[发明专利]一种成像光谱仪畸变补偿结构

说明书

本发明公开了一种成像光谱仪畸变补偿结构，由畸变望远物镜、曲线狭缝视场光栏和畸变光谱仪组成。视场光栏形状与望远物镜畸变进行匹配设计，采用曲线狭缝；光谱仪也与望远物镜畸变进行匹配设计，引入自由曲面产生等效反向smile畸变。本发明从光学系统角度，根本上解决了直线条带目标弯曲分光成像在探测器多行上的问题，尤其是对于望远物镜焦面上进行多视场拼接的成像光谱仪，极大降低了光谱仪光学装调、系统畸变标定和数据处理的工作量，也避免了图谱融合时使用重采样技术而造成的信息损失。

技术领域

本发明涉及遥感探测领域中的成像光谱仪的光学系统，具体是指一种系统畸变补偿结构，针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪。

背景技术

推帚式色散型成像光谱仪广泛应用于航空航天领域，由望远物镜和光谱仪组成。其光谱仪通常由视场光栏、分光光学和探测器等模块组成，其视场光栏通常是一条或几条直线狭缝。

典型机载星载光谱成像仪器为避免畸变影响，仪器光学系统设计优先考虑从构型选择上对望远物镜和光谱仪进行独立消畸变设计。例如，德国EnMAP成像光谱仪，像方远心离轴TMA望远物镜的畸变极小，光谱仪为准同心Féry棱镜结构，双通道keystone和smile均小于1/5像元。然而，这种设计的前提是系统性能指标和其它约束相对宽松，EnMAP的视场、空间和光谱分辨率均为中等，同时卫星配置的体积重量资源相对宽裕。

机载星载仪器在飞行平台重量体积资源配置稀缺的情况下，光学构型选择会受到限制，像质、畸变、光瞳匹配和结构布局需综合考虑，某些场合望远物镜会存在畸变。例如，2008年发射的印度Chandrayaan-1卫星上的由NASA JPL实验室研制的M3探测仪，优先考虑望远物镜像质和像方空间布局等因素，无法兼顾望远物镜远心和畸变，在对月表几何特征的测绘精度要求不高的情况下，仅光谱仪消畸变设计，而望远物镜存在较大畸变，17.24mm长度狭缝的视场弯曲最大为0.31°，即217μm(约8个像元)。这种畸变表现为直线狭缝单色像成像在探测器的多列上，同一列上每个像元的响应峰值光谱不同，造成目标特征成份识别误差。M3仪器的解决方法是通过实验室定标，结合外场或星上定标，确定探测器像元与探测地元间的精确物像关系，建立畸变修正模型，应用重采样技术进行图谱融合。这种技术必然影响到分辨率和图谱融合精度，适用于仪器空间光谱分辨率设计余量大或对探测目标几何光谱特征识别要求不高的场合。对于基于视场分离技术的宽波段大视场成像光谱仪，多个光谱仪共用单个畸变望远物镜，由于各通道光谱仪输入视场弯曲程度不同，问题更突出。

针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪，本发明提出了一种新的系统畸变补偿结构，能够从根本上消除望远物镜畸变的不利影响，极大降低了光谱仪光学装调、系统畸变标定和数据处理的工作量，也避免了图谱融合时使用重采样技术而造成的信息损失。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对望远物镜带有畸变的成像光谱仪，基于上述已有技术存在的一些问题，本发明提出一种系统畸变补偿结构，对成像光谱仪望远物镜的畸变特性加以利用，调控视场光栏形状来适应望远物镜畸变，对光谱仪引入smile畸变，以实现系统畸变补偿设计，可从光学系统硬件上消除望远物镜畸变的不利影响。

本发明涉及的成像光谱仪系统畸变补偿结构的原理如图1所示。本发明认为畸变望远物镜1的畸变是成像光谱仪系统畸变的一个分量，而系统畸变的另一个分量是畸变光谱仪2的smile畸变，理论上两者能够互补从而实现系统畸变补偿。直线条带的探测目标经畸变望远物镜1弯曲成像，经弯曲狭缝视场光栏2后进入畸变光谱仪3，再经畸变光谱仪3分光成像在探测器4上，探测器光谱维上每一行的准单色像对应一条直线条带的探测目标。