王保華 李可 唐紹凡 張秀茜 王媛媛

高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王保華 李可 唐紹凡 張秀茜 王媛媛

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

針對高空間分辨率、高光譜分辨率和大幅寬成像的遙感應(yīng)用需求，提出了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀技術(shù)方案，分析確定了成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了大視場、大相對孔徑像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，系統(tǒng)相對畸變小于0.02%；光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長度超過90mm，采用新型離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了長狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變均小于1/10像元尺寸。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)簡單緊湊，成像品質(zhì)接近系統(tǒng)衍射極限，滿足星載高光譜對地成像的數(shù)據(jù)應(yīng)用要求。

成像光譜儀 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自由曲面 凸面光柵 航天遙感

0 引言

成像光譜儀是一種將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的新型光學(xué)遙感儀器，可以同時采集目標(biāo)的空間信息、輻射信息和光譜信息，形成譜像合一的數(shù)據(jù)立方體，在大氣、陸地、海洋、農(nóng)林、應(yīng)急減災(zāi)、水土和礦產(chǎn)資源調(diào)查等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值[1-3]。

國內(nèi)外星載對地成像光譜儀通常采用推掃成像方式，選用面陣探測器件，利用光譜分光結(jié)合衛(wèi)星平臺沿軌方向的推掃實(shí)現(xiàn)空間維和光譜維成像，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。國外典型的推掃式星載對地成像光譜儀主要有美國在軌運(yùn)行的Hyperion[4]、COIS[5]以及在研的HyspIRI[6]等，Hyperion和COIS光譜儀的空間分辨率為30m，光譜分辨率為10nm，幅寬分別為7.5km和30km；HyspIRI光譜儀的空間分辨率為60m，光譜分辨率為10nm，幅寬為150km。我國也相繼成功研制了搭載于“天宮一號”、“環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星”1A、1B和“高分五號”衛(wèi)星的星載對地成像光譜儀，其中“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外光譜儀的空間分辨率為30m，在可見光近紅外譜段的光譜分辨率為5nm，幅寬為60km[7]。

目前，國內(nèi)外星載對地成像光譜儀的光譜分辨率多為5~10nm，空間分辨率為30~60m，而成像幅寬卻差異較大，最大幅寬為150km，而最小幅寬只有7.5km。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、國土資源和地質(zhì)調(diào)查以及農(nóng)林監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)b感器的時間分辨率要求較高，通常要求成像幅寬大于100km，隨著高光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的不斷深入，各應(yīng)用部門對星載成像光譜儀的空間分辨率和光譜分辨率的要求也越來越高，在軌運(yùn)行的成像光譜儀已不能完全滿足應(yīng)用需求，因此，各國正在積極研制或規(guī)劃性能更加先進(jìn)的高光譜遙感儀器。針對高空間分辨率、高光譜分辨率和大幅寬成像光譜儀的迫切需求，本文提出了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀技術(shù)方案，該光譜儀工作譜段覆蓋0.4~1.0μm，光譜分辨率為5nm，空間分辨率為50m，成像幅寬達(dá)到150km。與美國在研的HyspIRI光譜儀相比，高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀在保持幅寬相同的情況下將空間分辨率提升了1.2倍，光譜分辨率提升了2倍，綜合指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。本文分析了高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀在典型觀測條件下的信噪比，根據(jù)成像性能、調(diào)制傳遞函數(shù)等確定了光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。針對大相對孔徑和大視場成像的特點(diǎn)，空間成像光學(xué)系統(tǒng)采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了大視場、大相對孔徑、低畸變像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長度超過90mm，遠(yuǎn)大于國內(nèi)外同類型成像光譜儀的狹縫長度，本文提出了離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案，解決了傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)成像狹縫短、相對孔徑小、體積大等問題，實(shí)現(xiàn)了長狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變設(shè)計(jì)結(jié)果均小于1/10像元尺寸。

1 光學(xué)指標(biāo)確定

高分辨率超大幅寬成像光譜儀采用推掃工作方式，工作譜段覆蓋0.4~1.0μm，光譜分辨率為5nm，在軌道高度為600km時的成像幅寬達(dá)到150km，空間分辨率達(dá)到50m。

成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要包括焦距、視場角、相對孔徑、光譜分辨率和狹縫長度等，需根據(jù)成像光譜儀的整體成像要求來確定。高分辨率超大幅寬成像光譜儀選用面陣探測器件，由于高分辨率超大幅寬成像光譜儀的成像幅寬達(dá)到1 500km，需要優(yōu)選大規(guī)模面陣探測器，最終選用的探測器像元規(guī)模為6144×256，像元尺寸15μm×15μm，采用2×2合并像元的方式使用。根據(jù)探測器的像元尺寸、軌道高度、空間分辨率和幅寬等可計(jì)算得到成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的焦距為360mm，成像視場角為14.25°，取14.4°進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)探測器規(guī)模、焦距和視場角等確定成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長度為90mm，狹縫寬度為30μm。

光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑直接影響成像光譜儀的信噪比（SNR）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF），同時還決定系統(tǒng)的體積和工程研制難度，因此，合理選擇光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑是高性能高光譜成像的基礎(chǔ)。

成像光譜儀的信噪比由軌道高度、空間分辨率、光譜分辨率以及探測器、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)的性能等因素決定，信噪比計(jì)算方法為[8]

式中signal、noise分別表示信號電子數(shù)和噪聲電子數(shù)，計(jì)算公式分別為

圖1 典型觀測條件下成像光譜儀信噪比曲線

表1 高分辨率超大幅寬成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Optical technical parameters of the imaging spectrometer

當(dāng)成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑/′=1/3時，將其他參數(shù)分別代入式（1）、式（2）和式（3），計(jì)算得到成像光譜儀在典型觀測條件下的信噪比曲線如圖1所示，在工作譜段范圍內(nèi)除大氣吸收譜段外的信噪比均優(yōu)于150，最高可達(dá)到1600，滿足多個領(lǐng)域的高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑/′=1/3時，在奈奎斯特頻率（16.7線對/mm）處的調(diào)制傳遞函數(shù)衍射極限高于0.9，綜合考慮光學(xué)設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)、電子線路以及探測器等因素，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的靜態(tài)傳函預(yù)估高于0.35，高于通常遙感數(shù)據(jù)0.2的靜態(tài)傳函，滿足遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

因此，綜合考慮成像光譜儀的信噪比和調(diào)制傳遞函數(shù)要求，最終確定成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑/′=1/3，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)匯總見表1，具有大相對孔徑、大視場、長狹縫成像的特點(diǎn)。

2 光譜儀光學(xué)設(shè)計(jì)

成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)由空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)兩部分組成，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的作用是將地物目標(biāo)成像到狹縫處，光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的作用是將狹縫像色散分光后再次成像到探測器上?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)滿足光瞳匹配原則，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和成像品質(zhì)評價，再通過狹縫連接成全系統(tǒng)[9-10]。

2.1 空間成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)考慮成像品質(zhì)和像方遠(yuǎn)心度的要求[11-12]?？臻g成像光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)通常用調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖、畸變等指標(biāo)來評價，如果空間成像光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)較差，不僅會降低成像光譜儀的光譜分辨率，還會增加高光譜成像數(shù)據(jù)的幾何畸變校正工作量，影響光譜數(shù)據(jù)的快速處理和應(yīng)用。為了便于與光譜成像光學(xué)系統(tǒng)匹配，空間成像光學(xué)系統(tǒng)通常應(yīng)具有良好的像方遠(yuǎn)心度，如果空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度較差，將導(dǎo)致空間成像光學(xué)系統(tǒng)與光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的匹配性下降，使得系統(tǒng)產(chǎn)生較大的漸暈，降低成像光譜儀的調(diào)制傳遞函數(shù)和信噪比。

圖2 自由曲面離軸三反空間成像光學(xué)系統(tǒng)

合理選擇初始結(jié)構(gòu)是保證光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求和成像要求的重要環(huán)節(jié)，空間遙感器常用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要有透射式、反射式和折反式三種，其中離軸三反是當(dāng)前用途最廣泛的反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。離軸三反式與透射式和折反式相比具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)：1）不存在色差，適于寬譜段成像；2）光學(xué)元件數(shù)目相對較少，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)；3）對材料要求較低，溫度、濕度等環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[13]；4）容易實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。針對高分辨率超大幅寬成像光譜儀的大相對孔徑和大視場成像等指標(biāo)要求，空間成像光學(xué)系統(tǒng)選擇離軸三反形式作為初始結(jié)構(gòu)。

自由曲面相比球面和非球面具有更多的設(shè)計(jì)自由度，有利于校正光學(xué)系統(tǒng)的軸外像差，尤其有利于降低大視場光學(xué)系統(tǒng)的畸變，隨著自由曲面加工、檢測和裝調(diào)水平的不斷提高，自由曲面也越來越多地應(yīng)用到空間遙感器中[14-16]。為了提高調(diào)制傳遞函數(shù)、減小系統(tǒng)畸變和提升像方遠(yuǎn)心度，高分辨率超大幅寬成像光譜儀的空間成像光學(xué)系統(tǒng)用自由曲面代替了傳統(tǒng)的球面反射鏡，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的自由曲面離軸三反空間成像光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。自由曲面反射鏡的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了大視場、大相對孔徑、低畸變像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，體積僅為246mm×245mm×263mm（××）。

圖3 空間成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖3所示，各視場在奈奎斯特頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)均優(yōu)于0.9，非常接近系統(tǒng)衍射極限。

空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)的成像點(diǎn)列圖指標(biāo)如表2所示，各視場成像點(diǎn)的彌散斑半徑均方根值（RMS）均在3.7μm以內(nèi)，小于1/6像元尺寸；各視場成像點(diǎn)的彌散斑最大幾何半徑（GEO）均在11.7μm以內(nèi)，小于1/2像元尺寸。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，空間成像光學(xué)系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)均具有良好的成像效果。

經(jīng)設(shè)計(jì)后，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線如圖4所示，在成像視場范圍內(nèi)的最大相對畸變?yōu)?.017%，最大畸變值為7.7μm，小于1/3像元尺寸，有利于光譜成像數(shù)據(jù)的快速處理和應(yīng)用。

表2 空間成像光學(xué)系統(tǒng)成像彌散斑情況

Tab.2 Spot diagrams of the spatial imaging optical system

空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度通常用邊緣視場主光線在像面的出射角度進(jìn)行評價，出射角度越小，表明空間成像光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心度越高。經(jīng)分析，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的邊緣視場主光線在像面的出射角度僅為0.65°，有利于空間成像光學(xué)系統(tǒng)與后續(xù)光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的良好匹配。

圖4 空間成像光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線

2.2 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分光元件是光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的核心器件，目前星載對地成像光譜儀通常采用的分光元件主要有光柵、棱鏡、干涉儀和濾光片等，其中光柵色散分光不僅可以直接獲得場景的光譜圖，同時還具有精度高、對平臺姿態(tài)穩(wěn)定性要求低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為星載對地成像光譜儀的主流分光方式[17]。20世紀(jì)80年代后期，美國的Kwo D等人提出了基于凸面光柵的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、成像性能好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于高光譜分辨率、小型化成像光譜儀，并已在美國的星載光譜儀Hyperion和COIS中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)是單位放大率的同心系統(tǒng)，其基本成像原理如圖5所示，整個系統(tǒng)由反射鏡M和凸面反射光柵G組成。狹縫發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡M的下部反射到凸面光柵G，經(jīng)凸面光柵分光后反射到反射鏡M的上部，最后不同波長的光線依次成像在面陣探測器的不同位置。當(dāng)孔徑光闌位于凸面光柵G時，入射和出射主光線互相平行并且垂直于物像平面，滿足同心光學(xué)系統(tǒng)理想成像條件，系統(tǒng)譜線彎曲很小，色畸變也可以忽略不計(jì)。

光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的視場角用狹縫長度來表征，傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)所能完善成像的狹縫長度較小，例如Hyperion光譜儀的狹縫長度僅為7.65mm，COIS光譜儀的狹縫長度為18mm。隨著視場角的增大，傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的體積會迅速增加，例如當(dāng)狹縫長度為48mm時，Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的長度約為320mm[19]，難以實(shí)現(xiàn)輕小型化設(shè)計(jì)。高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀的狹縫長度為90mm，遠(yuǎn)大于在軌和在研的同類型成像光譜儀狹縫長度，采用傳統(tǒng)的Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)將很難校正像散、場曲和畸變等像差。因此，本文對傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新，提出了離軸透鏡補(bǔ)償性O(shè)ffner設(shè)計(jì)方案，通過平衡離軸彎月校正透鏡和反射鏡的光焦度來縮短光路長度，從而減小系統(tǒng)體積；通過調(diào)整離軸彎月校正透鏡的中心厚度、偏心和傾斜等參數(shù)來保證凸面光柵和反射鏡近似同心，從而很好地校正色畸變及譜線彎曲，實(shí)現(xiàn)長狹縫高保真光譜成像。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的離軸透鏡補(bǔ)償型Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)如圖6所示，體積僅為177mm×165mm×218mm（××）。

圖5 傳統(tǒng)Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

圖6 離軸透鏡補(bǔ)償型Offner光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

光譜成像光學(xué)系統(tǒng)在不同波長下的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖7所示，各波長在成像視場范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.85，滿足高性能光譜成像要求。

圖7 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

譜線彎曲和色畸變是反映光譜成像光學(xué)系統(tǒng)保真成像能力的重要指標(biāo)，高分辨率超大幅寬成像光譜儀光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的譜線彎曲和色畸變曲線如圖8所示，最大譜線彎曲為2.2μm，小于1/13像元尺寸；最大色畸變?yōu)?.1μm，小于1/14像元尺寸。分析結(jié)果表明，高分辨率超大幅寬成像光譜儀光譜成像光學(xué)系統(tǒng)具有良好的保真光譜成像能力。

圖8 光譜成像光學(xué)系統(tǒng)譜線彎曲和色畸變

2.3 全光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

把空間成像光學(xué)系統(tǒng)和光譜成像光學(xué)系統(tǒng)通過90mm長狹縫連接在一起，形成高分辨率超大幅寬成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)。成像光譜儀全系統(tǒng)光路如圖9所示，為了提高成像光譜儀的機(jī)動成像能力，光學(xué)系統(tǒng)前端增加了指向鏡。

圖9 成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)

高分辨率超大幅寬成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)不同波長的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖10所示，在奈奎斯特頻率處調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.89，成像品質(zhì)優(yōu)良。

圖10 成像光譜儀全光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

3 結(jié)束語

針對國內(nèi)外在軌和在研星載成像光譜儀在光譜分辨率、空間分辨率以及成像幅寬等方面的不足，本文提出了高分辨率超大幅寬成像光譜儀方案，在0.4~1.0μm譜段范圍內(nèi)的光譜分辨率優(yōu)于5nm，同時具有50m空間分辨率和150km的成像幅寬，可用于生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測、國土資源和地質(zhì)調(diào)查以及災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。本文完成了成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)分析和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，空間成像光學(xué)系統(tǒng)的視場角為14.4°，相對孔徑為1/3，焦距為360mm，采用自由曲面離軸三反設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.9，相對畸變小于0.017%，像方遠(yuǎn)心程度高；光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的狹縫長度為90mm，遠(yuǎn)大于國內(nèi)外在軌和在研的同類型成像光譜儀狹縫長度，采用新型離軸透鏡補(bǔ)償型Offner設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了長狹縫高保真光譜成像設(shè)計(jì)，譜線彎曲和色畸變均小于1/10像元尺寸。本文設(shè)計(jì)的高分辨率超大幅寬成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)滿足高光譜對地成像的應(yīng)用需求，可為我國新一代高性能星載對地成像光譜儀的研制提供參考。

[1] 張淳民, 穆廷魁, 顏廷昱, 等. 高光譜遙感技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(3): 104-114.ZHANG Chunmin, MU Tingkui, YAN Tingyu, et al. Overview of Hyperspectral Remote Sensing Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(3): 104-114. (in Chinese)

[2] 童慶禧, 張兵, 鄭蘭芬. 高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用[D]. 北京: 高等教育出版社, 2006. TONG Qingxi, ZHANG Bing, ZHENG Lanfen. Hyperspectral Remote Sensing[D]. Beijing: Higher Education Press, 2006. (in Chinese)

[3] 李志忠, 汪大明, 劉德長, 等. 高光譜遙感技術(shù)及資源勘察應(yīng)用進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)), 2015, 40(8): 1287-1294. LI Zhizhong, WANG Daming, LIU Dechang, et al. Hyperspectral Remote Sensing Technology and Its Progress in Resources Exploration[J]. Editorial Committee of Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2015, 40(8): 1287-1294.(in Chinese)

[4] PEARLMAN J, SEGAL C, LUSHALAN L, et a1. Development and Operations of the EO-1 Hyperion Imaging Spectrometer[C]//SPIE, 2004, 4135: 243-253.

[5] DAVIS C. Application of Hyperspectral Imaging in the Coastal ocean[C]//SPIE, 2002, 4816: 33-41.

[6] LEE C M, CABLE M L, HOOK S J, et a1. An Introduction to the NASA Hyperspectral InfraRed Imager(HyspIRI) Mission and Preparatory Activities[J]. Remote Sensing of Environment, 2015, 167: 6-19.

[7] 劉銀年.“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)的研制[J]. 航天返回與遙感, 2018, 39(3): 25-28. LIU Yinnian. Visible-shortwave Infrared Hyperspectral Imager of GF-5 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2018, 39(3): 25-28. (in Chinese)

[8] 王建宇, 舒嶸, 劉銀年. 成像光譜技術(shù)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.WANG Jianrong, SHU Rong, LIU Yinnian. Introduction to Imaging Spectroscopy[M]. Beijing: Science Press, 2011. (in Chinese)

[9] 王保華, 阮寧娟, 郭崇嶺, 等. 機(jī)載輕小型高分辨率成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(10): 1022001-1-8. WANG Baohua, RUAN Ningjuan, GUO Chongling, et al. Optical System Design of Airborne Light and Compact High Resolution Imaging Spectrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(10): 1022001-1-8.(in Chinese)

[10] 薛慶生, 黃煜, 林冠宇. 大視場高分辨力星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(8): 0822001. XUE Qingsheng, HUANG Yu, LIN Guanyu. Optical System Design of Wide-Angle and High-Resolution Spaceborne Imaging Spectrometer[J].Acta Optica Sinica, 2011, 31(8): 0822001. (in Chinese)

[11] 劉曉梅, 向陽. 寬視場成像光譜儀前置遠(yuǎn)心離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 0622004. LIU Xiaomei, XIANG Yang. Design of Telecentric Off-Axis Three-Mirror System of Imaging Spectrometer with Wide Field-of-View[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(6): 0622004. (in Chinese)

[12] 湯天瑾, 鄭國憲. 輕小型高光譜成像儀前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(1): 43-48. TANG Tianjin, ZHENG Guoxian. Design of Fore Telescope System for Compact Imaging Spectrometer[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015, 36(1): 43-48.(in Chinese)

[13] 鞏盾, 王紅. 空間高光譜成像儀的光學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(2): 541-545. GONG Dun, WANG Hong. Optical Design of Hyperspectral Imaging Spectrometer on Space[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(2): 541-545.(in Chinese)

[14] 王超, 張新, 王靈杰, 等. 方形孔徑自由曲面反射式系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)研究[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(5): 1518-1525. WANG Chao, ZHANG Xin, WANG Lingjie, et al. Adjustment of Abnormity Aperture Off-axis Freeform System Based on Square Aperture[J].Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(5): 1518-1525. (in Chinese)

[15] 劉璐, 胡斌, 周峰, 等. 二維大視場緊湊型離軸四反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2020, 40(1): 73-83. LIU Lu, HU Bin, ZHOU Feng, et al. Design of Compact Off-axis Four-mirror Optical System with Two-dimensional Large Field of View[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 40(1): 73-83. (in Chinese)

[16] BEIER M, HARTUNG J, PESCHEL T, et al. Development, Fabrication, and Testing of an Anamorphic Imaging Snap-together Freeform Telescope[J]. Applied Optics, 2015, 54(12): 3530-3541.

[17] 王躍明, 郎均慰, 王建宇. 航天高光譜成像技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2013, 50: 01008-1-8. WANG Yueming, LANG Junwei, WANG Jianyu. Status and Prospect of Space-Borne Hyperspectral Imaging Technology[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50: 01008-1-8.(in Chinese)

[18] KWO D, LAWRENCE G, CHRISP M. Design of a Grating Spectrometer from a 1︰1 Offner Mirror System[J]. SPIE, 1987, 818: 275-279.

[19] HOLLY A, BENDER, PANTAZIS M, et a1. Wide-field Imaging Spectrometer for the Hyperspectral Infrared Imager(HyspIRI) Mission[C]//SPIE, 2014: 92220E-1-8.

Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer with High Resolution and Super Swatch

WANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume, which can satisfy the demand of remote sensing application.

imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing

O439

A

1009-8518(2021)01-0092-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011

王保華，男，1988年生，2013年獲中國科學(xué)院大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：wangbaohua508@163.com。

2020-03-02

科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0500501）

王保華, 李可, 唐紹凡, 等. 高分辨率超大幅寬星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 92-99.

WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer with High Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）