甚高光谱分辨率分光系统的设计

甚高光谱分辨率分光系统的设计m；以来.地球表而的平灼富度已经上升了心摄氏度.由温室效应导致的全球变暖已成为引起世人扶注的蛊点问覺-温室如应主要是由于现代化工业社舟过多燃烧煤炭、仃油"I丿〔熬气.大量排放尾气.这些燃料熾烧后放出大量前二筑化礦气怀进入丸气世成的-此外.k类活动*1大「【然辻排敢其他温室气你.如匚屮烷、低空臭氣、朮蒸气等.为仃效的控制*1减少说室气沐的排放■减缓全球变暧述度“对说室气休的来源打汇案地的检测是必不町歩刑至关重要的口近邙来，美国、H本刑欧盟国康等都仃相关的卫星发射未进行全球性的篠探测帆呵.对气休进裁检测需耍很高的光谱骨辨率円相对孔怪'本文采用相对孔径大r光谱分辨率高的Littrow-Offncr光嵌喙呆统.针对二氣化碳检测的主要—个二作波段进厅分光聚统的设计M像质评儘・4.1基本参数的确定碳源礙汇探测卫乩采用大气娜分吸收光谱探测找术“通过装载高光谱与高空间分辨那温童气怵探测仪対全球主要含篠气怵进行曲测.其基本原理曲是制用空气中的气休分『的窄带吸收恃性来鉴别气休诚分.井根播窄带吸牧强度来扭演出气休的淋度-碳曲测的任备屮主要检测二个波段“丈、踣一个波段是讨C)=-A带波段的检测.波段范0.75^-0.772^1］，所需要的光谐分辨率ZJ0.(］>ntin節二个波段是对弱(1®H®波段的检测.波段范鬧是1.5>l)-l.675pm，所需耍的光谱分辨率7J0.15n［i］i笫.［个波段星对强〔5波段的检测.波段范圉是肿耳［1】，所需要的光谱分辨率％」0-lnn：..遥感碳检测炖卜1屮为「获得高的怡噪比*光谱分辨率，需要尿证光学誕绒具仃强的集光术领.一般所需的］■'数要高于朮文设计的卩数为1.^按测器采用像元大小为卵尚・肖貌橡素数为256^1^4,三希波段所需的有数樣素麴分剧为巧弘砒了、256^774.25t)x42O,光谱繼宽度分别h8.46mm,14mm>对瓯採测器匕寸所采闻的按缝辰度力4血—现将样标萎数见表如表4.1所示：表4.1折&滲数参数工作波段/ym有火像素光谱维宽度/mm值02・人带波段0.758^0.772256x4678.46弱CO2带波段1.559-1.675256x77414强CO2带波段2.043-2.085256x4207.6参数F/#像元尺寸/pm狭缝长度/mm值1.818x184.6很据2.2节中的结构尺寸何的相互制约关系式(2・6)和(2・12九按照2.4节中给出的系统初始结构计算过程，可计算得到三个系统的初始结构参数如表4.2(a)(b)(c)所列，表中各符号所代表妁含义参见笫二章的介绍。衣4・2初始结构琴数参数值/mm参数参数值/mm参数值广Ri800ai-14.4R2•400卩114.4h)198U2301/n0.68x103卩239(a>O2-A带波段参数值/mm参数值Ri712ai-17.1R2・339P-17.1hi98(1230L/n1.4xl03卩237<b)弱CO’帝波段<c)强C02w波段参数值/mm参数值/。Ri666ai■14.SR2-333p.14.5hi1670237.7l/n0.68x2血39.34.2设计结果与腐三章类似，为进一步缩小系统的尺寸和减小像散，引入带有负像散且弯向像而的弯月透镜。将表4.2中的初始结构参数和萼月透镜的数据输入光学设计软件屮.建立合理的优化函数和约束条件，反复优化得到满足于指标参数的光学系统。其中对优化函数的设宜，主要包括基木性能捋标、谱而宽度、谱线nIlli.色畸变、拦光、结构尺寸等方而.优化设计所得到的光学系统分别如图4・1(a)(b)<c)所示，其结构参数如表4.3(a>(b)(c)所列。三个系统都是由入射狹缝O、一块平面反射镜、一块弯月透镜M2、一块凹而反射镜何|、一块凸而光栅G和像平而I组成，孔径光阑设在凸而衍射光栅G上，系统滦用等间距的直线槽光栅。图4・1中，O为入射狹鮭•I为探测器.经过入射狭缝O的光束，经平而镜反射后经弯月透镜何2到达凹而反射镜M,.凹面反射键Mi将光束反射至凸而光栅G处，经由凸而光柵G按波长分光后反射到凹面反射繚Mu再由凹面反射镜Mi将备个波长的光线会聚经过弯月透橈Mz后成像至探测器.由探测器接收到不同波长的光谱像°图4-1(a)是O-A带波段优化设计所得到的光学系统光路图，尺寸为6SOninix423mmx17gmm,光栅线对数为185()lp/mm，中心波长在凸而光栅上ft-J入射角约为30°>一级衍射光的衍射角从37.7°(0.7SXpm)到39」。(0・772即讥图4-1(b>是第二段波段优化设计所得到的光学系统光路图，尺寸为340n)mx210mnixl()0mm,光栅线对数为730屮心波长在凸而光栅上的入射角约为3U。，一级衍射光的衍射角从38.7°(L559pm)到42.10(1.675pm)o图4・1(c)是强CO2帯波段优化设计所得到的光学系统光路图,尺寸为560mnix358mnix156nim,光栅线对数为6SOlp/nirti■屮心波长;在凸而光栅上的入射ffj约为38.2°,一级衍射光的衍射角从45.”(2.043pm)到47.5^2.085pm)o<a)02-A<a)02-A带波段<b>弱CQ带波段<c>強CO,带波段04-1设计结果光路罔表4.3优化役计即到光学系统的结构参数(a)(HA带玻段元件曲率半径何隔垂轴偏离疑材料入射狭缝Infinity40——平而反射镜Infinity-253—MirrorM2287-36・215BK7324・329——Mi653329—MirrorStop324・329—GralingMi653329—Mirrorm232436—BK7287283———

<b)弱CO,带波段元件ini率半從间隔垂轴偏离量材料入射狭缝Infinity40——平面反射镜Infinity-110—MirrorM2144-30・1LOBK7173・196——Mi370196—MirrorStop173・196—GratingMi370196—MirrorMi17330—BK7144140——(c)强CO,带波段元件l!(l率半径间隔垂轴偏离量材料入射狭缝Infinity55——平面反射镜Infinity-197—MirrorM2244-33•127BK7278・2谜——Mi567288—MirrorStop278・2谜—GratingMi567288—Mirrorm227N33—BK7244236——4.3像质评价下文将以弱CO2带波段的光学系统为例，分别选UX(2.3mni,(»,(l.l5mni,Q),(0.0)三个视场的短波限1.559pm、中心波长1.617pm及长波限1.675pm三个波长对系统迸行■像质评价。评价的指标参数主要包括MTFIlli线、点列图、能量集中度、谱面光照度、谱线弯曲和色畸变。(1)MTF(调制传递函数)1^4-2是系统在探测器奈奎斯特频率(281p/mm)处的MTF(调制传递函数)曲线。其中,(a)x<b)x(€)分别是系统的短波限(1.559pm中心波长(1・617叩人长波限(1.675pm)在不同视场处的MTF|!!|线图，图中的黑色线是衍射极限，不同视场的曲线基木重合。由图可知，系统的最低MTF大于().7(),成像质虽:优异。<c>k=1.675pm图4-2MTF曲线(2)光线追迹点列图图4・3(a),(b)、(c)分别对应于短波限1.559pm、中心波长1.617pm及长波限1.675pm三个波长的点列图情况。图屮方框代表探测器像元尺寸，边长为18pm,系统点列国的RMS系统点列国的RMS半径值均小于4皿口所倚像点都能比软集中的落在单个探测器像兀范圉内。・•・・・■・01!•»:1•・".:*li1：T1•:••■—:•••••：•5*!!!S*.2fT・!(a)A=1.559pm(b)AH.617|im(c)X=1.675|imm4-3光线追迹点列国<3)衍射能量集中度图4・4(a)、(b)%(c)分别对应于短波限1.559prti*中心波长1.617pm及长波限1.675pm三个疲长的衍射能虽集中度Illi线，横坐标为像元尺寸的一半.纵坐标为在单个像元尺寸范围内所集中的衍射能星百分数-由圏看出，系统在单个探测器范m内的衍射能虽集中度均大于0.82OQl・559|im<b）入=lQl・559|im(c)1=1.675pmm4-4衍射能坦:集中度曲线(4)豫而相对照度图4・5为系统在中心波长1.617pm处像而相对照度Illi线.横坐标为考察的像而范嗣，用其矩形橡而边长的一半表示.纵坐标为系统的相对照度值。由图中可臥看出系统在像而的相对照度值为0一997以上.像而照度均匀。

图4・5相对腮度曲线<5）谱线弯曲和色畸变图4-6和图4・7分别是系统的谱线弯rill央真曲线和色崎变Illi线”其横坐标均为归一化视场，纵坐标为系统相应视场的谱线弯曲和色畸变的值。由图看出光学设计的分光系统的谱戮弯Illi和色畸变的最大值分别为0.061pm和0」21叩，都符合耍求。07W051.559um1.frl7um1・6