[实用新型]基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统

说明书

本专利公开了一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统。其特征在于：地面目标的一个条带经过改进型施密特望远镜汇聚成像在焦面位置狭缝上，再经自由曲面OFFNER光谱仪色散后分波长成像在面阵探测器上，随着平台运行推扫获得图谱合一的图像。本专利解决了现有大视场快焦比高光谱成像仪光路复杂、非球面众多、制造和装调困难的问题。采用改进型施密特式望远镜，仅含有一个非球面，结构简单、加工难度低，具有像质优良、畸变小、中心遮拦比小特点；采用自由曲面凹面镜光谱仪形式，避免使用大口径透镜，实现了大视场像差校正。因此本专利适合大口径宽视场快焦比小畸变高分辨率的高光谱成像领域，极大程度降低仪器的研制难度。

技术领域

本专利涉及星载大视场快焦比高分辨率高光谱成像仪，具体是指一种采用改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳(OFFNER)光谱仪结合的高光谱成像仪形式。

背景技术

高光谱成像技术把成像技术与光谱技术相结合，可以同时采集地面物体的空间特征和光谱特性，是对地遥感与目标探测的重要手段，在国土资源探测、环境灾害监测、农林渔牧、海洋监测以及目标探测、伪装识别等领域发挥着越来越重大的作用。

欧美等发达国家十分重视空间遥感高光谱成像仪的研究，投入了大量的人力和物力，取得了一定的研究成果。国际上具有代表性的星载高光谱成像仪是2000年美国EO-1卫星上的Hyperion成像仪和2001年欧洲PROBA小卫星上的CHRIS成像仪。国内，2018年5月成功发射了由中国科学院上海技术物理研究所承担研制的高分五号可见短波红外高光谱相机载荷。未来各国均规划了性能更先进的高光谱传感器，包含印度正在研制高光谱卫星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3，计划2020年发射；以及2023年计划发射的美国HyspIRI卫星等。

美国TRW公司研制的Hyperion仪器，采用TMA共用望远镜和分色片分光成两个Offner凸球面光栅光谱成像结构，在705km轨道高度幅宽7.5km对应视场0.61度，工作波段400nm-2500nm，光谱通道数220个，空间分辨率30m。英国Sira公司研制的CHRIS仪器，在830km轨道高度成像幅宽18.6km对应视场1.28度，光学系统采用卡式望远镜和棱镜色散光谱成像结构，工作波段400nm-1050nm，分为两个光谱通道VNIR和SWIR，VNIR的光谱通道数为16、空间分辨率为17m，SWIR的光谱通道数为62、空间分辨率为34m。中国研制的高分五号可见短波红外高光谱相机载荷，采用离轴三反主光学望远镜和校正透镜凸面光栅offner光谱仪结构，实现了对地成像优于30m空间分辨率，具有330个光谱通道和60km成像幅宽，与Hyperion相比，该载荷幅宽提高了8倍。目前印度正在研制高光谱卫星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3，幅宽为25km，空间分辨率25m，光谱分辨率为12nm，接近200个通道数。而美国正在研制的HyspIRI卫星，其载荷幅宽达到了150km，接近13.8度视场，空间分辨率为30m，光谱分辨率为10nm，在380nm-2500nm光谱范围内接近220个光谱通道。

国内外高光谱成像仪发展显示，幅宽由Hyperion的7.5km到HyspIRI的150km，可见随着空间遥感应用的不断深入，对高光谱遥感的幅宽、空间分辨率、光谱范围、光谱分辨率、时间分辨率与定标精度等指标提出了新的要求，要求其视场覆盖范围越大，这样回访周期越短，仪器的时间分辨率就越高；同时由于像面照度与相对孔径平方成正比，相对孔径越大，仪器的集光能力就越强，信噪比就越高。因此星载大视场、快焦比高分辨率高光谱成像仪成为空间遥感的迫切需求。

由国内外星载大视场快焦比高光谱成像仪发展趋势来看，常用的望远镜形式多为离轴三反和同轴两反结构，光谱仪形式多为凸面光栅OFFNER和棱镜色散形式，这些光学系统存在很多难题，主要体现在：

1.离轴三反望远系统，采用三个离轴非球面组成，系统较为复杂，制造难度大、难以消除高频误差，而且装调困难。