CN110887565B - 一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法。该系统采用级联式光学成像结构，由初级同心球透镜、次级中继转像微透镜组和三级同心分光成像透镜组构成，初级和三级系统分别位于孔径光栏两侧；初级同心球透镜采用四片式同心不对称结构，次级中继转像微透镜组采用改进的匹兹伐结构，三级同心分光成像透镜组采用同心全反射结构；初级、次级系统可独立地消除自身大部分几何像差，再经整体联合优化，可进一步平衡残余像差；三级系统集成于一块光学玻璃基底上，提高了系统的稳定性，适合于批量生产。本发明提供的光谱成像系统克服了视场与狭缝长度相互制约问题，实现了超大视场分光成像，且系统集光本领强、稳定性高、成像性能优。

Description

一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种用于精细光谱分析的光学系统及其成像方法，特别涉及一种采用级联式光学成像结构的、易于加工的、大视场的、推扫式机载高光谱成像系统其成像方法。

背景技术

成像光谱的概念是美国喷气推进实验室（JPL）首先提出的。它是遥感器技术发展过程中的一次革命性的飞跃，将当代光谱遥感技术带到了最前沿。高光谱成像是指光谱分辨率达到纳米数量级的成像光谱技术，是始于20世纪80年代初的新型遥感技术，可同时获取目标物的光谱信息和两维空间信息，具有图谱合一的优点，它能够定性和定量地探测目标几何结构及其物化特性，具有特殊的识别能力，是遥感技术发展史上的一次革命性飞跃，且已经成为当代空间对地观测的主要技术手段和遥感领域的研究热点，特别是在军事应用上，该技术能用来识别伪装、检测化武、潜艇及水下危险物体探测等；也可用于环境、生态、作物、灭害、地质、资源、大气等的分析、分类、预报评估等。

为了满足未来定量化国土资源调查、战场环境实时监测、精准农业评估等领域不断提高的应用需求，实现更加精确和快速的遥感探测，获得具有高可靠性与高时效性的光谱图像数据，要求高光谱成像系统不仅具有高的空间分辨率和光谱分辨率、还要同时具有高的时间分辨率。空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率，是衡量高光谱成像系统的重要性能指标，而空间分辨率和时间分辨率随着光学系统视场增大分别下降和提高、是一对相互制约的问题，目前采用的单镜头分光的面阵推扫式高光谱成像系统总视场较小，一般不大于40°，成像范围小，重复成像周期长，时间分辨率低，这意味着遥感作业效率低、成本高。因此，研制成像性能优、稳定性高、光谱分辨率高、易实现、成本低、视场大的高光谱成像系统是十分迫切和具有广泛的应用前景的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、成像性能优、稳定性高、光谱分辨率高、成本低、视场大的高光谱成像系统其成像方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，它为级联式光学成像结构，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜系统、次级中继转像微透镜组、三级同心分光成像透镜组及探测器焦平面，初级同心球透镜系统和三级同心分光成像透镜组分别位于孔径光栏的两侧，所述的高光谱成像系统满足像方远心成像；

所述的初级同心球透镜系统为同心不对称结构，它的焦距f ₁ 为80mm≤f ₁ ≤110mm；光学元件依次为第一片弯月形球面负透镜（11）、第一片平凸球面正透镜（12）、第二片平凸球面正透镜（13），第二片弯月形球面负透镜（14），各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’ ₁₁、f’ ₁₂、f’ ₁₃、f’ ₁₄ ，满足条件 -2.88≤f’ ₁₁≤-2.52、1.02≤f’ ₁₂≤1.13、1.02≤f’ ₁₃≤1.13、-2.88≤f’ ₁₄≤-2.52 ；各透镜材料的折射率依次分别对应为n ₁₁、n ₁₂、n ₁₃、n ₁₄，满足条件1.65≤n ₁₁≤1.90、1.45≤n ₁₂≤2.0、1.45≤n ₁₃≤2.0、1.65≤n ₁₄≤1.90；

所述的次级中继转像微透镜组包括若干子成像系统，单个子成像系统的焦距f ₂ 为25mm≤f ₂ ≤30mm；光学元件依次为第一双凸透镜（21）、第一双胶合透镜组（22）、第二双胶合透镜组（23）、第一弯月形厚透镜（24），第一双胶合透镜组（22）由第二双凸透镜（221）和第二弯月形厚透镜（222），第二双胶合透镜组（23）由弯月型负透镜（231）和第三双凸透镜（232）构成；各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’ ₂₁、f’ ₂₂₁、f’ ₂₂₂、f’ ₂₃₁、f’ ₂₃₂ 、f’ _24， 满足条件 0.52≤f’ ₂₁≤0.55、0.13≤f’ ₂₂₁≤0.17、-4.92≤f’ ₂₂₂≤-4.58、0.88≤f’ ₂₃₁≤0.93、0.26≤f’ ₂₃₂≤0.29、-0.16≤f’ ₂₄≤-0.14；各透镜材料的折射率依次分别对应为n ₂₁、n ₂₂₁、n ₂₂₂、n ₂₃₁、n ₂₃₂、n ₂₄满足条件1.50≤n ₂₁≤1.80、1.40≤n ₂₂₁≤1.85、1.45≤n ₂₂₂≤2.0、1.45≤n ₂₃₁≤2.0、1.40≤n ₂₃₂≤1.85、1.45≤n ₂₄≤2.0；

所述的三级同心分光成像透镜组包括若干个同心全反射结构的子分光成像系统，它的光学元件依次为主镜、光栅和三镜，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为球面全息光栅，单个子分光成像系统的焦距f ₃ 为100mm≤f ₃ ≤130mm，成像系统焦距的归一化曲率半径依次对应为R ₃₂、R ₃₃ 、R ₃₄，满足条件-0.56≤R ₃₂≤-0.50、-0.29≤R ₃₃≤-0.26、-0.56≤R ₃₄≤-0.50，光栅槽密度为每毫米400~450线对。

所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，它的总焦距f为40mm≤f≤60mm。它的全视场ω为0°≤ω≤140°。它的光学筒长L为240mm≤L≤250mm。它的光谱分辨率为2nm/pixel。

所述的三级分光成像组的子分光成像系统，集成于一块折射率为n的弯月形光学玻璃基底上，n的取值范围为1≤n≤2.5，光栅位于玻璃基底的前凹面，主镜和三镜位于玻璃基底的后球面上。

本发明技术方案还包括提供一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统的成像方法，步骤如下：

（1）大范围目标物经初级同心球透镜系统，在第一个曲面像面上得到一个大视场的初级像；

（2）以曲面上得到的大视场初级像为次级中继转像微透镜组的目标物，经次级中继转像微透镜组分视场中继成像后，在第二个曲面上得到相应的独立分视场平面像；

（3）以得到的独立的分视场平面像作为三级同心分光成像系统的目标物，经对应的分光成像组分光和中继成像后，在探测器上得到各独立分视场的不同波长的光谱图像；

（4）将各分视场光谱图像进行拼接融合处理，得到超大视场的光谱图像。

本发明提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统，由于采用了级联式光学成像结构，并且有效结合同心结构光学系统和匹兹伐结构光学系统的优点，实现超大视场范围内的高质量、高分辨率光谱图像。其发明原理是：初级系统采用大视场同心不对称球透镜，在曲面上获得一个均匀像差的大视场中间像，由于其不对称性，使得系统在与次级、三级系统进行光瞳匹配时更简便；次级系统为多组相同的中继转像微透镜，每一组采用一片双凸透镜、两组双胶合透镜和一片靠近像面的弯月形负透镜，可很好地对经初级系统获取的中间像进行残余像差校正和分视场成像，通过对双胶合透镜组光学玻璃材料的匹配和优化选择，进一步消色差，为三级分光系统提供具有最高衍射极限的多组分视场像；三级同心分光成像系统为多组相同的基于球面光栅分光的反/衍混合式光学系统，每一组由主镜、光栅和三镜组成，三者集成于一块光学玻璃基底上，主镜和三镜曲率半径相同，集成于一块反射镜，且位于该玻璃基底的后表面，光栅位于该玻璃基底的前球面，具有色散均匀、固有像差小、系统稳定性好的特点。它以经次级系统获取的多组分视场像为目标物，进行衍射分光和中继成像，获得相应的光谱图像。这种新型的级联式成像结构的高光谱系统，解决了传统推扫成像系统视场与狭缝长度相互制约问题，同时实现大视场与高光谱分辨率，具有广泛应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的光学系统视场为0°≤ω≤140°，可探测范围广，探测识别效率高；全视场范围内均具有接近衍射极限的成像性能。

2.本发明提供的光学系统，光谱分辨率高，达到2nm/pixel。

3.本发明提供的光学系统的结构，在各级系统衔接上，更有助于光瞳的匹配。

4.本发明提供的光学系统中初级和三级成像系统均采用同心结构，具有容易装调、稳定性好的优点。

5.本发明提供的光学系统满足像方远心光路，接收器件表面照度均匀。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的光学结构示意图；

图3至图5是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统中各级成像系统的光学结构示意图；

图6是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统光路示意图；

图7是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的光线追迹点列图；

图8是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的能量集中度曲线图；

图9是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统在接收器件表面上的相对辐照度曲线图；

图10是本发明实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的光学传递函数曲线图。

图中，1. 初级同心球透镜；11.初级同心球透镜的弯月形球面负透镜；12. 初级同心球透镜的平凸球面正透镜；13. 初级同心球透镜的平凸球面正透镜；14.初级同心球透镜的弯月形球面负透镜；15. 初级同心球透镜的像面；2.次级中继转像微透镜组；21.次级中继转像微透镜的球面正透镜；22. 次级中继转像微透镜的球面正透镜；23. 次级中继转像微透镜的 球面负透镜；24. 次级中继转像微透镜的球面负透镜；25. 次级中继转像微透镜的球面正透镜；26. 次级中继转像微透镜的球面负透镜；27.次级中继转像微透镜系统的像面（三级同心分光成像透镜的入射狭缝）；3.三级同心分光成像透镜组；31.三级同心分光成像透镜玻璃基底；32. 三级同心分光成像的透镜主镜；33. 三级同心分光成像透镜的光栅；34. 三级同心分光成像透镜的三镜；35. 三级同心分光成像透镜的接收器平面（像平面）；4.探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1：

本实施例提供的光学系统，F数为F2.6，工作波长在可见光范围内，系统总焦距为50.9mm，全视场角为120°，系统筒长为242mm，光谱分辨率为2nm/pixel，玻璃基底的折射率为1.65。

参见附图1，它是本实施例提供的光学系统的工作原理示意图，超大视场推扫式机载高光谱成像系统由初级同心球透镜1、次级中继转像微透镜组2、三级同心分光成像透镜组3和探测器4组成。

参见附图2，它是本实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统单个通道结构示意图，可以看出：初级同心球透镜1、次级中继转像微透镜组2、三级同心分光成像透镜组3和探测器4各级系统物像遵循原则：上级系统的像作为下级系统的物。

参见附图3至5，是本实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统中各级成像系统的光学结构示意图。图3为成像系统的初级同心球透镜系统，它由4片胶合的球面透镜组成，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜的弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14、初级同心球透镜的像面15；图4为单个次级中继转像微透镜，系统由6片球面镜构成，球面正透镜21，两组双胶合透镜分别为球面正透镜22、球面负透镜23和球面负透镜24、球面正透镜25，球面负透镜26；初级同心球透镜的像面15经次级中继转像微透镜分视场中继成像；图5为系统的三级同心分光成像系统，它集成于光学玻璃基底31上，沿光线入射方向，依次为主镜32、凸球面直线槽全息光栅33、三镜34,其中，主镜32和三镜34均为球面反射镜，位于玻璃基底31的后球面，光栅33位于玻璃基底31的前凹面。

参见附图6，它是本实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统光路示意图，图中标出①、②和③三个通道，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜的弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14、初级同心球透镜的像面15，次级中继转像微透镜的球面正透镜21、球面正透镜22、球面负透镜23、球面负透镜24、球面正透镜25、球面负透镜26，紧接着是该高光谱成像系统的三级同心分光成像系统部分，该部分由主镜32、光栅33和三镜34组成，同时集成于透镜玻璃基底31上；它的光路设计基于Offner中继系统，满足物像方远心，图6中，入射狭缝27是物体经由初级、次级系统所成的像，即次级中继转像微透镜系统的像面，物体在狭缝处的像经过光谱系统，最后以1：1成像于接收器平面上，不同波长的像均匀分布在其上。按光线入射方向，从入射狭缝27到达主镜32，由主镜会聚到凸球面直线槽全息光栅33，光栅再对会聚光束发散并将不同波长的光实现分光，经光栅分光后的光束到达三镜34，由三镜将不同波长的光分别会聚到接收器4平面，实现了1：1成像的同时将不同光谱的像进行了分离。

本实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统中，初级、次级系统对应各光学元件的相关参数如下：初级系统焦距为100mm，次级系统焦距为27mm，初级、次级系统组合而成的单通道光学系统的焦距为50mm，沿光线入射方向，弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14、前组物镜像面15，球面正透镜21、球面正透镜22、球面负透镜23、球面负透镜24、球面正透镜25、球面负透镜26的曲率半径依次为47.81mm、26.43mm、-28mm、-47.92mm、-100mm、65.12mm、-16.98mm、8.58mm、-5.26mm、-9.41mm、9.22mm、11.75mm、-11.83mm、-7.05mm、43.34mm。

三级同心分光成像系统的具体参数如下：焦距为120mm，主镜32与三镜34的曲率半径相同，为-27mm，光栅33的曲率半径为-13.5mm；相对于镜头焦距归一化时的曲率半径依次分别为

，/>

，/>

；四个间隔按顺序分别为：狭缝27与主镜32的间距为26mm，主镜32与光栅33的间距为-13mm，光栅33与三镜34的间隔为13mm,三镜34与像面35的间隔-26mm。光栅常数为400lp/mm，玻璃基底31的材料折射率为1.49。

采用本实施例提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其成像方法为：大视场目标物经初级同心球透镜系统，得到一个均匀像差的中间曲面像；该大视场的中间曲面像作为次级中继转像微透镜的目标物，经次级中继转像微透镜组分视场中继成像后，得到多组小视场像；以各组小视场像作为后续三级同心分光成像系统的目标物，经分光系统中继成像后，在探测器上获得该分视场的不同波长的光谱图像，再通过对相邻组小视场光谱图像进行拼接融合处理，得到超大视场范围的光谱图像。

参见附图7，它是光线经过本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，图7中几个不同波长在不同视场处的圆表示Airy斑，由图可见，像面上不同波长的各视场处的点列图95%都落在Airy斑以内，表明该光学系统具有接近衍射理论极限的聚焦特性。

参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的能量集中度曲线，由图8可得知，85%以上的能量都集中在Airy斑范围内。

参见附图9，它是本实施例所述的光学系统在接收器表面上的相对辐照度分布曲线图，由于系统满足像方远心，从图中曲线可以看出，像面照度分布十分均匀，边缘照度只有细微下降。

参见附图10，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，由图可以看出，该光学系统具有接近衍射极限的成像性能。

Claims (7)

1.一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它为级联式光学成像结构，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜系统、次级中继转像微透镜组、三级同心分光成像透镜组及探测器焦平面，初级同心球透镜系统和三级同心分光成像透镜组分别位于孔径光栏的两侧，所述的高光谱成像系统满足像方远心成像；

所述的初级同心球透镜系统为同心不对称结构，它的焦距f ₁ 为80mm≤f ₁ ≤110mm；该初级同心球透镜系统由四片透镜构成，光学元件依次为第一片弯月形球面负透镜（11）、第一片平凸球面正透镜（12）、第二片平凸球面正透镜（13），第二片弯月形球面负透镜（14），各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’ ₁₁、f’ ₁₂、f’ ₁₃、f’ ₁₄ ，满足条件 -2.88≤f’ ₁₁≤-2.52、1.02≤f’ ₁₂≤1.13、1.02≤f’ ₁₃≤1.13、-2.88≤f’ ₁₄≤-2.52 ；各透镜材料的折射率依次分别对应为n ₁₁、n ₁₂、n ₁₃、n ₁₄，满足条件1.65≤n ₁₁≤1.90、1.45≤n ₁₂≤2.0、1.45≤n ₁₃≤2.0、1.65≤n ₁₄≤1.90；

所述的次级中继转像微透镜组包括若干子成像系统，单个子成像系统的焦距f ₂ 为25mm≤f ₂ ≤30mm；该次级中继转像微透镜组由六片球面镜构成，光学元件依次为第一双凸透镜（21）、第一双胶合透镜组、第二双胶合透镜组、第一弯月形厚透镜（26），第一双胶合透镜组由第二双凸透镜（22）和第二弯月形厚透镜（23）构成，第二双胶合透镜组由弯月型负透镜（24）和第三双凸透镜（25）构成；各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’ ₂₁、f ’ ₂₂、f’ ₂₃、f’ ₂₄、f’ ₂₅ 、f’ _26， 满足条件 0.52≤f’ ₂₁≤0.55、0.13≤f’ ₂₂≤0.17、-4.92≤f’ ₂₃≤-4.58、0.88≤f’ ₂₄≤0.93、0.26≤f’ ₂₅≤0.29、-0.16≤f’ ₂₆≤-0.14；各透镜材料的折射率依次分别对应为n ₂₁、n ₂₂、n ₂₃、n ₂₄、n ₂₅、n ₂₆满足条件1.50≤n ₂₁≤1.80、1.40≤n ₂₂≤1.85、1.45≤n ₂₃≤2.0、1.45≤n ₂₄≤2.0、1.40≤n ₂₅≤1.85、1.45≤n ₂₆≤2.0；

所述的三级同心分光成像透镜组包括若干个同心全反射结构的子分光成像系统，它的光学元件依次为主镜、光栅和三镜，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为球面全息光栅，单个子分光成像系统的焦距f ₃ 为100mm≤f ₃ ≤130mm，主镜、光栅和三镜的焦距相对成像系统焦距的归一化曲率半径依次对应为R ₃₂、R ₃₃、R ₃₄，满足条件-0.56≤R ₃₂≤-0.50、-0.29≤R ₃₃≤-0.26、-0.56≤R ₃₄≤-0.50，主镜和三镜曲率半径相同，光栅槽密度为每毫米400~450线对。

2.根据权利要求1所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它的总焦距f为40mm≤f≤60mm。

3.根据权利要求1所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它的全视场ω为0°≤ω≤140°。

4.根据权利要求1所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它的光学筒长L为240mm≤L≤250mm。

5.根据权利要求1所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它的光谱分辨率为2nm/pixel。

6.根据权利要求1所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：所述的三级同心分光成像透镜组的子分光成像系统，集成于一块折射率为n的弯月形光学玻璃基底上，n的取值范围为1≤n≤2.5，光栅位于玻璃基底的前凹面，主镜和三镜位于玻璃基底的后球面上。

7.一种采用如权利要求1所述的超大视场推扫式机载高光谱成像系统的成像方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）大范围目标物经初级同心球透镜系统，在第一个曲面像面上得到一个大视场的初级像；

（2）以曲面上得到的大视场初级像为次级中继转像微透镜组的目标物，经次级中继转像微透镜组分视场中继成像后，在第二个曲面上得到相应的独立分视场平面像；

（3）以得到的独立的分视场平面像作为三级同心分光成像透镜组的目标物，经对应的分光成像组分光和中继成像后，在探测器上得到各独立分视场的不同波长的光谱图像；

（4）将各分视场光谱图像进行拼接融合处理，得到超大视场的光谱图像。

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