CN108801460B - 一种共口径多通道全波段高光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，采用二次视场分离法，通过在主反射镜和次反射镜形成的中间像面上设置轴上视场分离器实现一次视场分离，将不同视场的光线进行分离形成2个视场通道，再经三反射镜反射至离轴视场分离器实现二次视场分离，再次将不同视场的光线进行分离形成6个视场通道，为多个光谱仪模块化对接提供更为充足的布局空间，突破了传统分光器件无法实现全波段高衍射效率分光的限制，满足全波段高光谱成像系统的需求；该系统容易实现大口径设计，进行大视场成像，且结构紧凑，有利于实现全波段高光谱载荷设计的轻小型化。

Description

一种共口径多通道全波段高光谱成像系统

技术领域

本发明涉及遥感成像技术，具体是指一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，可应用于机载或星载的多波段、全波段高光谱对地成像监测。

背景技术

高光谱成像技术是80年代发展起来的遥感技术，与传统的光谱仪不同的是，高光谱成像技术是集成像与光谱于一体(图谱合一)，以纳米级高光谱分辨率，在获取目标二维空间图像信息的同时，同步获取目标的连续精细光谱信息，使空间遥感的探测能力大为提高，可广泛应用于陆地、大气、海洋等观测中。

目前典型高光谱成像系统主要有已发射的美国EO-1卫星搭载的Hyperion(波段范围为0.4～2.5μm)、欧空局PROBA-1卫星搭载的CHRIS(波段范围为0.4～1.05μm)、美国MRO卫星搭载的CRISM(波段范围为0.4～4.05μm)和在研的意大利的PRISM(预计2018年发射，波段范围为0.4～2.5μm)、德国的EnMAP/HIS(预计2018年发射，波段范围为0.42～2.45μm)、加拿大的Hero(预计2020年发射，波段范围为0.42～2.45μm)、美国的HyspIRI(预计2023发射，波段范围为0.38～2.5μm)，国内的高光谱成像系统主要有已发射的HJ-1A卫星搭载的高光谱成像仪(波段范围为0.45～1.05μm)、Spark-01&02卫星搭载的高光谱成像仪(波段范围为0.42～1.0μm)。由此可见，现阶段已投入应用的及在研的高光谱成像系统波段范围仅覆盖可见/近红外和短波红外，均无法获取中长波波段范围的光谱信息。

近年来，遥感探测技术得到了飞速的发展，高光谱遥感成像载荷在目标特征识别方面体现出独特的优势，在地球资源勘探、环境减灾、城市规划、地理测绘、农林资源普查等领域的作用越来越突出。但鉴于不同目标对各个波段电磁波的反射率和发射率存在的差异以及各类用户对目标的光谱信息要求的多样化，单一波段的高光谱成像已经很难满足各种各样的使用需求。在此背景下，对覆盖0.3μm～16μm紫外至甚长波红外多波段甚至全波段无间隔高光谱成像探测系统提出了迫切的需求。

传统的多波段成像系统是将多套单波段光学系统拼接在一起实现多波段成像，称之为分布式成像系统，但由于结构体积庞大，难以实现小型轻量化，机动性能差，因此在很大程度上限制了其应用领域。为了满足日益复杂的应用环境，多波段共口径成像系统便应运而生。

常用多波段共口径成像系统主要包括共用的主光学结构、分光元件及分立的后置光路三部分组成，其中主光学结构有多种实现方式，包括卡塞格林式、离轴三反式或简单的一组透镜等；分光元件包括棱镜、平行平板等；后置光路一般由多个单独的镜头外加能够响应不同波段的探测器组成光谱仪模块。早期的多波段成像光学系统是共用一个主光学系统，将可见和红外光路整合在一个通道里面，利用分光器件实现可见和红外光路分光。但受限于目前分光器件无法实现全波段高衍射效率分光的限制，所以全波段成像系统需要通过多波段光谱仪模块化设计，因此要实现0.3μm～16μm紫外至甚长波红外全波段无间隔高光谱成像探测，其光谱仪至少需分为：全色光谱仪模块、紫外可见近红外光谱仪模块、短波红外光谱仪模块、中波红外光谱仪模块、长波红外光谱仪模块和长波红外光谱仪模块6个模块。但现有主光学结构可布局空间小，均无法满足多光谱仪模块对接的要求，即全波段模块化高光谱仪无法实现工程化应用布局，因此，如何突破主光学结构布局空间小，分光器件无法实现全波段高衍射效率分光的限制，实现全波段高光谱成像，是当前国内外亟待解决的一大技术难题。

发明内容

本发明提出了一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，目的在于解决现阶段全波段高光谱工程化实现中存在的主光学结构布局空间小，无法满足多光谱仪模块对接的问题，采用二次视场分离法，通过在主反射镜和次反射镜形成的中间像面上设置轴上视场分离器实现一次视场分离，将不同视场的光线进行分离形成2个视场通道，再经三反射镜反射至离轴视场分离器实现二次视场分离，再次将不同视场的光线进行分离形成6个视场通道，为多个光谱仪模块化对接提供了更为充足的布局空间，突破了分光器件无法实现全波段高衍射效率分光的限制，满足全波段高光谱成像系统的需求。并结合设计实例证实了该系统的可行性，这对全波段高光谱成像探测的实现具有重大工程应用价值。

为此本发明采用以下技术方案：

一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，如图1所示，包括：

主反射镜1、次反射镜2、第一三反射镜3、第二三反射镜4、轴上视场分离器第一平面反射镜5、轴上视场分离器第二平面发射镜6、第一离轴视场分离器第一平面反射镜7、第一离轴视场分离器第二平面反射镜8、第二离轴视场分离器第一平面反射镜9、第二离轴视场分离器第二平面反射镜10以及光谱仪；所述第一三反射镜3-1和第二三反射镜3-2斜置于主反射镜1和次反射镜2形成的像面的两侧，所述轴上视场分离器第一平面反射镜5和轴上视场分离器第二平面发射镜6位于主反射镜1和次反射镜2形成的中间像面上；所述第一离轴视场分离器第一平面反射镜7和第一离轴视场分离器第二平面反射镜8位于第一三反射镜3形成的最终像面之前，第二离轴视场分离器第一平面反射镜9、第二离轴视场分离器第二平面反射镜10位于第二三反射镜4形成的最终像面之前；

来自物方的光线经主反射镜1进行一次聚光后反射至次反射镜2上，次反射镜2将入射光线反射至中间像面上的轴上视场分离器将不同的光线分离至不同的视场通道，其中紫外到短波红外的光线经过轴上视场分离器第一平面反射镜5反射至第一三反射镜3，中波到长波红外的光线经轴上视场分离器第二平面反射镜6反射至第二三反射镜4；第一三反镜3将紫外到短波红外的光线反射至第一离轴视场分离器将全色光、紫外可见近红外和短波的光线分离至不同的视场通道，其中紫外可见近红外光线经过第一离轴视场分离器第一平面反射镜7反射进入紫外可见近红外光谱仪11，短波光线经过第一离轴视场分离器第二平面反射镜8反射进入短波红外光谱仪12，全色光光线透过第一离轴视场分离器第一平面反射镜7和第一离轴视场分离器第二平面反射镜8组成的狭缝进入可见近红外光谱仪13；第二三反镜4将中波到长波红外的光线反射至第二离轴视场分离器将中波、中长波和长波的光线分离至不同的视场通道，中波光线经过第二离轴视场分离器第一平面反射镜9反射进入中波光谱仪14，长波光线经过第二离轴视场分离器第二平面反射镜10反射进入长波红外光谱仪15，中长波光线透过第二离轴视场分离器第一平面反射镜9和第二离轴视场分离器第二平面反射镜10组成的狭缝进入中长波红外光谱仪16；形成共口径多通道全波段高光谱成像系统。

其中，所述主反射镜1为凹的轴非球面反射镜。

其中，所述次反射镜2为标准二次曲面的凸反射镜。

其中，所述第一三反射镜3和第二三反射镜4为非球面反射镜。

本发明的光学系统的优点在于：

1)通过视场二次分离实现了视场大间隔分离，为多个光谱仪模块成像中继提供了足够的布局空间；

2)光学共口径设计，结构紧凑，有利于实现全波段载荷设计轻小型化，同时可保证全波段成像探测具有一致的分辨能力；

3)该系统容易实现相对大口径设计，有助于大幅提升系统集光能力；

4)针对现有高光谱载荷研制水平，为全波段高光谱成像载荷工程实现提供了一种新颖的的解决方案。

附图说明

图1为本发明一种共口径多通道全波段高光谱成像系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。

根据本发明所述的基于二次视场分离的共口径多通道成像系统设计了一套星载推扫式紫外至甚长波红外高光谱成像仪系统，像质接近衍射极限，考虑到光谱仪与主光学分别为模块化理想成像模块，仅通过简单对接便可以实现系统集成，所以实例指标只列出主光学系统设计指标，具体技术指标如下：

轨道高度：500km

光谱范围：全色0.45μm～0.8μm；紫外可见近红外0.3μm～0.9μm；短波红外0.9μm～3.0μm；中波红外3.0μm～5.5μm；中长波红外5.5μm～12.0μm；长波红外12.0μm～16.0μm

望远镜通光口径：450mm

相对口径：1:3.47

焦距：1562.5mm

推扫视场：±0.6°

具体设计参数如表1所示。

表1

d1:主反射镜(1)距离次反射镜(2)的距离；

d2:次反射镜(2)到轴上视场分离器第一平面反射镜(5)的距离；

d3:次反射镜(2)到轴上视场分离器第二平面反射镜(6)的距离；

d4:轴上视场分离器第一平面反射镜(5)到第一三反射镜(3)的距离；

d5:轴上视场分离器第二平面反射镜(6)到第二三反射镜(4)的距离；

d6：第一三反射镜(3)到第一离轴视场分离器第一平面反射镜(7)的距离；

d7：第二三反射镜(4)到第一离轴视场分离器第二平面反射镜(8)的距离；

d8：第一三反射镜(3)到第二离轴视场分离器第一平面反射镜(9)的距离；

d9：第二三反射镜(4)到第二离轴视场分离器第二平面反射镜(10)的距离；

R1：主镜(1)的曲率半径；

R2：次镜(2)的曲率半径；

R3：第一三反射镜(3)的曲率半径；

R4：第二三反射镜(4)的曲率半径；

选用的光谱仪指标如下：

经过仿真实验结果表明，各波长在耐奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射极限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，包括主反射镜(1)、次反射镜(2)、第一三反射镜(3)、第二三反射镜(4)、轴上视场分离器第一平面反射镜(5)、轴上视场分离器第二平面发射镜(6)、第一离轴视场分离器第一平面反射镜(7)、第一离轴视场分离器第二平面反射镜(8)、第二离轴视场分离器第一平面反射镜(9)、第二离轴视场分离器第二平面反射镜(10)以及光谱仪；其特征在于，

所述第一三反射镜(3)和第二三反射镜(4)斜置于主反射镜(1)和次反射镜(2)形成的像面的两侧，所述轴上视场分离器第一平面反射镜(5)和轴上视场分离器第二平面发射镜(6)位于主反射镜(1)和次反射镜(2)形成的中间像面上；所述第一离轴视场分离器第一平面反射镜(7)和第一离轴视场分离器第二平面反射镜(8)位于第一三反射镜(3)形成的最终像面之前，第二离轴视场分离器第一平面反射镜(9)、第二离轴视场分离器第二平面反射镜(10)位于第二三反射镜(4)形成的最终像面之前；

来自物方的光线经主反射镜(1)进行一次聚光后反射至次反射镜(2)上，次反射镜(2)将入射光线反射至中间像面上的轴上视场分离器将不同的光线分离至不同的视场通道，其中紫外到短波红外的光线经过轴上视场分离器第一平面反射镜(5)反射至第一三反射镜(3)，中波到长波红外的光线经轴上视场分离器第二平面反射镜(6)反射至第二三反射镜(4)；第一三反镜(3)将紫外到短波红外的光线反射至第一离轴视场分离器将全色光、紫外可见近红外和短波的光线分离至不同的视场通道，其中紫外可见近红外光线经过第一离轴视场分离器第一平面反射镜(7)反射进入紫外可见近红外光谱仪(11)，短波光线经过第一离轴视场分离器第二平面反射镜(8)反射进入短波红外光谱仪(12)，全色光光线透过第一离轴视场分离器第一平面反射镜(7)和第一离轴视场分离器第二平面反射镜(8)组成的狭缝进入可见近红外光谱仪(13)；第二三反镜(4)将中波到长波红外的光线反射至第二离轴视场分离器将中波、中长波和长波的光线分离至不同的视场通道，中波光线经过第二离轴视场分离器第一平面反射镜(9)反射进入中波光谱仪(14)，长波光线经过第二离轴视场分离器第二平面反射镜(10)反射进入长波红外光谱仪(15)，中长波光线透过第二离轴视场分离器第一平面反射镜(9)和第二离轴视场分离器第二平面反射镜(10)组成的狭缝进入中长波红外光谱仪(16)；形成共口径多通道全波段高光谱成像系统。

2.根据权利要求1的一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，其特征在于，所述的主反射镜(1)为凹的离轴非球面反射镜。

3.根据权利要求1的一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，其特征在于，所述的次反射镜(2)为标准二次曲面的凸反射镜。

4.根据权利要求1的一种共口径多通道全波段高光谱成像系统，其特征在于，所述的第一三反射镜(3)和第二三反射镜(4)为非球面反射镜。

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