[发明专利]日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统

说明书

本发明公开了一种日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统，包括望远镜、狭缝、准直镜、全息体相位透射光栅、聚焦镜和像面。该系统为像方远心系统，视场角20°，可以满足一般空间光学遥感需求；工作波段为670nm～780nm，覆盖植被日光诱导叶绿素荧光主要探测窗口；系统F数可根据不同需求设定为1.8～3之间，以保证系统的高光通量传输能力和探测的高信噪比；像元光谱采样0.05～0.1nm/像元，可实现0.3nm以上的光谱分辨率；同时具备优越的成像质量，能够获得较为丰富的植被日光诱导叶绿素荧光信息。

技术领域

本发明属于高光谱成像技术领域和空间光学技术领域，具体涉及一种日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统。

背景技术

日光诱导叶绿素荧光是植物光合生产力的直接表征，被称为植物健康状况和光合作用的“探针”，遥感荧光信号可直接指示无胁迫条件下的植物光合生产力大小和植物受外界环境胁迫程度，在植被生态应用中具有十分重要的科学和应用价值。日光诱导叶绿素荧光通常淹没在植被冠层反射信号中，其能量仅占比1％左右，为了将这种荧光光谱信息从冠层反射光谱中准确分离出来，需要光学遥感仪器上具备超高的光谱分辨率和信噪比，以及一定的成像分辨能力。这些探测和反演需求传统植被光学遥感高光谱成像仪器不能满足。

日光诱导叶绿素荧光的特殊探测机理要求探测用的高光谱成像仪器必须在荧光波段(670-780nm)具备亚纳米级(0.3nm)的光谱分辨率和超高的信噪比(平均200，最高1000)，同时保证一定的视场覆盖和成像能力，这样探测数据才能够有效反演荧光信息。但是分辨率与信噪比之间存在着明显的制约关系，必须设计出新型的超光谱成像光学系统，才能满足应用需求。

日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪属于新兴技术领域，成熟的遥感仪器极少。欧空局正在开展的FLEX(Fluorescence Explorer)项目是未来第一个星上荧光遥感载荷，这台仪器视场角为10.8°，地面像元空间分辨率0.75mrad，通过2个分立的探测通道覆盖500-780nm的工作波段，在短波部分光谱分辨率2nm，在长波部分光谱分辨率最小为0.3nm。不同观测模式下最小信噪比115，最大信噪比1015。该载荷预计于2022年发射应用。芬兰SPECIM公司的植物荧光光谱成像仪(AisaIBIS Fluorescence Imager)是市面上唯一一个商用产品。作为目前市面上仅有的日光诱导叶绿素荧光光谱成像探测仪器，其工作波段覆盖了670-780nm的可见-近红外波段，光谱采样间隔0.11nm，最小光谱分辨率0.33nm，仪器视场角32.3°，空间分辨率1.5mrad，最小信噪比高于100。目前我国在该领域仪器的研制正处于发展阶段，尚无成熟产品和遥感仪器得到应用。

满足日光诱导叶绿素荧光探测需求的超光谱成像探测仪是未来植被生态遥感应用中的一个重要手段，对本仪器的研制技术攻关主要集中于实现仪器的超高光谱分辨率、高信噪比和良好的光学成像能力。

与中国专利201811012191.8相比，本发明有以下不同点：

(1)本发明为完善的植被日光诱导叶绿素荧光超光谱成像仪光学系统，包含望远镜和成像光谱仪，可实现对无穷远至近处的完善成像能力，而专利201811012191.8不具备这种成像能力；

(2)专利201811012191.8其孔径光阑在光栅上，光路近似物方远心；本发明孔径光阑放置于望远镜中，全系统实现了较为完善的像方远心，且因孔径光阑的改变而使得成像光谱系统的准直镜组和聚焦镜组设计方式和形式均发生了改变，其组成的透镜类型和曲率半径与专利201811012191.8完全不同；

(3)本发明明确使用全息体相位透射光栅，专利201811012191.8中使用的是一般透射光栅，其衍射效率、闪耀波长、衍射能力均有极大不同。

发明内容