光學(xué)鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)在多光譜遙感成像中的應(yīng)用

1、光學(xué)鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)在多光譜遙感成像中的應(yīng)用 中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 一、前言 二、遙感成像相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng) 三、三反系統(tǒng)的性能和分類 ) 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 (3.2) 三反系統(tǒng)的分類三反系統(tǒng)的分類 (3.3) 小結(jié)小結(jié) 四、設(shè)計(jì)實(shí)例 五、結(jié)論 一、前 言 光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)光學(xué)專業(yè)子庫(kù)，包括光學(xué)鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)和光學(xué)材料庫(kù)。 庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)兩千多個(gè)國(guó)內(nèi)外各類光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)和像質(zhì)評(píng)價(jià)圖。 庫(kù)內(nèi)除了包括照相、望遠(yuǎn)、顯微、投影、變焦等經(jīng)典的系統(tǒng)外，還包括激光光學(xué)系統(tǒng)、非共軸等特殊光學(xué)系統(tǒng)。 從空間觀測(cè)地球是空間資源利用的重要的內(nèi)容之一，具有

2、明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，也是促進(jìn)空間科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力源泉，而空間對(duì)地觀測(cè)的核心是遙感成像技術(shù)。 自20世紀(jì)60年代起，遙感成像技術(shù)正式成為空間應(yīng)用的重要領(lǐng)域，受到各國(guó)政府和航天科技界的重視。 應(yīng)用遙感成像技術(shù)每年能給人類帶來價(jià)值數(shù)十億美元的財(cái)富和好處。 遙感成像技術(shù)目前廣泛應(yīng)用在商業(yè)衛(wèi)星、軍事偵察衛(wèi)星、航空攝影等領(lǐng)域。 發(fā)展遙感成像技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)滿足需要的相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。 為了滿足廣大光學(xué)工作者的需要，我們的光學(xué)鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)中也同時(shí)增加了這方面的內(nèi)容。 二、遙感成像相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng) 進(jìn)入90年代后，在空間對(duì)地遙感領(lǐng)域中，光學(xué)系統(tǒng)的要求是： 地面分辯力 高； 地面覆蓋 寬； 研制相機(jī)系統(tǒng)的首要任務(wù)是在滿

3、足上述條件下，使相機(jī)體積減小，重量減輕。 系統(tǒng)角分辨率 D為系統(tǒng)入瞳直徑 增大口徑對(duì)于提高空間光學(xué)系統(tǒng)的性能有利。但在研制長(zhǎng)焦距或超長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，較少采用大孔徑折射和折反系統(tǒng); D22.1 大口徑的折射系統(tǒng)和折反系統(tǒng)需采用特殊光學(xué)材料或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來消二級(jí)光譜; 其次大尺寸、高光學(xué)均勻性的材料較難熔煉，對(duì)加工與裝調(diào)要求極高； 而且大口徑材料對(duì)環(huán)境溫度和壓力的變化也特別敏感，其使用范圍受到了限制；反射系統(tǒng)的特點(diǎn)反射系統(tǒng)的特點(diǎn)： 不存在色差，二級(jí)光譜也就不存在，因此可以用于很寬的譜段成像 ; 零件數(shù)相對(duì)較少，光學(xué)系統(tǒng)孔徑可以做得較大，且容易實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)；使相機(jī)體積減小，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的重量減輕

4、; 反射式光學(xué)系統(tǒng)對(duì)材料要求相對(duì)較低，取材容易。 設(shè)計(jì)型式非常靈活，可以借助折轉(zhuǎn)反射鏡來折疊光路，使結(jié)構(gòu)緊湊； 可以用非球面來獲得大孔徑、大視場(chǎng)、長(zhǎng)焦距等多種性能要求的系統(tǒng) ; 主要缺點(diǎn)是采用同軸系統(tǒng)存在遮攔，使用離軸系統(tǒng)，加工和裝調(diào)工藝較難。 常用的兩鏡望遠(yuǎn)系統(tǒng)最多能校正兩種初級(jí)像差（球差和彗差），其余幾種像差也需使用折射元件校正； 由三塊反射鏡組成的三反系統(tǒng)，可以用來同時(shí)消除四種像差（球差、彗差、像散和畸變），不需使用折射元件，使用更具前景。 我們利用光學(xué)鏡頭數(shù)據(jù)庫(kù)收集到的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)，整理了可應(yīng)用在多光譜遙感成像中的不同形式三反光學(xué)系統(tǒng)； 并對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析和比較。 80年代末期，

5、美國(guó)CAI公司研制的CA-990長(zhǎng)焦距遙感成像系統(tǒng)，焦距，相對(duì)孔徑，縱向視場(chǎng)角0，采用類施密特形式。90年代初，美國(guó)ITEK公司開始研制遙感成像系統(tǒng)，其中Eyeglass系統(tǒng)，焦距，相對(duì)孔徑，視場(chǎng)角0，光學(xué)系統(tǒng)為R-C系統(tǒng)。另一商業(yè)性遙感成像系統(tǒng)，采用了同軸三反系統(tǒng)，其焦距10m，視場(chǎng)角10左右，相對(duì)孔徑1/16。美國(guó)IKONOS 系統(tǒng)焦距： 10m F數(shù)： 覆蓋寬度： 13Km 軌道高度： 681Km （ 1997年）美國(guó)新千年EO-1光學(xué)系統(tǒng)lF 數(shù)： l入瞳： l焦距： l視場(chǎng)： 1500三、三反系統(tǒng)的性能和分類 1. 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 2. 三反系統(tǒng)的分類方式三反系統(tǒng)的分類

6、方式 2.1. 按照結(jié)構(gòu)的不同 2.2. 按光焦度分配 1. 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 三反射式消像散系統(tǒng)（TMA）是近年來長(zhǎng)焦距空間光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用最多的類型之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由三塊反射鏡組成。 在焦距一定的條件下，三反系統(tǒng)有7個(gè)自由變數(shù) ; 三反系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖 次鏡相對(duì)于主鏡的遮攔比1，第三鏡相對(duì)于次鏡的遮攔比2，次鏡的放大倍率1， 第三鏡的放大倍率2，再加上三個(gè)面的非球面系數(shù)k1、k2、k3。 用其中4個(gè)參數(shù)可以消除S1、S2、S3、S4 ，同時(shí)剩下的3個(gè)參數(shù)安排系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。2. 三反系統(tǒng)的分類三反系統(tǒng)的分類 按照結(jié)構(gòu)的不同： 按照結(jié)構(gòu)不同，可以分為同軸和離軸TMA兩類 ； 2

7、.1.1 同軸TMA： a. 有二次遮攔TMA； b. 無二次遮攔TMA； a) 共軸十字光路TMA b) 共軸偏視場(chǎng)TMA 優(yōu)缺點(diǎn) 第一種TMA，小折轉(zhuǎn)反射鏡位于中間像處，對(duì)此反射鏡質(zhì)量要求高，但反射鏡尺寸小。在焦距為10m，相對(duì)孔徑1/10左右時(shí)，系統(tǒng)視場(chǎng)一般在3左右 。 第二種TMA，折轉(zhuǎn)反射鏡尺寸大，產(chǎn)生的二次遮攔也大。在焦距為10m，相對(duì)孔徑1/10左右時(shí)，系統(tǒng)視場(chǎng)一般在2左右。a)完全避免二次遮攔的 b)完全避免二次遮攔的 TMA型式之一 TMA型式之二 優(yōu) 缺 點(diǎn) 第一種TMA，折轉(zhuǎn)反射鏡位于次鏡和第三鏡之間，由于此系統(tǒng)的中間像是通過一平面反射鏡折轉(zhuǎn)，因而對(duì)此反射鏡的光學(xué)質(zhì)量和固

8、定方式的要求較高。 第二種TMA，無折轉(zhuǎn)反射鏡，實(shí)現(xiàn)起來更容易。 2.1.2 無遮攔的TMAF圖2-4-6.Cook三片型離軸TMA系統(tǒng)型式。a) 孔徑離軸TMAb) 視場(chǎng)偏置TMA 第一種離軸TMA具有中間實(shí)像，可以放置雜光光欄，有利于抑制雜光；長(zhǎng)焦距條件下，視場(chǎng)不大； 第二種離軸TMA，無中間成像；長(zhǎng)焦距條件下，視場(chǎng)可以做的較大；優(yōu) 缺 點(diǎn)2.2. 按系統(tǒng)的光焦度分配分類 正負(fù)正分布的三反系統(tǒng) 負(fù)正正分布的三反系統(tǒng) （WALRUS型） 正負(fù)正分布 Rug-TMA Cook-TMA 優(yōu) 缺 點(diǎn)Rug-TMA: 有小的總長(zhǎng)/焦距比（）； 有中間實(shí)像和實(shí)出瞳，有利于抑制雜散光； 有小的反射鏡總面

9、積跟孔徑光束截面積比。 缺點(diǎn)是加工和裝調(diào)公差嚴(yán)于Cook-TMA。Cook-TMA: 總長(zhǎng)/焦距之比約在1； 2.2 負(fù)正正分布成中間像WALRUS無成中間像WALRUS 對(duì)于有中間像的WALRUS，它的前兩塊反射鏡形成一個(gè)2的攝遠(yuǎn)系統(tǒng)，使得第三鏡的視場(chǎng)可以縮小； 這種結(jié)構(gòu)可有很大視場(chǎng)（例如40以上）； WALRUS型的第二鏡到第三鏡之間的距離相當(dāng)大（典型值是34倍焦距）。 四、設(shè)計(jì)實(shí)例 系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)： f=4000mm； 相對(duì)孔徑D/f=1/10 ； 視場(chǎng)角2w=30 表一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù) Radius (mm) Distance (mm) Conic coefficient -1640.0 -1244.4 481.6 418.6 377.3 -