一种星载小型轻量化Dyson高光谱成像仪系统

本发明属于星载高光谱成像领域，具体涉及一种星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统。

背景技术：

光谱成像仪可实现光谱成像，同时可探测二维空间信息和一维光谱信息，其在定时、定位测量的同时，具有定性测量和定量分析的功能，因此可应用在物质探测、目标识别、成分分析、过程监控等诸多领域。相比于地面光谱仪和机载光谱仪，星载高光谱成像仪可实现常态化、大幅宽、高重访率探测，广泛应用在军事、农业、海洋学、地理学等领域。

随着航天平台立方星和微纳星的不断发展，对所搭载的光学载荷体积及重量要求越来越小，所以亟需小型化和高性能的高光谱成像仪技术。dyson型光谱仪由于光路在系统中往返，具有重复利用的效能，因此系统结构紧凑、体积小、重量轻，便于实现小型化。此外，dyson型光谱仪整体仍保持良好的同心性，所有具有较好的像差特性，易于实现大视场和大相对孔径，可实现更高的探测灵敏度，所以在小型化、轻量化、高性能星载光谱仪技术体制中具有显著优势。

但基于dyson结构的光谱仪原型是由一块平凸透镜、一个凹面光栅、入射狭缝及探测器组成。其中入射狭缝和探测器接收面均位于平凸透镜的平面上。dyosn结构的光谱仪原型在工程实现中由于过于紧凑的系统结构，使具有狭缝组件、前置望远镜组、探测器和光学元件的光谱仪空间难以布局，极易发生干涉。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有dyson原型光谱仪由于结构过于紧凑，难以进行结构布局和工程研制的问题，提供一种星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统，该系统可实现物面与像面分离，易于实现结构布局与工程研制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统，包括箱体、前置望远镜组、dyson棱镜镜组、后置镜组件、电子学焦面组件和精测镜组件；入射光经前置望远镜组入射，依次通过dyson棱镜镜组和后置镜组件，经后置镜组件反射后实现光路复用，再通过后置镜组件、dyson棱镜镜组成像于电子学焦面组件；所述前置望远镜组设置在箱体的前端，包括前置镜筒、前部遮光罩和多组前置镜组；所述前部遮光罩设置在前置镜筒前端，用于遮挡外部杂散光，提高光谱仪成像质量；多组前置镜组设置在前置镜筒内，其中最后一组前置镜组包括玻璃狭缝和保护玻璃，玻璃狭缝用于形成光学狭缝，便于系统成像，保护玻璃用于实现狭缝清洁度；所述dyson棱镜镜组设置在箱体内，包括dyson棱镜、dyson棱镜安装座和dyson棱镜安装座修切垫；所述dyson棱镜设置在dyson棱镜安装座上，所述dyson棱镜安装座通过dyson棱镜安装座修切垫设置在箱体内；所述dyson棱镜包括入射面、出射面、透射面和反射面，所述入射面、出射面垂直设置，所述反射面均与入射面、出射面呈45度设置，所述透射面为曲面；入射光通过入射面、透射面出射，经后置镜组件反射后实现光路复用后再次通过透射面入射至反射面，然后通过反射面反射至出射面，最后成像于电子学焦面组件；所述后置镜组件设置在箱体的后端，包括后置镜筒、凹面光栅组件和多组后置镜组；多组后置镜组设置在后置镜筒内，所述凹面光栅组件通过凹面光栅修切垫与后置镜筒连接，凹面光栅修切垫用于调节凹面光栅组件的空间位置；所述精测镜组件包括精测镜和精测镜粘接座，所述精测镜通过精测镜粘接座设置在箱体的前端，用于系统集成时调整dyson棱镜的俯仰角度与旋转角度。

进一步地，所述电子学焦面组件设置在箱体内，包括焦面板、处理板、接插件、电子学板框、电子学后盖板、焦面修切垫和接插件压板；所述焦面板设置在电子学板框的一侧，用于布置ccd靶面；所述处理板设置在电子学板框的另一侧，用于电子学信号控制与传输；所述接插件设置在处理板上，用于数传与电信号线缆的接通；所述接插件压板设置在电子学板框上，用于接插件位置的固定；所述电子学后盖板设置在处理板的一侧；所述焦面修切垫设置在电子学组件与箱体间，用于调整ccd的位置。

进一步地，所述前置镜筒上设置有注胶孔，用于固定前置镜组。

进一步地，所述前置镜筒上设置有排气槽，便于前置望远镜组在真空使用中内部气体的排出。

进一步地，多组前置镜组包括依次设置的前置镜组一、前置镜组二、前置镜组三、前置镜组四、前置镜组五、前置镜组六、前置镜组七、前置镜组八和前置镜组九；各前置镜组之间设置有隔圈，通过修研隔圈厚度保证各前置镜组的间隔，且各前置镜组通过前置左外压圈和前置右外压圈压紧在前置镜筒内，同时，各前置镜组中的透镜在圆周涂抹胶后再通过压圈固定在镜框内。

进一步地，所述前置镜组设置有法兰安装孔，用于前置镜组与箱体连接。

进一步地，所述dyson棱镜安装座上设置有多个工艺孔，用于保证dyson棱镜的粘接位置精度。

进一步地，所述dyson棱镜安装座上设置有溢胶槽，用于粘接环氧胶的溢出。

进一步地，所述箱体包括箱体主体、箱体盖板和箱体侧板；所述箱体盖板设置在箱体主体的上方，所述箱体侧板设置在箱体主体的侧面；所述前置望远镜组通过修切垫安装于箱体主体的前端面法兰处；所述精测镜组件通过修切垫安装于箱体主体的前端面凸台处；所述dyson棱镜组件安装于箱体主体的底部安装面上；所述后置镜组件通过修切垫安装于箱体主体的后端面上；所述电子学焦面组件安装于箱体的侧板安装面上。

进一步地，所述玻璃狭缝距离dyson棱镜前端面距离为17.66mm，系统像面位置距离dyson棱镜出射端面距离为6mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明dyson光谱仪光学系统可实现物面-像面分离，克服dyson原型光谱仪由于结构过于紧凑，难以进行结构布局和工程研制的难点。

2.本发明光谱仪系统设计了前置望远物镜，具有高分辨率成像性能。前置镜组狭缝组件中首次提出采用光学狭缝透光、金属结构件遮挡、保护玻璃密封保护的思路，降低狭缝组件的加工和设计难度。此外，前置镜组的结构设计，可易于实现真空像面预制修研一次像面位置，保证在轨的高质量成像性能。

3.本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统各组件均采用模块化设计思路，各组件均可单独进行装配，再集成于箱体上。

4.本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统的各组件装调时，各组件设置了诸多可调整环节，可实现各光学组件的空间位置调整，实现高质量成像，可有效应用于工程应用中。

5.本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统的结构布局合理，尺寸紧凑、重量低。此光谱仪适用于可见谱段，焦距55mm，相对孔径不小于1/2.2，有效视场角≥11.42°，地面分辨率为100m，整机重量不超过2.5kg。整机的一阶模态大于600hz，具有良好的力学稳定性。

附图说明

图1为本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统三维示意图；

图2为本发明高光谱成像仪系统三维示意图(去掉箱体盖板)；

图3为本发明dyson高光谱成像仪光学系统示意图；

图4为本发明前置望远镜组的结构示意图；

图5为本发明前置镜组九的结构示意图；

图6为本发明前置镜筒的结构示意图；

图7为本发明dyson棱镜组件的结构示意图；

图8为本发明后置镜组件的结构示意图；

图9为本发明电子学焦面组件的结构示意图；

图10为本发明箱体的结构示意图；

图11为本发明箱体主体的结构示意图；

图12为本发明dyson棱镜的结构示意图。

附图标记：1-前置望远镜组，2-dyson棱镜镜组，3-后置镜组件，4-电子学焦面组件，5-箱体，6-精测镜组件，101-前置镜组一，102-前置镜组二，103-前置镜组三，104-前置镜组四，105-前置镜组五，106-前置镜组六，107-前置镜组七，108-前置镜组八，109-前置镜组九，110-前置镜筒，111-前置右外压圈，112-前部遮光罩，113-前置左外压圈，114-前置隔圈二，115-前置隔圈三，116-前置隔圈四，117-前置隔圈五，118-前置隔圈六，119-前置隔圈七，120-前置隔圈八，121-前置隔圈九，1091-玻璃狭缝，1092-保护玻璃，1093-镜组九镜框，1094-狭缝保护装置，1095-镜组九压圈，1101-注胶孔，1102-排气槽，1103-法兰安装孔，21-dyson棱镜，22-dyson棱镜安装座，23-dyson棱镜安装座修切垫，211-入射面，212-出射面，213-透射面，214-反射面，221-工艺孔，222-溢胶槽，301-后置镜组一，302-后置镜组二，303-后置镜组三，304-凹面光栅组件，305-后置镜筒，306-后置镜组件压圈，307-后置隔圈一，308-后置隔圈二，309-凹面光栅修切垫，310-后端盖，41-焦面板，42-处理板，43-接插件，44-电子学板框，45-电子学后盖板，46-焦面修切垫，47-接插件压板，51-箱体主体，52-箱体盖板，53-箱体侧板，511-前端面法兰，512-前端面凸台，513-安装凸耳，514-后端面，515-底部安装面，516-箱体侧面安装面，517-上端面，518-侧板安装面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统，该系统通过dyson棱镜及后置镜组件的光学优化设计，实现了光学系统物面-像面分离，避免因物面与像面重合导致光学支撑结构难以布局的缺点，易于工程研制。

如图1和图2所示，本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪系统包括前置望远镜组1、dyson棱镜镜组2、后置镜组件3、电子学焦面组件4、箱体5和精测镜组件6。如图3所示，本发明星载小型轻量化dyson高光谱成像仪的光学系统的工作原理是：入射光经前置望远镜组1进入光谱仪系统，再依次经dyson棱镜镜组2、后置镜组件3，经后置镜组件3最后一块凹面光栅反射后实现光路复用，再经过后置镜组件3、dyson棱镜镜组2成像于电子学焦面组件4。

如图4所示，本发明前置望远镜组1设置在箱体5的前端，包括前置镜筒110、前部遮光罩112和多组前置镜组；前部遮光罩112设置在前置镜筒110前端，用于遮挡外部杂散光，提高光谱仪成像质量；多组前置镜组设置在前置镜筒110内，其中最后一组前置镜组包括玻璃狭缝1091和保护玻璃1092，玻璃狭缝1091用于形成光学狭缝，便于系统成像，保护玻璃1092用于实现狭缝清洁度，防止狭缝处落灰，有多余物，影响成像。具体的，本发明前置望远镜组1共包含九个镜组，分别为前置镜组一101、前置镜组二102、前置镜组三103、前置镜组四104、前置镜组五105、前置镜组六106、前置镜组七107、前置镜组八108和前置镜组九109。各前置镜组的透镜装入各透镜组件镜框时，需在透镜圆周涂抹xm-31胶，再拧入各透镜组件压圈进行固定。各透镜组件均通过定心加工保证各光学元件与各镜组镜框轴线重合。各透镜组件间均设置有隔圈，通过修研隔圈厚度以保证各光学元件间隔。在安装时，依次在前置镜筒110内装入前置镜组八108、前置隔圈八120、前置镜组七107、前置隔圈七119、前置镜组六106、前置隔圈六118、前置镜组五105、前置隔圈五117、前置镜组四104、前置隔圈四116、前置镜组三103、前置隔圈三115、前置镜组二102、前置隔圈二114、前置镜组一101，装入前置左外压圈113将上述镜组压紧固定，再将前置隔圈九121和前置镜组九109从右侧装入前置镜筒110，通过拧紧前置右外压圈111对其进行压紧固定。

如图5所示，前置镜组九109为最后一组前置镜组，其具体包括玻璃狭缝1091、保护玻璃1092、镜组九镜框1093、狭缝保护装置1094和镜组九压圈1095。玻璃狭缝1091装入镜组九镜框1093，再装入狭缝保护装置1094，再装入保护玻璃1092，再拧紧镜组九压圈1095将各零件压紧固定。狭缝保护装置1094是在结构件上开一个尺寸大于光学狭缝的窗口，起到防杂散光与防狭缝落灰的作用。

如图6所示，前置镜筒110上设置有注胶孔1101，用于固定各镜组。前置镜筒110上还设置有排气槽1102，便于前置镜组在真空使用中内部气体排出。前置镜组通过设置有法兰安装孔1103，用于前置镜组与箱体5连接。因dyson光谱仪需进行真空像面预制，确定前置镜组一101次像面位置，所以前置镜组安装完毕后，在前置镜筒110的注胶孔1101上前置镜组一101至前置镜组八108的位置注入xm-31胶进行固定。前置镜组九109需真空像面预制试验，修研前置隔圈九121再进行注胶固定。真空像面预制是指镜组在空气中测试与在星载太空中测试时，因光学传输介质发生改变，导致光路发生变化，所以需要调整镜组的像面位置，具体通过在真空环境中测试像面位置距离与在空气中测量的像面位置之差，来确定镜组间的修切垫尺寸。

如图7所示，dyson棱镜21组件包括dyson棱镜21、dyson棱镜安装座22和dyson棱镜安装座修切垫23；dyson棱镜经环氧胶粘接的方式与dyson棱镜安装座22进行固定。dyson棱镜安装座22上设置有三个工艺孔221用于保证dyson棱镜21的粘接位置精度，在工艺孔221安装标准销，将标准销的圆周面作为粘接时dyson棱镜21的靠面，从而保证dyson棱镜21的粘接时的方位角度。dyson棱镜安装座22上设置有溢胶槽222用于粘接环氧胶的溢出。

如图12所示，本发明dyson棱镜21具体可包括入射面211、出射面212、透射面213和反射面214，入射面211、出射面212垂直设置，反射面214均与入射面211、出射面212呈45度设置，透射面213为曲面；入射光通过入射面211、透射面213出射，经后置镜组件3反射后实现光路复用后再次通过透射面213入射至反射面214，然后通过反射面214反射至出射面212，最后成像于电子学焦面组件4。

dyson棱镜21的具体设计过程如下：1)在dyson高光谱成像仪原型的基础上，将光谱仪的像面与物面强行拉出平凸透镜表面，同时加入弯月透镜校正带来的像差；2)强制物面像面分离设计，再通过弯月透镜和dyson结构整体优化校正像差，其中像面与物面的分离距离由入射光到达dyson棱镜21凸面时的通光口径决定；3)在平凸透镜上加入45°反射面，使出射光线与入射光光轴垂直。dyson棱镜出射表面与入射表面也垂直，同时保证第二步骤中的物面与像面的分离距离。光线经此折转后，出射面低于平凸透镜凸面上通光孔径的底端，从而解决光学支撑结构难以布局的缺点，易于工程研制。经过上述三个步骤的设计，最终的dyson透镜形式就是本系统中的外形包括三个平面与一个凸面。本发明提出的dyson棱镜21与现有棱镜的区别在于：反射表面与入射面211和出射面212均保持45°的标准角度，容易加工与测试。整体的平面度、光洁度以及平面间的夹角也易于保证；棱镜的航天常用固定方式为胶粘接，此dyson棱镜21存在相互垂直的两个表面，粘接时易于保证棱镜的方位角度，可降低装调的难度。

如图8所示，后置镜组件3包含依次设置的后置镜组一301、后置镜组二302、后置镜组三303和凹面光栅组件304；各透镜装入各透镜组件镜框时，需在透镜圆周涂抹xm-31胶，再拧入各透镜组件压圈进行固定。各透镜组件均通过定心加工保证各光学元件与各镜组镜框轴线重新。各透镜组件间均设置有隔圈，通过修研隔圈厚度以保证各光学元件间隔。在安装时，后置镜组三303、后置隔圈二308、后置镜组二302、后置隔圈一307、后置镜组一301依次装入后置镜筒305中，再装入后置镜组件压圈306拧紧固定。为便于调节凹面光栅的空间位置，将其作为一个单独的组件，凹面光栅组件304经凹面光栅修切垫309通过螺钉与后置镜筒305连接，后端通过螺纹与后端盖310连接，用于保护光学元件。凹面光栅组件304通过凹面光栅修切垫309与螺钉过孔量来调节其空间位置。

本发明前置望远镜组1一共包括10块光学透镜，最大光学口径为32mm，前置镜组中第九块透镜是光学狭缝，光学狭缝距离dyson棱镜21前端面距离为17.66mm，系统像面位置距离dyson棱镜21出射端面距离为6mm，后置镜组件3共包括3块光学透镜与1块凹面光栅，其中3块透镜均为凹凸透镜，后置镜组件3最大光学口径为60mm。整个光学系统的最大外包络为x291mm。

如图9所示，电子学焦面组件4包括焦面板41、处理板42、接插件43、电子学板框44、电子学后盖板45、焦面修切垫46和接插件压板47；焦面板41设置在电子学板框44的一侧，用于布置ccd靶面；处理板42设置在电子学板框44的另一侧，用于电子学信号控制与传输；具体安装时，焦面板41由上方装入电子学板框44，处理板42由下方装入电子学板框44，均使用螺钉固定。接插件43设置在处理板42上，用于数传与电信号线缆的接通；接插件压板47设置在电子学板框44上，用于接插件43位置的固定；电子学后盖板45设置在处理板42的一侧，与电子学板框44采用螺钉连接固定；焦面修切垫46设置在电子学组件与箱体5间，用于调整ccd的位置，用于修研电子学焦面组件4的空间位置。

如图10和图11所示，箱体5包括箱体主体51、箱体盖板52和箱体侧板53；前置望远镜组1经修切垫安装于箱体主体51的前端面法兰511处。精测镜组件6经修切垫安装于箱体主体51的前端面凸台512处。箱体盖板52安装于箱体主体的上端面517处。dyson棱镜21组件安装于箱体主体51的底部安装面515处。后置镜组件3经修切垫安装于箱体主体51的后端面514处。电子学焦面组件4安装于箱体5的侧板安装面处。各组件与箱体5的连接均采用螺钉连接，箱体主体51的底部设置有安装凸耳513，用于与外部设备连接。

精测镜组件6包括精测镜和精测镜粘接座，精测镜通过精测镜粘接座设置在箱体5的前端，用于系统集成时，调整dyson棱镜21的俯仰角度与旋转角度。精测镜用于系统集成时监测dyson棱镜21的俯仰和方位角度，便于调整，还可用于将光谱仪安装于卫星舱板时，调整光谱仪整机的方位角度与俯仰角度，确保狭缝方向与卫星飞行方向垂直。