CN108709641A - 一种成像光谱仪畸变补偿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光谱仪畸变补偿结构，由畸变望远物镜、曲线狭缝视场光栏和畸变光谱仪组成。视场光栏形状与望远物镜畸变进行匹配设计，采用曲线狭缝；光谱仪也与望远物镜畸变进行匹配设计，引入自由曲面产生等效反向smile畸变。本发明从光学系统角度，根本上解决了直线条带目标弯曲分光成像在探测器多行上的问题，尤其是对于望远物镜焦面上进行多视场拼接的成像光谱仪，极大降低了光谱仪光学装调、系统畸变标定和数据处理的工作量，也避免了图谱融合时使用重采样技术而造成的信息损失。

Description

一种成像光谱仪畸变补偿结构

技术领域

本发明涉及遥感探测领域中的成像光谱仪的光学系统，具体是指一种系统畸变补偿结构，针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪。

背景技术

推帚式色散型成像光谱仪广泛应用于航空航天领域，由望远物镜和光谱仪组成。其光谱仪通常由视场光栏、分光光学和探测器等模块组成，其视场光栏通常是一条或几条直线狭缝。

典型机载星载光谱成像仪器为避免畸变影响，仪器光学系统设计优先考虑从构型选择上对望远物镜和光谱仪进行独立消畸变设计。例如，德国EnMAP成像光谱仪，像方远心离轴TMA望远物镜的畸变极小，光谱仪为准同心Féry棱镜结构，双通道keystone和smile均小于1/5像元。然而，这种设计的前提是系统性能指标和其它约束相对宽松，EnMAP的视场、空间和光谱分辨率均为中等，同时卫星配置的体积重量资源相对宽裕。

机载星载仪器在飞行平台重量体积资源配置稀缺的情况下，光学构型选择会受到限制，像质、畸变、光瞳匹配和结构布局需综合考虑，某些场合望远物镜会存在畸变。例如，2008年发射的印度Chandrayaan-1卫星上的由NASA JPL实验室研制的M3探测仪，优先考虑望远物镜像质和像方空间布局等因素，无法兼顾望远物镜远心和畸变，在对月表几何特征的测绘精度要求不高的情况下，仅光谱仪消畸变设计，而望远物镜存在较大畸变，17.24mm长度狭缝的视场弯曲最大为0.31°，即217μm(约8个像元)。这种畸变表现为直线狭缝单色像成像在探测器的多列上，同一列上每个像元的响应峰值光谱不同，造成目标特征成份识别误差。M3仪器的解决方法是通过实验室定标，结合外场或星上定标，确定探测器像元与探测地元间的精确物像关系，建立畸变修正模型，应用重采样技术进行图谱融合。这种技术必然影响到分辨率和图谱融合精度，适用于仪器空间光谱分辨率设计余量大或对探测目标几何光谱特征识别要求不高的场合。对于基于视场分离技术的宽波段大视场成像光谱仪，多个光谱仪共用单个畸变望远物镜，由于各通道光谱仪输入视场弯曲程度不同，问题更突出。

针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪，本发明提出了一种新的系统畸变补偿结构，能够从根本上消除望远物镜畸变的不利影响，极大降低了光谱仪光学装调、系统畸变标定和数据处理的工作量，也避免了图谱融合时使用重采样技术而造成的信息损失。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪，基于上述已有技术存在的一些问题，本发明提出一种系统畸变补偿结构，对成像光谱仪望远物镜的畸变特性加以利用，调控视场光栏形状来适应望远物镜畸变，对光谱仪引入smile畸变，以实现系统畸变补偿设计，可从光学系统硬件上消除望远物镜畸变的不利影响。

本发明涉及的成像光谱仪系统畸变补偿结构的原理如图1所示。本发明认为畸变望远物镜1的畸变是成像光谱仪系统畸变的一个分量，而系统畸变的另一个分量是畸变光谱仪2的smile畸变，理论上两者能够互补从而实现系统畸变补偿。直线条带的探测目标经畸变望远物镜1弯曲成像，经弯曲狭缝视场光栏2后进入畸变光谱仪3，再经畸变光谱仪3分光成像在探测器4上，探测器光谱维上每一行的准单色像对应一条直线条带的探测目标。

根据畸变望远物镜1的畸变进行视场光栏匹配设计，将视场光栏的形状调控为曲线，其模型示意图如图2所示。曲线狭缝视场光栏2放置于畸变望远物镜1的焦面上，它是推帚式色散型成像光谱仪的核心组件之一，曲线模型拟合精度要求远优于十分之一像元，达到亚微米甚至纳米量级。目前MEMS技术水平可以实现高精度弧度图案制作，制作精度要求微米甚至亚微米量级，可以用来制作曲线狭缝以匹配望远物镜畸变。

根据望远物镜的畸变进行光谱仪匹配设计，考虑自由曲面面型变量多，像差平衡能力强，可以通过引入自由曲面面型来调控光谱仪产生等效反向畸变。自由曲面可以选用扩展多项式面型，也可以选用泽尼克多项式等其它面型。如图3所示，是一种基于平面光栅和自由曲面的系统畸变补偿成像光谱仪光路示意图。

本发明的优点是：将望远物镜的畸变校正设计难度转移到了视场光栏和光谱仪设计上，比起定标结合数据处理的通用方法，降低了光学装调、实验室定标和机上星上定标、数据处理的难度和工作量，也避免了图谱融合时使用重采样技术而造成的信息损失；尤其是对于望远物镜焦面上进行多模块多视场拼接的成像光谱仪，极大降低了上述工作的难度和体量。该发明的思路同样适用于光谱仪全光谱有共同分量的smile畸变的成像光谱仪中，用望远物镜和视场光栏对光谱仪畸变进行匹配设计，通过等效反向的望远物镜畸变去补偿光谱仪smile畸变。

附图说明

图1为成像光谱仪系统畸变补偿原理图，

图中：

1为畸变望远物镜；

2为曲线狭缝视场光栏；

3为畸变光谱仪；

4为探测器。

图2为视场光栏曲线模型。

图3为系统畸变补偿成像光谱仪光路示意图。

具体实施方式

成像光谱仪系统指标：光谱范围为400～1100nm，F数为3.5，视场为14.36°，瞬时视场为0.5mrad，波段数为128个，探测器规模为1024×256，像元为13μm×13μm，2元×2元合并像元使用，合并像元为26μm×26μm，系统畸变1/5像元以内。

望远物镜采用离轴三反TMA，由于体积重量和空间布局的限制，望远物镜设计不能同时兼顾离轴视场角、远心、空间布局等因素。其技术参数为：F数为3.5，视场为14.36°(离轴视场位置为16.6°)，焦距为52mm。设计结果：像方远心，但存在畸变，所用离轴视场的最大畸变为0.157mm。

根据望远物镜的畸变特征，进行了视场光栏的形状调控设计，其曲线模型如图2所示，模型拟合精度优于50nm。

同样，根据望远物镜的畸变特征，如图3所示，光谱仪采用结构简单的基于平面光栅的反射式光路，将探测器直线行对应的曲线狭缝的弯曲量，逆向转化成直线狭缝对应的光谱仪smile畸变量，并控制光谱仪keystone畸变，将分光元件以外的反射镜设置为XY扩展多项式型自由曲面，进行了等效反向畸变光谱仪设计。其技术参数：F数为3.5，狭缝为13.312mm×26μm。设计结果：物方远心，放大倍率为-1，keystone畸变1/5像元以内，smile等效反向畸变偏差1/5像元以内。

望远物镜和光谱仪集成设计后，系统设计结果：全视场全光谱点列图rms小于半个像元；smile畸变和keystone畸变均小于1/5像元。

Claims (1)

1.一种成像光谱仪畸变补偿结构，特征在于：

所述的畸变补偿结构由畸变望远物镜(1)、曲线狭缝视场光栏(2)和畸变光谱仪(3)组成，直线条带的探测目标经畸变望远物镜(1)成像，经曲线狭缝视场光栏(2)后，进入畸变光谱仪(3)，分光成像在探测器(4)上；

所述的曲线狭缝视场光栏(2)的形状与望远物镜畸变进行匹配设计，视场光栏采用曲线狭缝，其曲线模型为畸变望远物镜(1)的畸变模型；曲线模型拟合精度要求远优于十分之一像元；

所述的畸变光谱仪(3)与畸变望远物镜(1)进行匹配设计，引入自由曲面产生等效反向smile畸变，将曲线狭缝视场光栏(2)的单色像无弯曲地落在探测器(4)的直线行上，自由曲面可选用扩展多项式面型，或者泽尼克多项式面型。