7)的表面均为扁椭球面，所述第一IR反射镜(11)的表面为球面，所述第二IR反射镜(13)的表面为高次非球面。
10.根据权利要求1所述的用于地基对月观测的宽波段高光谱分辨率成像系统，其特征在于，所述入射狭缝(3)、楔形分色片(4)、第一VNIR反射镜(5)、VNIR凸面光栅(6)、第二VNIR反射镜(7)、VNIR平面转折镜(8)、VNIR级次选择滤光片(9)和VNIR焦平面探测器(10)组成可见近红外光谱成像系统，所述可见近红外光谱成像系统的变倍比β1满足：0.98≤β1≤1.02；
所述入射狭缝(3)、楔形分色片(4)、第一IR反射镜(11)、IR凸面光栅(12)、第二IR反射镜(13)、IR级次选择滤光片(14)和IR焦平面探测器(15)组成红外光谱成像系统，所述红外光谱成像系统的变倍比β2满足：0.98≤β2≤1.02；
所述入射狭缝(3)和楔形分色片(4)为可见近红外光谱成像系统和红外光谱成像系统共用部分。
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