用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究
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大气遥感远紫外光谱仪绝对光谱辐照度响应度定标方法研究
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ，２ ０ １ ３
大 气 遥 感远 紫外 光谱 仪 绝对 光 谱辐 照 度 响应度 定 标方 法研 究
于 磊 ， 林冠宇 ，陈 斌
中国科学 院长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春 １ ３ ０ ０ ３ ３
摘
要
主要针对可应用于空间高层大气遥感 的远紫外 光谱仪 的光谱 辐照度 响应度定标 方法进行 研究 。针
高层 大气实时变化很快 ， 辐射 波段信 号微弱且完全被低
收仪器无法响应或响应稳定度极差 ， 因此地 面定 标必须寻找
其他标定方式对仪器进行 标定 。第 三，可应 用于远紫 外波段 定标测试 的标 准仪 器如 标准 灯 ，标准 真 空紫 外单 色仪 等较
少， 大部分需从 国外进 口， 且这些标准仪器 相较其他 波段 的 标准仪器其 自身的不确定度较高 ， 这些 问题 都会 使定标结 果
中 图分 类号 ： ０ ４ ３ ３ ． １
反板均无法保证定标 时所需要 的能量 ，使得最终探测 器等接
引 。 言
在未来空间环境和空间天气 因果链 的研究观测 中 ， 高层 大气观测都是重要的组 成部分。用于高层大气遥感 的远紫外 成像光谱仪可 以获取十分重要的信息＿ １ ］ ，国外 多个相关应用 仪器 已经证明高层大气粒子相关 光谱 信息 的获取对人类具有 重要意义 。通过 测量 各光谱辐射 ， 反演计算 出各种 粒子 的分 布和含量 ，町以实现对 高层大气 的实时检测 ，以帮助人类更 好 的进行空 间环境天气预报 。为了保证获取 光谱反演信息 的 准确性 ，需要对 光谱 仪进行精确 的辐射定标 。
研 究 具有 重 要 意 义 。
关词
电离层 ； 远紫外光谱仪 ； 光谱辐照度 ； 辐射定标
超光谱成像技术
摘要文章介绍了超光谱成像技术的基本概念、关键问题、主要应用目标和原理，综述了超光谱成像技术的国内外发展现状；综合考虑目标红外辐射特性、大气传输透过率、色散式光谱仪辐射传递特性、选用红外探测器参数、数据链传输等环节，研究了成像光谱探测系统的辐射能量传递模型，并对光谱成像仪的主要光谱成像方式做了简单介绍；简要概括了典型星载超光谱成像仪的原理、主要技术指标以及其应用场合等,并对其未来发展趋势作简要概括；最后对全文做简单总结以及对我国发展超光谱成像技术提出一些建议。
关键词：超光谱成像遥感成像光谱光谱探测超光谱成像仪目录摘要 (I)1 前言 (1)1.1 超光谱成像技术简介 (2)1.1.1 超光谱成像的内涵 (2)1.1.2 超光谱成像技术的关键问题 (3)1.2 超光谱成像技术的应用 (3)1.3 超光谱成像技术发展状况 (5)1.3.1 国外航天超光谱成像仪的发展 (5)1.3.2 我国超光谱成像仪现状 (6)1.4 发展趋势 (7)2 超光谱成像技术的基本机理 (8)2.1 成像光谱探测技术的成像机理 (8)2.1.1 物质的光谱特性 (8)2.1.2 大气效应对光电探测的影响 (9)2.1.3 光谱成像探测模型 (10)2.1.3.1 可见光/近红外波段的探测模型 (11)2.1.3.2 红外波段的探测模型 (13)2.1.4 传感器模型 (14)2.1.4.1 传感器一般系统模型 (14)2.1.4.2 成像光谱仪的光谱成像方式 (15)2.1.5 成像光谱仪器的综合系统模型 (19)2.2 超光谱成像探测技术原理 (21)3 典型星载超光谱成像仪 (22)3.1 国内外典型星载超光谱成像仪 (22)3.2 星载超光谱成像仪发展趋势展望 (27)4 总结与未来工作展望 (28)4.1 全文总结 (28)4.2 未来工作 (29)参考文献 (30)超光谱成像技术1 前言超光谱成像技术是在多光谱成像技术基础上发展起来的新技术。
一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计
中，对于 （ ） ３ ， Ｈ Ｃ Ｏ， ｓ ０２ ，ＮＯ等气体成 分有较 明显 的探 测 优 势 。 紫外 全 景 临边成 像 仪设 计运 行 在４ ０ ０ ｋ ｍ的 轨道 高
２ ０ ０ Ｏ１ Ｏ， ３ ０ ０ ５ ０ ０ １ ０ ０ ０ ２ ０ ０ ０ ｍｉ ｌ ｌ
全景成像技 术包括鱼眼镜头 ， 折反 式全 景成像技术 和环带式 全景成像技 术 ， 浙江大学光学 国家重点实验室对 于以上全 景 成像技术进 行了一系列的研究 。 但 国内外 尚未有 将全景成像 技术应 用到大气紫外临边探测 的仪器研究进展 。 本 工作结合重点专项项 目的光学设计 技术指标 ， 提 出了
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ４ － ２ ３ ，修订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ — ２ ０
Ｆｉ ｇ ．１ ｓ ｏ ｕｎ ｄｉ ｎｇ ｗａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇｔ ｈ ｂ ａ ｎｄ ｆ ｏ ｒ ａｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈｅ ｒ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｃ ｅ ｇ ａ ｓ
一
种 用 于大 气 探 测 的紫 外 成像 仪光 学 系统 设 计
张 晶 ， 王淑荣¨ ， 李 博 ， 薛庆 生 ， 黄 煜
１ ．中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所 ，吉林 长春
２ ．中 国 科 学 院 大 学 ， 北京 １ ０ ０ ０ ４ ９
１ ３ ０ ０ ３ ３
的研究热点 ｌ ］ 】 。目前文 献 中有 关临边 成像 光谱 仪 的报 道其
光学系统部 分大多采用前置光学系统 ， 包 括反射式 非球面刻
划光栅 、离轴抛物面反射镜 ， 或通过方 位扫描 镜与高 度扫描 镜 的配合 实现较大视场的临边探测 。 这 在一定程 度上增加 了 加工成本 ， 给加工和装配带来 了很多不 便 。目前 国内外有关
基于大气吸收带的超光谱成像仪光谱定标技术研究
光谱定标 ，ＭＥ Ｉ Ｒ Ｓ就是利用该方法进行在轨光谱 料 中找到 的发射 光谱 灯 的数
据， 通过对 比采集到数据与参考 资料 中数 据就可 以得 到通道 中心波 长和通道数之 间的关系 ，Ｐ Ｌ Ｓ采用 该方法进 行光 ＨＩ Ｌ 谱定标 。
通道 中心波长和光谱带 宽。利用超光谱成像仪光谱采样间隔和大气 吸收带 中明显 的吸收峰对超 光谱成像 仪 进行光谱 定标 ， 并通过与定标好的光纤光谱 仪结果进行 比对 ，结果显示 利用该 方法对超 光谱成像 仪进行 光 谱定标的定标 精度 可达 １ｎ ｍ。该方法用于棱镜色散型超光谱成像仪 光谱定标具有 容易实现 的特 点 ， 并且 可
第 １期
光谱学与光谱分析
２９ ６
中传 播如图 １ 所示 ， 复色光 以入射角 ｉ 射入棱镜 ，经两块棱
谱通道 ， 取 ０ ６ ｍ作为参 考波长 ， 一个像元起 始端 对 若 ．５ 第
Ｃ ＯＭＰ Ｓ Ｐ Ｘ和 Ｐ ｃ 采用这 种方法 进行 光谱定 标 。 ＡＳ ，Ａ Ｅ ＨＩ 这种方法 中单色仪 出缝处 的光束均匀性对 光谱定标结 果有 ｌ ｎｎ的影 响，Ｈｙ ｅｉ Ｉ ｐｒ ｎ和 Ｃ ｍｐ ｓ 在单色仪 出缝 后分别加 漫 ｏ ｏ ａｓ 反射板 和积分球进行匀光 ，这样 可以提高超 光谱成像仪光 谱 定标精度 ，但是对超光谱成像仪探测器 响应 和图像处理水 平 提 出很高要求 。掺杂稀 土元 素的漫反射板 法＿ 是一种能快 速 ８
方便进行光谱定标 的方法 ， 它通 过在超光谱 成像仪视场 内插 人 一块光谱反射 比大致为 １０ 的聚 四氟 乙烯 （Ｔ Ｅ 板 ， ０ Ｐ Ｆ ） 用 石英 卤钨灯 照射该 板 ， 使来 自 板 的辐 射充 满光 谱 仪 的视 该 场， 记录下光谱仪产生 的图像 。 然后 ， Ｐ Ｆ 将 Ｔ Ｅ板 移开并 用
据， 通过对 比采集到数据与参考 资料 中数 据就可 以得 到通道 中心波 长和通道数之 间的关系 ，Ｐ Ｌ Ｓ采用 该方法进 行光 ＨＩ Ｌ 谱定标 。
通道 中心波长和光谱带 宽。利用超光谱成像仪光谱采样间隔和大气 吸收带 中明显 的吸收峰对超 光谱成像 仪 进行光谱 定标 ， 并通过与定标好的光纤光谱 仪结果进行 比对 ，结果显示 利用该 方法对超 光谱成像 仪进行 光 谱定标的定标 精度 可达 １ｎ ｍ。该方法用于棱镜色散型超光谱成像仪 光谱定标具有 容易实现 的特 点 ， 并且 可
第 １期
光谱学与光谱分析
２９ ６
中传 播如图 １ 所示 ， 复色光 以入射角 ｉ 射入棱镜 ，经两块棱
谱通道 ， 取 ０ ６ ｍ作为参 考波长 ， 一个像元起 始端 对 若 ．５ 第
Ｃ ＯＭＰ Ｓ Ｐ Ｘ和 Ｐ ｃ 采用这 种方法 进行 光谱定 标 。 ＡＳ ，Ａ Ｅ ＨＩ 这种方法 中单色仪 出缝处 的光束均匀性对 光谱定标结 果有 ｌ ｎｎ的影 响，Ｈｙ ｅｉ Ｉ ｐｒ ｎ和 Ｃ ｍｐ ｓ 在单色仪 出缝 后分别加 漫 ｏ ｏ ａｓ 反射板 和积分球进行匀光 ，这样 可以提高超 光谱成像仪光 谱 定标精度 ，但是对超光谱成像仪探测器 响应 和图像处理水 平 提 出很高要求 。掺杂稀 土元 素的漫反射板 法＿ 是一种能快 速 ８
方便进行光谱定标 的方法 ， 它通 过在超光谱 成像仪视场 内插 人 一块光谱反射 比大致为 １０ 的聚 四氟 乙烯 （Ｔ Ｅ 板 ， ０ Ｐ Ｆ ） 用 石英 卤钨灯 照射该 板 ， 使来 自 板 的辐 射充 满光 谱 仪 的视 该 场， 记录下光谱仪产生 的图像 。 然后 ， Ｐ Ｆ 将 Ｔ Ｅ板 移开并 用
基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究
解。
应用『 １ ＿ ３ ＿ ， 与棱镜色散光谱仪相 比，具有色散均匀 、光谱分辨 率高 的特点 。目前 ， 光栅 色散型光谱仪 大多使用 的是 基于平 面光栅 的 ｃ ｚ ｅ ｒ ｎ ｙ —Ｔｕ ｒ ｎ ｅ ｒ 光谱仪 ＿ ４ ］ ，它 由 ３ ～４个光 学元 件组成 。 在 远紫外大气遥感［ ６ ］ 等弱信 号探测 领域 ，由于信号 非常弱 ， 要 求光谱仪光学系统具有 较高传输 效率 。凹面光栅 自身同时具有色散和 聚焦 能力 ，单块 凹面光栅 就可构 成凹面 光栅光谱仪 ，光学元件少 ，因此 能量传 输效 率高 。在远 紫外
分 辨率 ０ ． ６ ｎ ｍ 的设计要求 ， 也证 明了该优化设计方 法是可行的 ，可在其他 波段推广应 用 ， 对光 栅色散型成 像 光谱仪的 设汁具有指导意义 。 关键 词 成 像光谱仪 ； 光学设计 ； 超环面均匀线距光栅 ； 遗传算法 ；Ｚ Ｅ ＭＡＸ
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — １ ４ ３ ３ — ０ ５
第３ ３ 卷， 第５ 期
２ ０ １ ３ 年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ５， ｐ ｐ １ ４ ３ ３ — １ ４ ３ ７ Ｍａ ｙ ，２ ０ １ ３
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
的曲率半径 ， 此 种光栅在超环面上通过机械刻划 的方 法容易
引 言
应用『 １ ＿ ３ ＿ ， 与棱镜色散光谱仪相 比，具有色散均匀 、光谱分辨 率高 的特点 。目前 ， 光栅 色散型光谱仪 大多使用 的是 基于平 面光栅 的 ｃ ｚ ｅ ｒ ｎ ｙ —Ｔｕ ｒ ｎ ｅ ｒ 光谱仪 ＿ ４ ］ ，它 由 ３ ～４个光 学元 件组成 。 在 远紫外大气遥感［ ６ ］ 等弱信 号探测 领域 ，由于信号 非常弱 ， 要 求光谱仪光学系统具有 较高传输 效率 。凹面光栅 自身同时具有色散和 聚焦 能力 ，单块 凹面光栅 就可构 成凹面 光栅光谱仪 ，光学元件少 ，因此 能量传 输效 率高 。在远 紫外
分 辨率 ０ ． ６ ｎ ｍ 的设计要求 ， 也证 明了该优化设计方 法是可行的 ，可在其他 波段推广应 用 ， 对光 栅色散型成 像 光谱仪的 设汁具有指导意义 。 关键 词 成 像光谱仪 ； 光学设计 ； 超环面均匀线距光栅 ； 遗传算法 ；Ｚ Ｅ ＭＡＸ
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — １ ４ ３ ３ — ０ ５
第３ ３ 卷， 第５ 期
２ ０ １ ３ 年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ５， ｐ ｐ １ ４ ３ ３ — １ ４ ３ ７ Ｍａ ｙ ，２ ０ １ ３
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
的曲率半径 ， 此 种光栅在超环面上通过机械刻划 的方 法容易
引 言
高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究
的Ｇ ＯＭＥ， Ｃ ＡＭＡ ＳＩ ＣＨＹ，以及 ＨＳ 中的 ｃ ｓ等 Ｊ Ｔ Ｏ 。
Ｆｉ．１ Ｋ ｅ ａ ｔｃｅ ｎ ｅ ｒ ｕ ｔａ ｉ ｌｔｉ ａ ｍ ｏ ｐｈｅ ｅ ｇ ｙ ｐ ｒ ｉｌｓ ｉ ｎ ａ － ｌｒ ｖ ｏｅ ｎ ｔ ｓ ｒ
本 文主要研究 了真空紫外成 像光谱 仪 的结构 ，并着重对
Ｆｉ． Ｓ ｈ ｍ ａ ｉ ｉ ｇ ａ ｆＣｚ ｒ ｙ Ｔｕ ｎ ｒ ｇ３ ｃ ｅ ｔｃ ｄ ａ ｒ ｍ ｏ ｅ ｎ － ｒ ｅ ｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｃ ｒ ｍ ｅｅ ｍ ｇ ｎ ｐｅ ｔ ｏ ｔ ｒ
码 获得 二维成像信息 和光谱信 息 ， 敏度高 ， 灵 适用 于微弱 光
的改进 ，从而获得了成像效果优 良的结构 。 带有 ＭＣ Ｐ的二维 成像 光 子计 数型 探测器 有 Ｘ ＤＬ探 测
器 、ＷＳ Ａ探测器 、ＭＡＭＡ探测 器ｌ 等 ，这种 类型 的探测 器 ８
特点足 ，通过微通道板实现入射光子 的二次 电子碰撞 ， 得 获 １ １。 电子增益 ， Ｏ～ Ｏ 的 并对落在 阳极 上的电子云进行位置 解
我们引入向量几何和一阶微分方法来推 导该 系统全波段像差
校正条件 。 如图 ４所示 ， 建立一个二维 向量坐标 系，可 以获得儿个 向量三角形 ： ＢＯ， Ｏ Ｃ，Ｏ ＯＣ 各 个 向量 Ａ ＡＢ０， Ｂ ＢＣ 和 Ｃ。
表 示 如 下
第 １ 期 ２
一
光谱学 与光谱分 析
ＭＣ Ｐ表面 的量子效率低 ， 需要加镀光 电阴极 以提高 响应 ； 对
于 １ ０ ０ ｍ波段 ，光电阴极采用碘化铯 ，而对 ２ ０ ０ ０ ４２ ０ｎ ０ ￣３０ ｎ ｍ波段 ， 光电阴极则 采用 碲化铯 。根 据探 测 的粒子 波段 分 析 可知在 １ ０ １ ｍ处 无重要粒 子辐射分 布 ， ９ ￣２ ０ｎ 允许一 定间 断， 故可将探测器接收表面按设计 进行分块 镀膜 ，以实 现光
大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪关键技术
中 图 分 类 号 ：Ｖ４４７＋ ．１ 文．１９３２８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００６－１６３０．２０１９．Ｓ．０１９
Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｕｌｔｒａ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ
ＨＯＵ Ｌｉｚｈｏｕ，ＸＵ Ｐｅｎｇｍｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｇｕｉ，ＬＩ Ｌｉｊｉｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｓｏｌａｒ ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ；ｓｕｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｔｒａｃｅ ｇａｓｅｓ；ＧＦ－５ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
０ 引言
大气环境红 外 甚 高 光 谱 分 辨 率 探 测 仪 （ａｔｍｏｓ－ ｐｈｅｒｉｃ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｕｌｔｒａ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ， ＡＩＵＳ）是 采 用 时 间 调 制 傅 里 叶 变 换 光 谱 探 测 技 术 的 ［１－５］ 星载甚高 光 谱 分 辨 率 太 阳 掩 星 傅 里 叶 变 换 光谱仪，搭载在 高 分 五 号 卫 星 上，于 ２０１８ 年 ５ 月 ９ 日成功发射入轨，经 在 轨 测 试，指 标 满 足 要 求，初 步 反演结果良好。
第 ３６ 卷 ２０１９ 年 增 刊
上 海 航 天 ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＳＨＡＮＧＨＡＩ
１１７
大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪关键技术
侯 立 周 ，徐 彭 梅 ，张 玉 贵 ，李 立 金
（北京空间机电研究所，北京 １０００７６）
摘 要：搭载于高分五号卫星的大气环境红 外 甚 高 光 谱 分 辨 率 探 测 仪 （ＡＩＵＳ）是 我 国 第 一 台 太 阳 掩 星 红 外 光
要数据。保证探测仪实现高分辨率太阳掩星探测的最关键技术是甚高光谱分辨率傅里叶变换光谱探测技术和太
用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计_陈伟
第 ４２ 卷 第 ８ 光Ｈ Ｏ子ＴＯ Ｎ学ＩＣ Ａ报 ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ ２０１３
ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１３４２０８．０９５０
用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计
陈伟，薛闯
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 １３００３３）
摘 要：大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的 迫 切 需 求，要 求 其 望 远 镜 具 有 大 相 对 孔 径 、宽 视 场 和 像 方 远 心 、成 像 质 量 高 等 特 点 ．以 同 轴 三 反 望 远 镜 的 几 何 成 像 理 论 为 基 础 ，研 究 了 大 相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题，并且 编 制 了 初 始 结 构 计 算 程 序．采 用 视 场 离 轴 方 式 设 计 了 一 个 波 段 范 围 ２００～１ ０００ｎｍ，焦 距 ２１０ ｍｍ，相 对 孔 径 １∶２．５，线 视 场 １４°的 远 心 离轴三反望远镜，主镜和三镜为６次非球面，次镜为二次曲面．点列图直径的均方根值小于 １６μｍ， ８０％的能量集中在一个像元以内，在奈奎斯特 空 间 频 率 ２２．２ｌｐ／ｍｍ 处，调 制 传 递 函 数 大 于 ０．７５， 畸 变 小 于 ０．２％ ，各 项 指 标 均 满 足 应 用 要 求 ． 关 键 词 ：光 学 设 计 ；望 远 镜 ；成 像 光 谱 仪 ；离 轴 三 反 消 像 散 ；空 间 分 辨 力 中图分类号：Ｏ４３３．１；ＴＮ７４４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１３（２０１３）０８－０９５０－６
２ 初始结构参量计算
离轴三反望远镜是在同轴三反望远镜的基础上 进行离轴得到的，所 以 同 轴 三 反 望 远 镜 的 三 级 像 差 理论是离轴三反望 远 镜 设 计 的 基 础．首 先 把 离 轴 三 反望远镜看成同轴 系 统 进 行 初 始 结 构 参 量 计 算，同 轴三反望远镜的光学结构和参量定义如图１所示， 图 中 所 标 长 度 量 均 为 带 有 符 号 的 量 ，规 定 ，从 左 到 右 为 正 ，从 右 到 左 为 负 ．
Ｖｏｌ．４２ Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ ２０１３
ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１３４２０８．０９５０
用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计
陈伟，薛闯
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 １３００３３）
摘 要：大相对孔径宽视场成像光谱仪已成航天、航空遥感的 迫 切 需 求，要 求 其 望 远 镜 具 有 大 相 对 孔 径 、宽 视 场 和 像 方 远 心 、成 像 质 量 高 等 特 点 ．以 同 轴 三 反 望 远 镜 的 几 何 成 像 理 论 为 基 础 ，研 究 了 大 相对孔径、宽视场远心离轴三反望远镜的光学设计问题，并且 编 制 了 初 始 结 构 计 算 程 序．采 用 视 场 离 轴 方 式 设 计 了 一 个 波 段 范 围 ２００～１ ０００ｎｍ，焦 距 ２１０ ｍｍ，相 对 孔 径 １∶２．５，线 视 场 １４°的 远 心 离轴三反望远镜，主镜和三镜为６次非球面，次镜为二次曲面．点列图直径的均方根值小于 １６μｍ， ８０％的能量集中在一个像元以内，在奈奎斯特 空 间 频 率 ２２．２ｌｐ／ｍｍ 处，调 制 传 递 函 数 大 于 ０．７５， 畸 变 小 于 ０．２％ ，各 项 指 标 均 满 足 应 用 要 求 ． 关 键 词 ：光 学 设 计 ；望 远 镜 ；成 像 光 谱 仪 ；离 轴 三 反 消 像 散 ；空 间 分 辨 力 中图分类号：Ｏ４３３．１；ＴＮ７４４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１３（２０１３）０８－０９５０－６
２ 初始结构参量计算
离轴三反望远镜是在同轴三反望远镜的基础上 进行离轴得到的，所 以 同 轴 三 反 望 远 镜 的 三 级 像 差 理论是离轴三反望 远 镜 设 计 的 基 础．首 先 把 离 轴 三 反望远镜看成同轴 系 统 进 行 初 始 结 构 参 量 计 算，同 轴三反望远镜的光学结构和参量定义如图１所示， 图 中 所 标 长 度 量 均 为 带 有 符 号 的 量 ，规 定 ，从 左 到 右 为 正 ，从 右 到 左 为 负 ．
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证 系统的传输效率 ， 但是像差 修正能力 较差 ，目前 国内很难 进 行加工 ， 口困难 ；另 一种 是 Ｃ ｅｎ－ ｕｎ ｒ Ｃ Ｔ） 进 ｚｒｙＴ ｒｅ （ － 系统 ，
它具有 好的像 差校 正 能力 ，制 造简 单 ，但 是 由 于光 学元 件
像元 尺寸 ｍ
多 ，因此传输效率要低 于前者 。 成像光 谱 仪原 理样 机 由望 远镜 ，光 谱 成 像 系统 ，探 测
第３ 期
辨率 ， 目前热 门的先进 观测使用方式 。 是
光谱学与光谱分析
场在 Ｎ ｑ ｉ 频率下 ＭＴ ｙ ｕｓ ｔ Ｆ值大于 ０ ６ 如图 ３ 。 ．（ ）
８５ ４
拟设计远紫外成 像光 谱 仪工 作轨道 高 度为 ８ ０ｋ ３ ｍ，工 作模式为临边和天底观测结合 （ 如图 １ ， 过扫 描镜完成 两 ）通
间大气遥感探测 。目前 ，国外 已经有很 多应用 于电离层探 测
的 载 荷 ， 如 ＡＩ ， ＧＵＶＩ Ｓ ＵＬ ， Ｓ ＵＳ ＲＳ ， Ｓ Ｉ Ｓ Ｉ和 Ｉ ＧＥ ＭＡ Ｒ
Ｔａ ｋ Ｐａ ａ ｅ ｅ ｓａ ｓ ｒｂ ｉｎ ｂ １ ｒ ｍ ｔ ｒ ｎｄ ｄｉｔｉ ｕｔｏ ｏｆ
盖成像 。
．
Ｆｉ ２ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｉｇ ａ ｏ ｈ ｐ ｃ ｒ ｍｅｅ 孚 ｃ ｅ ｔｃｄ ａ ｒ ｍ ｆｔ ｅｓ ｅ ｔｏ ｔｒ
・
‰ ｌｄ。 ？ｔ —— １Ｂ ． ￣ ３ ［
～
ｉ．‰￣ ｏ Ｓ ． ｃ Ｏ 。 ２Ｏｏ Ｎ ｅ％ ． ・ ｅ
９
８
．
ｐ ｒ ｉｌｓｉ ｈ ｏ ｏ ｐ ｅ ｅ ａ ｔ ｅ ｎｔ ｅｉｎ ｓ ｈ ｒ ｃ
等＿ ］ 这些先进载荷均 具有 良好 的成 像能 力和 光谱分 析能 ３， 力 。在我国 ，电离层 的光谱遥感研究技 术虽然 尚处于起 步阶
段， 但正在引起相关研究部 门 的重视 ，因此 ， 展我 国 自主 发
收稿 日期 ：２ １—６２ 。 ０ １０ —３ 修订 日期 ：２ １—９０ ０ １０ —６
间覆盖范 围很 大，但 垂直 分辨 率较 低 ；掩 日／ 月观 测 的垂直
分辨率高 ， 但只能在特定时间进行观测 ，因此 时间 与空间覆
盖率低 ；Ｉ 临边探测同时具有高空间 、时间覆 盖率和 高垂 直分
用 于大 气 遥感 的远 紫 外 光栅 色散 成像 光 谱 仪 的研 究
于 磊ｈ ， 王淑荣 林冠 宇 ，曲 艺 ， ， 汪龙祺
１ ．中国科学院长春光学精密机械 与物理研究所 ， 吉林 长春 ２ ．中国科学 院研究生院 ， 北京 １ ０ ４ ００９ １ ０ ３ ３０３
摘
要
业具有 重要 的研究 与应用价值 。
关键词
电离层 ； 成像光谱仪 ； 远紫外 ；原理样 机 ； 分辨率
文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｉ １ ． ９ ４ｊｉ ｎ １０ —５ ３２ １ ）３０４ —５ Ｏ ： ０ ３６ ／．ｓ ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—８ ４０ ｓ
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ １ ４ ．
Ｆ Ｅ１ 。 。 器Ｄ・８ 。 。 Ｒ瞿 ． Ｉ ， Ｃ ２ １ ｇ
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ｃ品 Ｉ Ｉ 。
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２ ２ 光谱成像 系统设计 ．
为保证 对 Ｌ Ｈ（ ＰＮ ） 的精 确探 测 ， 要仪器 的光 谱 Ｂ Ｉ ２ 带 ￣ 需 分辨率 小于 ２ ５ｎ ｌ ． ｌ，同时为了实现拼接后的全球成像 ， 器 Ｔ 仪
行 了初步 的实验研究 。 样机是国内首次针对 电离层 探测而 该
引 言
电离层所包含 的信 息对人类 十分 重要［ ］ １ 。电离 层能用 来反射和传送高频无线电信号 ， 能帮助人类更好 的进行通讯
活动 ；电离层 内部分布 的粒子会干扰卫星载荷 电子学系统 的
开发研制 的成 像光 谱仪 器 ，将 为提 高我 国大气 遥感 探 测能
力 ，强化电离层空间业务应用奠定技术 基础 。
１ 观测 目标 与探测原理
电离层远 紫外成像光谱仪 主要探测 的粒子分布及反演参
数见 表 １ ［ 。
遥感信息收集和发送 ， 时检测可 以帮助我们 更有效 的进行 实 遥感信息 的跟踪 ； 地磁场 的变化会 影响 电离层 ，对这种扰 动 现象 的观察可 以作为地震预警的重要参考 ；通过对 电离层 中 扰动 的监测还可 以观察星体的活动周期和进行 军事监视 。由 于 电离层极易受到扰动 ，实时变化快 ，其粒子辐 射波长 主要 分布在远紫外波段 ，完全 被低 层大气吸 收 ，因此 必须使用 空
种观测模式 的结合 ，扫描方向为 ＋Ｚ方 向并 与卫 星运行 方 向 相垂直 ； 器首先完 成临边观测功能 ， 沿地 球 ５ ￣５ ０ｋ 仪 对 ０ ０ ｍ
的各高度切线方 向上 的大气进行观测 ， 之后 天底观测扫 描地 球表面上 的一个宽带 ，在卫星绕地球运转一周后 将各带 拼接 从 而实现对全球 的覆盖 。最终实现对电离层 的光 谱探测 和覆
离层进行成像 ，光谱成像系统将物镜所成像 斑进行分 光并入 射在探测器表面 ，最终 由数据处理系统获得 成像结果 并输 出 到计算机 。
各个 系数意义如表 ３所示 。
２ 光学 系统分析 与设计
２ １ 前 置望远 系统设计 ．
由于上 述三种像 差不能在代数上 同时 为零 ， 利用 遗传算 法进行辅助优化 ， 以求得该结构 的初始参 数 。将算 法优化 可 结构参 数输 入 Ｚ ＭＡ Ｅ Ｘ中进行光线追迹和优化可 以得到成像 光谱仪结构 如图 ４ ，光学设计结果图如图 ５所示 。 从 图 ５中可 以看 到，设计系统可 以在全 波段全视场 达到 点列图 ＲＭＳ半径值小于 ９ Ｔ， Ｉ 这表示设计 系统的像 面上 的 Ｉ
至少要 在运动方 向覆盖 ３ ８的视场 ， ．。 根据观测要 求可计算 出 仪器设计指 标见表 ２ 。
Ｔａ ｌ Ｓ ｅ ｉ ｃ ｔ ｎ ｏ ｈ ｎ ｇ ｇ ｓ ｅ ｔｏ ｔ ｒ ｂｅ２ ｐ ｃｆ ａ ｉ ｆｔ ｅ ｈ ａ ｍ ｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ｉ ｏ
由于远紫外波段信号微弱 ，应用于 电离层探 测 的光谱 成 像系统通常使用适于微弱信号探测 的反射 式系统 ，色散元件
器 ，数据采集读 出系统 （ ２ 组 成。望 远镜 对无穷 远处 的 电 图 ）
２ ２ １ 单 超 环 面光 栅 系统 ．．
根据光栅工作 原理 和光 程理 论［ １ 析 ， 超 环面 光栅 分 将 的光程 函数 表示 如下
Ｆ ＝ ＋ Ｆ 。 Ｆ２ ＋ Ｆ３ Ｆ ＋ ２ ＋ ｏ 。＋ ＋ ＋ … （） １ Ｆ１ Ｆ２ ＋ ｄ＋ Ｆ加 ＋ １ ２＋ ２ ＋
研制 的电离层探测仪器 ， 尤其是成像光谱 仪器 ， 于我 国空 对
间物理科学研究具有非 常重要 的意义 。
空间大气遥 感仪 器 的观测 方式 按照发 展 阶段 可分 为三
种 ，即天底 观测 、掩 日／ 月观测 和临边 观测 ， 天底观测的空
成像 光谱仪兼具成像仪 获取 目标景物影像信息 的功能和 光谱仪 获取 目标光谱信 息的功能 ， 能以高光谱分辨 率获取 目 标 的超 多谱段 图像 ［ ，因而正在得 到广泛 的应 用 。 工作研 ７ ］ 本 究了适用 于电离层 探测 的远 紫外成像光谱 仪原理样 机 ， 并进
０
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三．
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ｓＰＲＴ Ｒ Ｆ Ｉ Ｌ 口 ＮｃＹ Ｉ
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ＰＯ ＬＹＣＨ ＲＯＨＦＴＩ Ｉ Ｃ ＤＩＦ ＦＲＲ ＴＺ Ｃ ＯＮ ＨＴ Ｆ
基金项 目：国家 自然科学基金项 目（１ ７ １ ６ 和应用光学 国家重点实验室基金项 目资助 ４０４２）
作者简介 ： 于
磊 ， ９４ １８ 年生 ， 中国科学 院长春光学精密机械 与物理研究所博士研究生
ｅ ａ ： ｏ ｌｏ ｓ ｍ ｉ ｕｔ ｅ ｕ ｃ － ｉ ｔｐ ｇ ｄ＠ｅ ａ． ｓ ．ｄ ．ｎ ｍ ｌ ｌ ｃ
采用平面光 栅 或 凹面 光 栅 。一 般 包 括两 镜 结 构 （ Ｅ ｂｒ 如 ｌｅｔ － Ｆ ｓｉ 系统 ， ｚｍｙＴｕｎ ｒ ａｔ ｅ Ｃ ｅ － ｒｅ 系统） ，单镜 结构 （ ｄ ｗ ｒｈ系 Ｗａｓ ｏｔ
统） 和单光栅结 构 。这些光 学 系统 由于可 调参 数少 ，因此较 难在宽波段上实现很高 的成像质量 。为满足成像 光谱仪 的成 像 使用要求 ，国外常使用一些 非常规技 术 ，如变 间距 凹面光 栅［］ 】 和非球 面镜 ，目前 实际应 用 中 的系统 空间 分辨 率最优 ｏ
基本光栅方程
球差 慧差
０ ，
２ Ｒ４ ，
Ｆ３ ０，Ｆ１ ２ Ｆｏ ２， ，Ｆ２ ０
像散
（ ） 一
式 中，
为光栅到聚焦镜 的距 离 ， Ｆ为聚焦镜 到像面 的距 ＬＪ
离， ａ为像 面与垂直方 向的夹 角。用 Ｚ ｍａ ｅ ｘ设计得 到结果 如
Ｔｅｅ ｃ ｐ ｌｓｏ ｅ
第３卷， ３ ２ 第 期 ２０ １２年 ３月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅｔａ ａｙ ｉ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ３ ｐ ８ ４ ８ ８ １３ ， ． ，ｐ ４ —４ Ｍ ａｃ ｒ ｈ，２ １ ０２
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