用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。     

星载扫描层析临边成像光谱仪光学设计EI北大核心CSCD

星载扫描层析临边成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据临边宽水平覆盖轻小型星载扫描层析临边成像光谱仪的研究目标,采用一维扫描镜、离轴抛物面望远系统和非球面光栅光谱成像系统匹配,设计了一个视场0.75°×0.017°、相对孔径1/1.8、工作波段280～800 nm的星载扫描层析临边成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图直径的均方根（RMS）值均小于34 mm,光谱分辨率0.84 nm,满足的指标要求（≤1.2 nm）,扫描层析临边成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.57以上,能够满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

星载扫描层析临边成像光谱仪光学设计

星载扫描层析临边成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据临边宽水平覆盖轻小型星载扫描层析临边成像光谱仪的研究目标,采用一维扫描镜、离轴抛物面望远系统和非球面光栅光谱成像系统匹配,设计了一个视场0.75°×0.017°、相对孔径1/1.8、工作波段280~800 nm的星载扫描层析临边成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件CODE V进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图直径的均方根(RMS)值均小于34 mm,光谱分辨率0.84 nm,满足的指标要求(≤1.2 nm),扫描层析临边成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.57以上,能够满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8nm)和光谱分辨率优于0.01nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。     

空间大气遥感高光谱成像仪光学系统设计

多模式高光谱成像仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据多模式空间大气遥感的研究目标,采用扫描系统、离轴抛物面望远系统和双光谱仪级联色散光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个瞬时视场1.8°×0.045°、相对孔径1/2、工作波段250~500nm的星载天底-临边多模式高光谱成像仪光学系统,分成250~330nm和320~500nm两个波段同时探测,利用光学设计软件ZEMAX-EE中进行了光线追迹和优化设计,色散方向不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于9.5μm,在250~330nm波段,光谱分辨率为0.17nm,在320~500nm波段,光谱分辨率为0.37nm,均满足小于等于0.6nm的指标要求,高光谱成像仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.9以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪光学设计

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪是一种新型空间光学遥感器,根据宽波段、大动态范围、小型化的要求,提出了利用随波段衰减滤光片调节入射信号的强度,实现宽波段大动态范围临边成像光谱同时探测的新方法。采用离轴抛物面望远镜和离轴非球面光谱成像系统,设计了一个棱镜色散型宽波段临边臭氧廓线探测仪光学系统,工作波段290~1000 nm、视场1.4°×0.032°、焦距80 mm,相对孔径1/6。利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了优化设计和性能评价,结果表明,成像点弥散斑半径的均方根值最大为6.2 mm,小于探测器像元尺寸的1/2,在290 nm处,光谱分辨率0.9 nm,在1000 nm处,光谱分辨率22 nm,均满足设计指标要求。临边臭氧廓线探测仪全系统不同波长的光学传递函数在特征频率7.4 lp/mm处大于0.82,设计结果满足成像质量要求,且具有体积小、质量轻的特点,适合空间遥感应用。     

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学系统

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱,针对这种情况,在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130～180nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜,串联Wadsworth结构为成像光谱系统;这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜,分光器件为平面光栅和球面光栅串联,实现二次色散,同时球面光栅起到聚焦成像作用;在像差理论的基础上,对该结构的光程函数和各像差进行了分析,获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统,设计结果证明系统像差得到了充分校正,在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率,性能优越。     

空间遥感大气痕量气体临边探测仪设计与研究

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求,设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成,工作波段为380~570 nm.在工作波段内,点列图半径的均方根值均小于9 μm,校正了像散,整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg,体积420×350×200 mm³,空间像元分辨力0.6 km,光谱分辨力0.86 nm,各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验,外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对,二者具有很好的一致性,表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好,满足大气痕量气体探测的应用要求.     

高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300 nm)的粒子探测,完善大气遥感,设计了一种高分辨率成像光谱仪,并开展了原理样机的研制.根据国外已有载荷进行分析,选用了以离轴抛物镜为望远系统、Czerny-Tumer结构为成像光谱系统的光学方案;针对真空紫外波段辐射弱的特点选取了带有MCP的二维光子...     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。     

星载多模式差分吸收高光谱成像仪光学设计

星载多模式差分吸收高光谱成像仪是一种新型空间大气探测仪器,要求同时具有天底、临边和掩日等多模式探测功能,主要用于二氧化硫、二氧化氮等大气痕量气体探测。提出了利用两个扫描镜切换不同探测模式、利用双光谱仪减小系统的光谱杂光,利用分色片将工作波段分成3个通道实现多模式高光谱分辨率探测的新方法,设计了一个多模式差分吸收高光谱成像仪光学系统,瞬时视场为1.8°×0.04°,系统F数为2,工作波段为250~500nm,分成250~310nm、300~410nm和400~500nm 3个通道。利用ZEMAX-EE软件进行优化设计和分析,其中250~310nm通道,光谱分辨率为0.12nm,满足光谱分辨率不大于0.4nm的指标要求;300~410nm和400~500nm通道,光谱分辨率分别为0.25nm和0.23nm,满足光谱分辨率不大于0.6nm的指标要求。多模式差分吸收高光谱成像仪在空间维方向的调制传递函数(MTF)在特征频率0.25lp/mm处达到0.98以上,能够满足空间多模式差分吸收高光谱大气探测的要求。     

大相对孔径宽视场无遮拦平场两反射镜望远物镜分析与设计EI北大核心CSCD

根据研制宽视场大相对孔径高光谱成像仪的性能指标和应用要求,研究与设计了结构简单的凸面、凹面反射镜组成的偏视场两反前置系统。基于高斯光学和利用杨氏公式的像散分析,在系统焦距归一化条件下,凸面反射镜顶点曲率半径的取值区间为[2.5 mm,3.24 mm）。给出根据指标要求确定系统初始结构参数的方法与结果。例如,优化设计得到的偏视场无遮拦像方远心两反前置望远物镜的工作波段为0.4~1.0μm、相对孔径为1/1.8、视场角为40°。此镜头的两块反射镜面形均为扁球型二次曲面,具有结构简单、成像性能接近衍射极限、像方远心、及相对孔径大集光本领强、视场大且平像场的优点,可用作高空间分辨率、高光谱分辨率及高信噪比要求的成像光谱仪的前置物镜。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

大相对孔径宽视场无遮拦平场两反射镜望远物镜分析与设计

根据研制宽视场大相对孔径高光谱成像仪的性能指标和应用要求,研究与设计了结构简单的凸面、凹面反射镜组成的偏视场两反前置系统。基于高斯光学和利用杨氏公式的像散分析,在系统焦距归一化条件下,凸面反射镜顶点曲率半径的取值区间为[2.5 mm,3.24 mm)。给出根据指标要求确定系统初始结构参数的方法与结果。例如,优化设计得到的偏视场无遮拦像方远心两反前置望远物镜的工作波段为0.4~1.0μm、相对孔径为1/1.8、视场角为40°。此镜头的两块反射镜面形均为扁球型二次曲面,具有结构简单、成像性能接近衍射极限、像方远心、及相对孔径大集光本领强、视场大且平像场的优点,可用作高空间分辨率、高光谱分辨率及高信噪比要求的成像光谱仪的前置物镜。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

静止轨道高光谱海洋水色仪光学系统设计

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构,口径为4 m,视场为0.64°,焦距为21.6 m,波段范围为400~1 000nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构,视场为240mm,光谱分辨率为10nm.探测器像元尺寸为15μm×15μm,4片探测器交错拼接实现400km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000nm的宽波段内,点列图半径的均方根值均小于3.9μm,静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3lp/mm处大于0.52,各项指标均满足应用要求.     

大气CO_2甚高光谱分辨率成像光谱仪分析与光学设计

为监测全球范围内CO2排放,确定碳源碳汇位置,需高精度探测大气CO2柱浓度。首先介绍遥感卫星探测大气CO2柱浓度原理,并利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM),分析探测精度、光谱分辨率、信噪比需求之间的相互关系。然后,基于遥感卫星探测要求,分析光学系统指标。根据指标,选择中阶梯浸没衍射光栅分光元件,确定逆卡塞格林结构前置系统和离轴三反消像散结构分光系统。设计了F数4、光谱分辨本领21000的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。设计的光学系统由1个前置系统、1个分光系统和3块焦平面探测器组成,结构紧凑,体积微小,成像质量良好。     

轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610～1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数（MTF）均优于0.8,全视场均方根半径（RMS）均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。