[发明专利]一种大视场宽谱段机载差分吸收成像光谱仪的光学系统

说明书

本发明公开了一种大视场宽谱段机载差分吸收成像光谱仪的光学系统，包括前置望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统，前置望远成像系统主要由前置紫外物镜镜头构成；Offner‑Littrow光谱成像系统具体由滤光片、入射狭缝、凸面光栅和凹面反射镜构成；前置紫外物镜镜头根据探测波段(200‑276nm、276‑380nm、380‑500nm)分别由三个独立的前置镜头组成，每个镜头的视场范围达到40°。Offner‑Littrow光谱成像系统根据上述波段也独立地由三个光谱仪组成。各波段光从前置镜头聚焦进入光谱仪入射狭缝，经过光谱仪入射狭缝后端滤光片将三组需要探测的光谱进入光谱仪，相应光谱信息经凹面反射镜反射后，再由凸面光栅分光，光路转折至凹面反射镜后聚焦到探测器上。本发明保证测量准确性，使整体光学系统体积紧凑。

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体的是一种收集、汇聚地表及天空紫外、可见散射光的机载差分吸收成像光谱仪的光学系统，主要应用于航空机载平台的差分吸收光谱仪探测，由前置望远成像系统和光谱成像系统两部分组成。

背景技术

紫外高光谱机载成像光谱仪通过探测地表面反射、散射的紫外光辐射来解析痕量污染气体成分NO₂、SO₂、O₃等的分布和变化，光学系统探测光谱范围200nm～500nm，视场为40°。成像光谱仪技术方案必须在应用需求，机载可提供资源和技术能力等方面进行综合的工程权衡，优选光学结构。高分辨率成像光谱仪的地面和光谱分辨率都很高，积分时间短，焦平面器件接受的辐射能量弱，这是比较技术方案、优选光学结构时工程权衡考虑的重点。

来自地表的散射光通过前置望远镜镜头会聚进入光谱仪的入射狭缝，利用Offner-Littrow成像光谱仪色散并成像到各面阵探测器。光敏面的行向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱波段的像；光敏面的列向是色散方向，称光谱维，每一列光敏面元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个垂直飞行方向地物条带的光谱数据，加上飞行平台方向的运动，以一定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像中各像元的光谱数据。光信号经过探测器进行光电转换，由信号处理电路进行放大、直流恢复、滤波，经过AD转换器将模拟信号转换为数字信号，从而获取高光谱、高空间分辨率的光谱信息。

为了与Offner-Littrow光谱成像系统的光瞳相匹配，前置光学系统必须具有像方远心的结构，且宽波段范围内系统的分辨力较高。机载成像光谱仪的空间分辨率是由前置光学系统来决定的，根据不同的应用目的选择不同的前置光学系统，一般由于我们所测波段包括紫外波段，受紫外玻璃材料限制，考虑反射式结构。反射式望远镜适用宽谱段，但难以实现大视场，且加工装调较为复杂，体积较大，成本过高。如果反射式前置望远系统需实现大视场，往往需增加运动摆扫机构，但不适用于小型机载平台。而机载推扫式成像光谱仪采用透射式光学系统，能够得到相对大的视场和孔径。

目前机载成像光谱仪有几种类型：一种是基于反射式或透射式平面光栅，另外一种是基于Offner系统。基于像差校正的平场凹面反射光栅的图像光谱仪，由于视场小以及光谱像质不均匀，很难被采用。基于平面光栅的图像光谱仪必须要有一个准直系统和聚光系统。这是因为入射到平面光栅的光束必须是准直的，而从平面光栅衍射出来的光也是准直的。为使光谱像质提高，准直和聚光系统往往比较复杂化，这些光学系统使光能量损耗增加，光谱像常存在着从准直系统和聚焦系统带来的剩余像差，空间方向和光谱方向分辨率低，成像质量难以提高。而且整体装校难度大，造价高。