一种多谱段高光谱成像遥感器光学系统的制作方法

本发明属于光学成像，特别涉及一种多谱段高光谱成像遥感器光学系统。

背景技术：

1、成像光谱仪是一种将成像技术与光谱技术相结合的光学仪器，可以同时采集目标的空间信息和光谱信息，形成谱像合一的数据立方体，在海洋遥感、农林分类、土地利用、灾害评估、矿产资源调查等领域具有重要的应用价值。星载成像光谱仪可以快速获取大范围内的成像和光谱信息，并且具有数据稳定性好、受天气因素影响小、重复观测性能好等优点，逐渐成为成像光谱仪的重要发展方向和研究热点。2000年，美国发射了地球观测1号卫星(eo-1)，星上搭载了一台可见光近红外/短波红外成像光谱仪hyperion，成为世界上首台成功获取高光谱数据的星载成像光谱仪；2001年，欧洲研制的第一台星载成像光谱仪chris搭载proba-1卫星发射入轨，用于获取地球光谱反射信息，在地表、海岸带和气溶胶研究领域得到广泛应用。近年来，随着光学技术、光电探测器以及数据处理技术的进步，星载成像光谱仪得到了快速发展，印度、日本、意大利、德国等国家先后成功研制了10余台星载成像光谱仪，如hysis、hisui、prisma、desis、enmap等。

2、目前，国内外研制的星载成像光谱仪的空间分辨率较低，通常在30m左右，已经无法满足应用需求。获取大范围的多谱段精细地物光谱信息，可以更好地满足应用需求，具有重要的应用前景，大大提升我国在资源、环境、减灾等领域的应用水平。因此，有必要探索光学遥感器的新原理、新途径，采用新材料和新技术，实现高空间分辨率成像光谱仪的研制。

技术实现思路

1、本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多谱段高光谱成像遥感器光学系统，可用于实现具有高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱数据获取，满足生态环境监测、国土资源和地质调查以及农林监测等应用领域的应用需求。

2、本技术提供的技术方案如下：

3、一种多谱段高光谱成像遥感器光学系统，包括孔径光阑ep、口径压缩系统g1、像方扫描镜fm1、望远系统g2、可见光/红外分色片f1、第一狭缝s1、第二狭缝s2、短波/中波红外分色片f2、可见光光谱成像系统vm、短波红外光谱成像系统sm、中波红外光谱成像系统mm、可见光像面、短波红外像面和中波红外像面；

4、目标的辐射光线经过孔径光阑ep进入口径压缩系统g1，由口径压缩系统g1出射后到达像方扫描镜fm1，经像方扫描镜fm1反射后进入望远系统g2，望远系统g2将光束汇聚，经可见光/红外分色片f1分色获得可见光和短波/中波，可见光经过第一狭缝s1后进入可见光光谱成像系统vm，最后在可见光像面成像，短波/中波经过第二狭缝s2后进入短波/中波红外分色片f2进行分色，获得短波和中波，短波进入短波红外光谱成像系统sm，最后在短波红外像面成像，中波进入中波红外光谱成像系统mm，最后在中波红外像面成像。

5、沿着光线方向，所述口径压缩系统g1依次包括第一压缩反射镜pm1、第二压缩反射镜pm2、第三压缩反射镜pm3；第一压缩反射镜pm1将目标辐射光线反射到第二压缩反射镜pm2，第二压缩反射镜pm2再将辐射光线反射到第三压缩反射镜pm3，经第三压缩反射镜pm3后的辐射光线以平行光方式向后传播；

6、第一压缩反射镜pm1、二压缩反射镜pm2、第三压缩反射镜pm3均为离轴非球面，第一压缩反射镜pm1和第二压缩反射镜pm2为双曲面，第三压缩反射镜pm3为六次非球面；

7、第一压缩反射镜pm1的离轴量为865mm，第二压缩反射镜pm2的离轴量为193mm，第三压缩反射镜pm3的离轴量为-207mm。

8、所述像方扫描镜fm1位于口径压缩系统g1的出瞳处，像方扫描镜fm1的法线与光轴的夹角为45°，像方扫描镜fm1的扫描角度为±2°，像方扫描镜fm1通过摆动扫描将入射光束折转至望远系统g2。

9、沿着光线方向，所述望远系统g2依次包括第一望远反射镜tm1、第二望远反射镜tm2、第三望远反射镜tm3、第四望远反射镜tm4、第五望远反射镜tm5；光线依次经过第一望远反射镜tm1、第二望远反射镜tm2、第三望远反射镜tm3、第四望远反射镜tm4、第五望远反射镜tm5，实现光线聚焦；第五望远反射镜tm5的出射光线的主光线与望远系统g2的光轴平行。

10、所述第一望远反射镜tm1、第二望远反射镜tm2、第三望远反射镜tm3、第四望远反射镜tm4、第五望远反射镜tm5均为离轴反射镜；第一望远反射镜tm1、第二望远反射镜tm2、第三望远反射镜tm3、第五望远反射镜tm5均为六次非球面，第四望远反射镜tm4为椭球面。

11、所述第一望远反射镜tm1的离轴量为256mm，第二望远反射镜tm2的离轴量为31.1mm、第三望远反射镜tm3的离轴量为-269mm、第四望远反射镜tm4的离轴量为58.8mm、第五望远反射镜tm5的离轴量为-272mm。

12、所述可见光/红外分色片f1表面镀膜，反射可见光辐射光线，透过短波红外辐射光线和中波红外辐射光线；短波/中波红外分色片f2表面镀膜，反射短波辐射光线，透过中波红外辐射光线。

13、所述0.45μm～1μm的可见光谱段、1μm～2.5μm的短波红外谱段、3μm～5μm的中波红外谱段再光学系统的焦距相同；

14、可见光光谱成像系统vm、短波红外光谱成像系统sm和中红外光谱成像系统mm的垂轴放大倍率为均1。

15、沿着光线方向，所述可见光光谱成像系统vm依次包括第一可见光反射镜vm1、可见光凸面光栅vg、第二可见光反射镜vm2；

16、沿着光线方向，短波红外光谱成像系统sm依次包括第一短波红外反射镜sm1、短波红外凸面光栅sg、第二短波红外反射镜sm2、短波红外折转镜fm2；短波红外光谱成像系统sm与望远系统g2通过第二狭缝s2连接起来；

17、沿着光线方向，中红外光谱成像系统mm依次包括第一中波红外反射镜mm1、中波红外凸面光栅mg、第二中波红外反射镜mm2；中波红外光谱成像系统mm与望远系统g2通过第二狭缝s2连接起来。

18、所述第一可见光反射镜vm1和第二可见光反射镜vm2均为凹球面反射镜，顶点曲率半径均为609.7mm；可见光凸面光栅vg的衍射级次为+1级，刻线密度为7.8对线/mm；

19、第一短波红外反射镜sm1和第二短波红外反射镜sm2均为凹球面反射镜，顶点曲率半径均为583.8mm；短波红外凸面光栅sg的衍射级次为+1级，刻线密度为10.7对线/mm；

20、第一中波红外反射镜mm1和第二中波红外反射镜mm2均为凹球面反射镜，顶点曲率半径均为542.2mm；中波红外凸面光栅mg的衍射级次为+1级，刻线密度为3.9对线/mm。

21、综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：

22、1、本发明突破了高空间分辨率和高光谱分辨率成像光学系统设计方法，空间分辨率优于4m，可见光谱段的光谱分辨率优于5nm，大幅提高我国高光谱遥感数据的精度，引领国内外航天高光谱探测领域技术的发展。

23、2、本发明突破了多谱段一体化成像光学系统设计方法，谱段范围覆盖可见光谱段0.45μm～1μm)、短波红外谱段1μm～2.5μm)、中波红外谱段3μm～5μm)，采用分色片实现各谱段分别成像，可同时获取三个谱段的光谱数据。

24、3、本发明提出了利用像方扫描镜实现高空间分辨率成像光谱仪积分时间补偿的方法，扫描镜位于像方有利于大幅减小扫描镜的尺寸，提高扫描控制精度，提高高空间分辨率成像光谱仪的信噪比。

25、4、本发明提出了一种口径压缩系统加望远系统的设计构型，减小大口径发射镜的数量，从而减小整个光学系统的体积和重量，实现大口径复杂光学系统的轻小型化设计。