甚高光譜分辨率分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

甚高光譜分辨率分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)m；以來.地球表而的平灼富度已經(jīng)上升了心攝氏度.由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已成為引起世人扶注的蠱點(diǎn)問覺-溫室如應(yīng)主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社舟過多燃燒煤炭、仃油"I丿〔熬氣.大量排放尾氣.這些燃料熾燒后放出大量前二筑化礦氣懷進(jìn)入丸氣世成的-此外.k類活動(dòng)*1大「【然辻排敢其他溫室氣你.如匚屮烷、低空臭氣、朮蒸氣等.為仃效的控制*1減少說室氣沐的排放■減緩全球變曖述度“對(duì)說室氣休的來源打匯案地的檢測(cè)是必不町歩刑至關(guān)重要的口近邙來，美國(guó)、H本刑歐盟國(guó)康等都仃相關(guān)的衛(wèi)星發(fā)射未進(jìn)行全球性的篠探測(cè)帆呵.對(duì)氣休進(jìn)裁檢測(cè)需耍很高的光譜骨辨率円相對(duì)孔怪'本文采用相對(duì)孔徑大r光譜分辨率高的Littrow-Offncr光嵌喙呆統(tǒng).針對(duì)二氣化碳檢測(cè)的主要—個(gè)二作波段進(jìn)廳分光聚統(tǒng)的設(shè)計(jì)M像質(zhì)評(píng)儘?4.1基本參數(shù)的確定碳源礙匯探測(cè)衛(wèi)乩采用大氣娜分吸收光譜探測(cè)找術(shù)“通過裝載高光譜與高空間分辨那溫童氣怵探測(cè)儀対全球主要含篠氣怵進(jìn)行曲測(cè).其基本原理曲是制用空氣中的氣休分『的窄帶吸收恃性來鑒別氣休誠(chéng)分.井根播窄帶吸牧強(qiáng)度來扭演出氣休的淋度-碳曲測(cè)的任備屮主要檢測(cè)二個(gè)波段“丈、踣一個(gè)波段是討C)=-A帶波段的檢測(cè).波段范0.75^-0.772^1］，所需要的光諧分辨率ZJ0.(］>ntin節(jié)二個(gè)波段是對(duì)弱(1?H?波段的檢測(cè).波段范鬧是1.5>l)-l.675pm，所需耍的光譜分辨率7J0.15n［i］i笫.［個(gè)波段星對(duì)強(qiáng)〔5波段的檢測(cè).波段范圉是腫耳［1】，所需要的光譜分辨率％」0-lnn：..遙感碳檢測(cè)燉卜1屮為「獲得高的怡噪比*光譜分辨率，需要尿證光學(xué)誕絨具仃強(qiáng)的集光術(shù)領(lǐng).一般所需的］■'數(shù)要高于朮文設(shè)計(jì)的卩數(shù)為1.^按測(cè)器采用像元大小為卵尚?肖貌橡素?cái)?shù)為256^1^4,三希波段所需的有數(shù)樣素麴分劇為巧弘砒了、256^774.25t)x42O,光譜繼寬度分別h8.46mm,14mm>對(duì)甌採(cǎi)測(cè)器匕寸所采聞的按縫辰度力4血—現(xiàn)將樣標(biāo)萎?dāng)?shù)見表如表4.1所示：表4.1折&滲數(shù)參數(shù)工作波段/ym有火像素光譜維寬度/mm值02?人帶波段0.758^0.772256x4678.46弱CO2帶波段1.559-1.675256x77414強(qiáng)CO2帶波段2.043-2.085256x4207.6參數(shù)F/#像元尺寸/pm狹縫長(zhǎng)度/mm值1.818x184.6很據(jù)2.2節(jié)中的結(jié)構(gòu)尺寸何的相互制約關(guān)系式(2?6)和(2?12九按照2.4節(jié)中給出的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)計(jì)算過程，可計(jì)算得到三個(gè)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4.2(a)(b)(c)所列，表中各符號(hào)所代表妁含義參見笫二章的介紹。衣4?2初始結(jié)構(gòu)琴數(shù)參數(shù)值/mm參數(shù)參數(shù)值/mm參數(shù)值廣Ri800ai-14.4R2?400卩114.4h)198U2301/n0.68x103卩239(a>O2-A帶波段參數(shù)值/mm參數(shù)值Ri712ai-17.1R2?339P-17.1hi98(1230L/n1.4xl03卩237<b)弱CO’帝波段<c)強(qiáng)C02w波段參數(shù)值/mm參數(shù)值/。Ri666ai■14.SR2-333p.14.5hi1670237.7l/n0.68x2血39.34.2設(shè)計(jì)結(jié)果與腐三章類似，為進(jìn)一步縮小系統(tǒng)的尺寸和減小像散，引入帶有負(fù)像散且彎向像而的彎月透鏡。將表4.2中的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和萼月透鏡的數(shù)據(jù)輸入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件屮.建立合理的優(yōu)化函數(shù)和約束條件，反復(fù)優(yōu)化得到滿足于指標(biāo)參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。其中對(duì)優(yōu)化函數(shù)的設(shè)宜，主要包括基木性能捋標(biāo)、譜而寬度、譜線nIlli.色畸變、攔光、結(jié)構(gòu)尺寸等方而.優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的光學(xué)系統(tǒng)分別如圖4?1(a)(b)<c)所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4.3(a>(b)(c)所列。三個(gè)系統(tǒng)都是由入射狹縫O、一塊平面反射鏡、一塊彎月透鏡M2、一塊凹而反射鏡何|、一塊凸而光柵G和像平而I組成，孔徑光闌設(shè)在凸而衍射光柵G上，系統(tǒng)灤用等間距的直線槽光柵。圖4?1中，O為入射狹鮭?I為探測(cè)器.經(jīng)過入射狹縫O的光束，經(jīng)平而鏡反射后經(jīng)彎月透鏡何2到達(dá)凹而反射鏡M,.凹面反射鍵Mi將光束反射至凸而光柵G處，經(jīng)由凸而光柵G按波長(zhǎng)分光后反射到凹面反射繚Mu再由凹面反射鏡Mi將備個(gè)波長(zhǎng)的光線會(huì)聚經(jīng)過彎月透橈Mz后成像至探測(cè)器.由探測(cè)器接收到不同波長(zhǎng)的光譜像°圖4-1(a)是O-A帶波段優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的光學(xué)系統(tǒng)光路圖，尺寸為6SOninix423mmx17gmm,光柵線對(duì)數(shù)為185()lp/mm，中心波長(zhǎng)在凸而光柵上ft-J入射角約為30°>一級(jí)衍射光的衍射角從37.7°(0.7SXpm)到39」。(0?772即譏圖4-1(b>是第二段波段優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的光學(xué)系統(tǒng)光路圖，尺寸為340n)mx210mnixl()0mm,光柵線對(duì)數(shù)為730屮心波長(zhǎng)在凸而光柵上的入射角約為3U。，一級(jí)衍射光的衍射角從38.7°(L559pm)到42.10(1.675pm)o圖4?1(c)是強(qiáng)CO2帯波段優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的光學(xué)系統(tǒng)光路圖,尺寸為560mnix358mnix156nim,光柵線對(duì)數(shù)為6SOlp/nirti■屮心波長(zhǎng);在凸而光柵上的入射ffj約為38.2°,一級(jí)衍射光的衍射角從45.”(2.043pm)到47.5^2.085pm)o<a)02-A<a)02-A帶波段<b>弱CQ帶波段<c>強(qiáng)CO,帶波段04-1設(shè)計(jì)結(jié)果光路罔表4.3優(yōu)化役計(jì)即到光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a)(HA帶玻段元件曲率半徑何隔垂軸偏離疑材料入射狹縫Infinity40——平而反射鏡Infinity-253—MirrorM2287-36?215BK7324?329——Mi653329—MirrorStop324?329—GralingMi653329—Mirrorm232436—BK7287283———

<b)弱CO,帶波段元件ini率半從間隔垂軸偏離量材料入射狹縫Infinity40——平面反射鏡Infinity-110—MirrorM2144-30?1LOBK7173?196——Mi370196—MirrorStop173?196—GratingMi370196—MirrorMi17330—BK7144140——(c)強(qiáng)CO,帶波段元件l!(l率半徑間隔垂軸偏離量材料入射狹縫Infinity55——平面反射鏡Infinity-197—MirrorM2244-33?127BK7278?2謎——Mi567288—MirrorStop278?2謎—GratingMi567288—Mirrorm227N33—BK7244236——4.3像質(zhì)評(píng)價(jià)下文將以弱CO2帶波段的光學(xué)系統(tǒng)為例，分別選UX(2.3mni,(?,(l.l5mni,Q),(0.0)三個(gè)視場(chǎng)的短波限1.559pm、中心波長(zhǎng)1.617pm及長(zhǎng)波限1.675pm三個(gè)波長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)迸行■像質(zhì)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的指標(biāo)參數(shù)主要包括MTFIlli線、點(diǎn)列圖、能量集中度、譜面光照度、譜線彎曲和色畸變。(1)MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))1^4-2是系統(tǒng)在探測(cè)器奈奎斯特頻率(281p/mm)處的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))曲線。其中,(a)x<b)x(€)分別是系統(tǒng)的短波限(1.559pm中心波長(zhǎng)(1?617叩人長(zhǎng)波限(1.675pm)在不同視場(chǎng)處的MTF|!!|線圖，圖中的黑色線是衍射極限，不同視場(chǎng)的曲線基木重合。由圖可知，系統(tǒng)的最低MTF大于().7(),成像質(zhì)雖:優(yōu)異。<c>k=1.675pm圖4-2MTF曲線(2)光線追跡點(diǎn)列圖圖4?3(a),(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)于短波限1.559pm、中心波長(zhǎng)1.617pm及長(zhǎng)波限1.675pm三個(gè)波長(zhǎng)的點(diǎn)列圖情況。圖屮方框代表探測(cè)器像元尺寸，邊長(zhǎng)為18pm,系統(tǒng)點(diǎn)列國(guó)的RMS系統(tǒng)點(diǎn)列國(guó)的RMS半徑值均小于4皿口所倚像點(diǎn)都能比軟集中的落在單個(gè)探測(cè)器像兀范圉內(nèi)。?????■?01!??:1??".:*li1：T1?:??■—:?????：?5*!!!S*.2fT?!(a)A=1.559pm(b)AH.617|im(c)X=1.675|imm4-3光線追跡點(diǎn)列國(guó)<3)衍射能量集中度圖4?4(a)、(b)%(c)分別對(duì)應(yīng)于短波限1.559prti*中心波長(zhǎng)1.617pm及長(zhǎng)波限1.675pm三個(gè)疲長(zhǎng)的衍射能雖集中度Illi線，橫坐標(biāo)為像元尺寸的一半.縱坐標(biāo)為在單個(gè)像元尺寸范圍內(nèi)所集中的衍射能星百分?jǐn)?shù)-由圏看出，系統(tǒng)在單個(gè)探測(cè)器范m內(nèi)的衍射能雖集中度均大于0.82OQl?559|im<b）入=lQl?559|im(c)1=1.675pmm4-4衍射能坦:集中度曲線(4)豫而相對(duì)照度圖4?5為系統(tǒng)在中心波長(zhǎng)1.617pm處像而相對(duì)照度Illi線.橫坐標(biāo)為考察的像而范嗣，用其矩形橡而邊長(zhǎng)的一半表示.縱坐標(biāo)為系統(tǒng)的相對(duì)照度值。由圖中可臥看出系統(tǒng)在像而的相對(duì)照度值為0一997以上.像而照度均勻。

圖4?5相對(duì)腮度曲線<5）譜線彎曲和色畸變圖4-6和圖4?7分別是系統(tǒng)的譜線彎rill央真曲線和色崎變Illi線”其橫坐標(biāo)均為歸一化視場(chǎng)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)相應(yīng)視場(chǎng)的譜線彎曲和色畸變的值。由圖看出光學(xué)設(shè)計(jì)的分光系統(tǒng)的譜戮彎Illi和色畸變的最大值分別為0.061pm和0」21叩，都符合耍求。07W051.559um1.frl7um1?6