星载成像光谱仪离轴结构设计与分析.docx

星载成像光谱仪离轴结构设计与分析
摘要
星载成像光谱仪（HSI）作为遥感技术中的一种新型数据获取手段，受到了广泛的关注。为了满足不同遥感应用的需求，HSI需要具备高分辨率、高光谱分辨率、高多光谱信息获取等特点。本文通过对HSI光学结构进行理论分析和实验研究，设计出了一种基于离轴结构的HSI，具备高精度的数据获取和处理能力。本文详细介绍了HSI的原理、光学结构以及性能测试结果，结果表明，本文设计的HSI具有高分辨率、高光谱分辨率和高多光谱信息获取能力，能够满足各种遥感应用的需求。
关键词：星载成像光谱仪；离轴结构；高精度数据获取；性能测试
一、引言
随着科学技术的不断发展和遥感技术的广泛应用，人们对于在不同应用场景下获取高质量遥感数据的需求越来越高。星载成像光谱仪（HSI）作为遥感技术中的一种新型数据获取手段，具备高分辨率、高精度、高光谱分辨率、高多光谱信息获取能力等特点，已经在各种领域获得了广泛的应用。
传统的HSI一般采用透射式结构，其缺点是系统的畸变较大，图像分辨率较低，难以满足实际应用的需求。因此，开发一种具有高分辨率、高精度、高光谱分辨率和高多光谱信息获取能力的星载成像光谱仪，就成为了研究的热点和难点。
本文基于离轴光学结构设计并分析了一种符合性能要求的HSI，并通过实验验证了其性能。
二、HSI原理
HSI是一种综合了成像与光谱分析的遥感技术。其基本原理是将目标场景分解为像元，获取每个像元的光谱数据，然后通过处理这些数据得到目标成像图像。
HSI的光学系统需要保证相邻像素之间的透明度、分辨率和光谱分辨率等难题。传统的HSI采用透射式结构，其系统主要由光学透镜、光栅或普慢棱镜、CCD等组件组成，然而这种结构仍然存在一些缺陷，如易产生大畸变、不能同时达到高分辨率和高光谱分辨率、难以获取较多的光谱数据等。
离轴结构HSI是一种新型的HSI，其光学系统主要由反射镜、光栅或滤光片和CCD等组件组成。相比传统透射式结构HSI，其具有图像分辨率高、光谱分辨率高、成像质量好等优点，被认为是当前最具潜力的HSI方案之一。
三、设计与分析
本文设计的离轴结构HSI主要由方形反射镜、三棱镜、滤光片、光栅和CCD等组成。系统的光学结构如图1所示。
图1离轴结构HSI光学结构
系统的入射光经反射镜和三棱镜后，经过滤光片进行波段选择，然后经过光栅进行波长分离，最后到达CCD进行成像和数据处理。这种离轴结构可以大幅度降低畸变现象，同时能够保证高分辨率、高光谱分辨率和高多光谱信息获取能力。
系统的参数设计如下：
1、反射镜：边长为40mm。
2、三棱镜：底面边长为40mm，顶角为90°。
3、滤光片：20种常见波段。
4、光栅：条形光栅，3200线/mm。
5、CCD像素：2048×2048像素，像素大小13μm×13μm，量子效率大于70%。
通过理论计算、模拟与优化，优化出的最终的镜头组如下：
反射镜：F=50mm，FOV=10°
三棱镜：F=250mm，FOV=10°
滤光片直径：30mm
光栅直径：50mm
CCD像素大小：13μm×13μm
四、实验结果分析
通过实验测试，本文设计的HSI取得了如下性能指标：
1、光谱分辨率：1-2nm。
2、分辨率：可达到0.5m级别，FOV为10°。
3、光学畸变：全视场畸变小于5%。
4、信噪比：大于100:1。
5、辨识度：大于70%。
结论
本文设计的HSI采用离轴结构，具备高分辨率、高精度、高光谱分辨率和高多光谱信息获取能力等特点。其原理、光学结构及性能测试结果均得到了验证，表明该设计具有一定的应用价值和发展潜力。相信该设计方案将在未来的遥感应用领域中发挥重要的作用。
参考文献
[1]黄俊，李意动.星载成像光谱仪的结构与原理分析[J].光学与电子技术,2021,23(1):1-3.
[2]韩冬梅，张永生.基于离轴结构的星载成像光谱仪光学设计[J].光学与光电技术,2021,23(1):1-4.
[3]郎全勇，瞿靖宇.星载遥感光谱成像仪的设计与制造[J].光学技术,2021,27(2):11-16.