甚高光譜分辨率分光系統(tǒng)的設計

甚高光譜分辨率分光系統(tǒng)的設計m；以來.地球表而的平灼富度已經上升了心攝氏度.由溫室效應導致的全球變暖已成為引起世人扶注的蠱點問覺-溫室如應主要是由于現(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入丸氣世成的-此外.k類活動*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“對說室氣休的來源打匯案地的檢測是必不町歩刑至關重要的口近邙來，美國、H本刑歐盟國康等都仃相關的衛(wèi)星發(fā)射未進行全球性的篠探測帆呵.對氣休進裁檢測需耍很高的光譜骨辨率円相對孔怪'本文采用相對孔徑大r光譜分辨率高的Littrow-Offncr光嵌喙呆統(tǒng).針對二氣化碳檢測的主要—個二作波段進廳分光聚統(tǒng)的設計M像質評儘?4.1基本參數(shù)的確定碳源礙匯探測衛(wèi)乩采用大氣娜分吸收光譜探測找術“通過裝載高光譜與高空間分辨那溫童氣怵探測儀対全球主要含篠氣怵進行曲測.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分.井根播窄帶吸牧強度來扭演出氣休的淋度-碳曲測的任備屮主要檢測二個波段“丈、踣一個波段是討C)=-A帶波段的檢測.波段范0.75^-0.772^1］，所需要的光諧分辨率ZJ0.(］>ntin節(jié)二個波段是對弱(1?H?波段的檢測.波段范鬧是1.5>l)-l.675pm，所需耍的光譜分辨率7J0.15n［i］i笫.［個波段星對強〔5波段的檢測.波段范圉是腫耳［1】，所需要的光譜分辨率％」0-lnn：..遙感碳檢測燉卜1屮為「獲得高的怡噪比*光譜分辨率，需要尿證光學誕絨具仃強的集光術領.一般所需的］■'數(shù)要高于朮文設計的卩數(shù)為1.^按測器采用像元大小為卵尚?肖貌橡素數(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>對甌採測器匕寸所采聞的按縫辰度力4血—現(xiàn)將樣標萎數(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CO2帶波段2.043-2.085256x4207.6參數(shù)F/#像元尺寸/pm狹縫長度/mm值1.818x184.6很據(jù)2.2節(jié)中的結構尺寸何的相互制約關系式(2?6)和(2?12九按照2.4節(jié)中給出的系統(tǒng)初始結構計算過程，可計算得到三個系統(tǒng)的初始結構參數(shù)如表4.2(a)(b)(c)所列，表中各符號所代表妁含義參見笫二章的介紹。衣4?2初始結構琴數(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設計結果與腐三章類似，為進一步縮小系統(tǒng)的尺寸和減小像散，引入帶有負像散且彎向像而的彎月透鏡。將表4.2中的初始結構參數(shù)和萼月透鏡的數(shù)據(jù)輸入光學設計軟件屮.建立合理的優(yōu)化函數(shù)和約束條件，反復優(yōu)化得到滿足于指標參數(shù)的光學系統(tǒng)。其中對優(yōu)化函數(shù)的設宜，主要包括基木性能捋標、譜而寬度、譜線nIlli.色畸變、攔光、結構尺寸等方而.優(yōu)化設計所得到的光學系統(tǒng)分別如圖4?1(a)(b)<c)所示，其結構參數(shù)如表4.3(a>(b)(c)所列。三個系統(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為探測器.經過入射狹縫O的光束，經平而鏡反射后經彎月透鏡何2到達凹而反射鏡M,.凹面反射鍵Mi將光束反射至凸而光柵G處，經由凸而光柵G按波長分光后反射到凹面反射繚Mu再由凹面反射鏡Mi將備個波長的光線會聚經過彎月透橈Mz后成像至探測器.由探測器接收到不同波長的光譜像°圖4-1(a)是O-A帶波段優(yōu)化設計所得到的光學系統(tǒng)光路圖，尺寸為6SOninix423mmx17gmm,光柵線對數(shù)為185()lp/mm，中心波長在凸而光柵上ft-J入射角約為30°>一級衍射光的衍射角從37.7°(0.7SXpm)到39」。(0?772即譏圖4-1(b>是第二段波段優(yōu)化設計所得到的光學系統(tǒng)光路圖，尺寸為340n)mx210mnixl()0mm,光柵線對數(shù)為730屮心波長在凸而光柵上的入射角約為3U。，一級衍射光的衍射角從38.7°(L559pm)到42.10(1.675pm)o圖4?1(c)是強CO2帯波段優(yōu)化設計所得到的光學系統(tǒng)光路圖,尺寸為560mnix358mnix156nim,光柵線對數(shù)為6SOlp/nirti■屮心波長;在凸而光柵上的入射ffj約為38.2°,一級衍射光的衍射角從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CO,帶波段04-1設計結果光路罔表4.3優(yōu)化役計即到光學系統(tǒng)的結構參數(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像質評價下文將以弱CO2帶波段的光學系統(tǒng)為例，分別選UX(2.3mni,(?,(l.l5mni,Q),(0.0)三個視場的短波限1.559pm、中心波長1.617pm及長波限1.675pm三個波長對系統(tǒng)迸行■像質評價。評價的指標參數(shù)主要包括MTFIlli線、點列圖、能量集中度、譜面光照度、譜線彎曲和色畸變。(1)MTF(調制傳遞函數(shù))1^4-2是系統(tǒng)在探測器奈奎斯特頻率(281p/mm)處的MTF(調制傳遞函數(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(1?617叩人長波限(1.675pm)在不同視場處的MTF|!!|線圖，圖中的黑色線是衍射極限，不同視場的曲線基木重合。由圖可知，系統(tǒng)的最低MTF大于().7(),成像質雖:優(yōu)異。<c>k=1.675pm圖4-2MTF曲線(2)光線追跡點列圖圖4?3(a),(b)、(c)分別對應于短波限1.559pm、中心波長1.617pm及長波限1.675pm三個波長的點列圖情況。圖屮方框代表探測器像元尺寸，邊長為18pm,系統(tǒng)點列國的RMS系統(tǒng)點列國的RMS半徑值均小于4皿口所倚像點都能比軟集中的落在單個探測器像兀范圉內。?????■?01!??:1??".:*li1：T1?:??■—:?????：?5*!!!S*.2fT?!(a)A=1.559pm(b)AH.617|im(c)X=1.675|imm4-3光線追跡點列國<3)衍射能量集中度圖4?4(a)、(b)%(c)分別對應于短波限1.559prti*中心波長1.617pm及長波限1.675pm三個疲長的衍射能雖集中度Illi線，橫坐標為像元尺寸的一半.縱坐標為在單個像元尺寸范圍內所集中的衍射能星百分數(shù)-由圏看出，系統(tǒng)在單個探測器范m內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)豫而相對照度圖4?5為系統(tǒng)在中心波長1.617pm處像而相對照度Illi線.橫坐標為考察的像而范嗣，用其矩形橡而邊長的一半表示.縱坐標為系統(tǒng)的相對照度值。由圖中可臥看出系統(tǒng)在像而的相對照度值為0一997以上.像而照度均勻。

圖4?5相對腮度曲線<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”其橫坐標均為歸一化視場，縱坐標為系統(tǒng)相應視場的譜線彎曲和色畸變的值。由圖看出光學設計的分光系統(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