用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及成像光譜技術和輻射定標技術領域，具體涉及一種用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]定量化遙感是大氣、海洋等遙感領域發(fā)展的重點方向。對空間遙感器定標是遙感信息定量化的前提，遙感數據的可靠性及應用的深度和廣度在很大程度上取決于遙感器的定標準確度。同時定標后的數據不依賴于遙感器的數據，其輻射值仍保持著目標結構和成分的物理信息。如果可以利用一個合適的輻射特性已知的天然星體，則是一個非常有價值的定標源。月球是唯一一個包含在地球軌道上絕大多數成像光譜儀動態(tài)范圍內的天然星體，被稱作“solar diffuser”，月球表面有極好的福射穩(wěn)定性，一旦準確地確定出月球光譜輻射亮度隨相位角和天平動角的變化關系，就可以將月球用作空間遙感器的長期定標源。
[0003]目前國內外都建立了相關的地基對月觀測系統(tǒng)，但是主要都集中在濾光片型光譜成像儀。濾光片型成像儀是通過旋轉濾光片輪切換不同的濾光片進入光路來實現不同譜段的光譜測量，由于濾光片型成像光譜儀的工作原理所致，其一般只有幾個譜段。因此，采用濾光片型成像光譜儀的地基對月觀測系統(tǒng)只能得到幾個離散譜段的月球光譜圖像數據，不能得到月球的高光譜分辨率的連續(xù)光譜圖像數據，也就不能通過計算獲得月球的連續(xù)光譜輻射亮度信息，而月球若用作空間遙感器的長期定標源是需要獲取月球的寬波段連續(xù)高光譜輻射數據，并且這種采用濾光片型光譜成像儀的地基對月觀測系統(tǒng)受濾光片帶寬的限制光譜分辨率較低，無法滿足地基對月觀測時的寬波段高光譜分辨率的要求。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決現有采用濾光片型光譜成像儀的地基對月觀測系統(tǒng)存在的波段窄、譜段數少、觀測光譜不連續(xù)、光譜分辨率低的問題，本發(fā)明提出一種用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明為解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0006]本發(fā)明的用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)，安裝在二維跟蹤轉臺上，包括:主鏡、次鏡、入射狹縫、楔形分色片、第一 VNIR反射鏡、VNIR凸面光柵、第二 VNIR反射鏡、VNIR平面轉折鏡、VNIR級次選擇濾光片、VNIR焦平面探測器、第一 IR反射鏡、IR凸面光柵、第二 IR反射鏡、IR級次選擇濾光片和IR焦平面探測器；
[0007]調整二維跟蹤轉臺使寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)的視軸對準月球圓盤的右邊緣，月球圓盤的一個條帶經主鏡和次鏡反射聚焦后成像在入射狹縫上，形成狹縫像；
[0008]從入射狹縫出射的可見近紅外波段的光束依次經楔形分色片反射、第一 VNIR反射鏡反射、VNIR凸面光柵色散后、第二 VNIR反射鏡聚焦、VNIR平面轉折鏡折轉、VNIR級次選擇濾光片濾光后分波長聚焦成像在VNIR焦平面探測器上；
[0009]從入射狹縫出射的紅外波段的光束依次經楔形分色片透射、第一 IR反射鏡反射、IR凸面光柵色散后、第二 IR反射鏡聚焦、IR級次選擇濾光片濾光后分波長聚焦成像在IR焦平面探測器上；
[0010]當狹縫像從月球圓盤的右邊緣掃描至左邊緣時，完成對月球圓盤的一次掃描；再次調整二維跟蹤轉臺使寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)的視軸重新對準月球圓盤的右邊緣，重新開始下一次的掃描觀測，依次循環(huán)往復，實現對整個月球圓盤的寬波段、高光譜分辨率掃描觀測。
[0011]進一步的，所述主鏡的二次曲面系數K1滿足:-1 ^ K1^ -1.5 ;所述次鏡的二次曲面系數K2滿足:-1.5 ^ K2^ -5 ;所述次鏡對主鏡的遮攔比小于30%。
[0012]進一步的，所述入射狹縫為彎曲狹縫，所述入射狹縫的安裝面為柱面，所述入射狹縫的安裝面的旋轉軸垂直于入射狹縫長度方向，所述入射狹縫的安裝面的曲率半徑私滿足:50mm < R3^i 10mm0
[0013]進一步的，所述楔形分色片采用ZnSe材料制成，其楔角β滿足:0.15彡β彡0.3 ;寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)的工作波段利用楔形分色片分為可見近紅外波段和紅外波段，視場角FOV滿足:1.2彡FOV彡1.6，焦距f滿足:460mm彡f彡560mm,相對孔徑D/f滿足:1/5 ( D/f ( 1/3。
[0014]進一步的，所述VNIR凸面光柵分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)和B區(qū)的閃耀波長不同，A區(qū)用于提高短波的衍射效率，B區(qū)用于提高長波的衍射效率，A區(qū)的面積SJP B區(qū)的面積足:1.2Sa^ Sb^ 1.5Sao
[0015]進一步的，所述VNIR級次選擇濾光片在光譜維方向分為E區(qū)和F區(qū)，E區(qū)和F區(qū)均鍍有帶通濾光片膜，E區(qū)的透射波段為350?700nm，F區(qū)的透射波段為700?1050nm。
[0016]進一步的，所述IR凸面光柵分為C區(qū)和D區(qū)，C區(qū)和D區(qū)的閃耀波長不同，C區(qū)用于提高短波的衍射效率，D區(qū)用于提高長波的衍射效率，C區(qū)的面積SjP D區(qū)的面積S M足:2SC< Sd彡 2.5Sco
[0017]進一步的，所述IR級次選擇濾光片在光譜維方向分為G區(qū)、H區(qū)和I區(qū)，G區(qū)和H區(qū)均鍍有帶通濾光片膜，I區(qū)鍍有線性漸變膜，G區(qū)的透射波段為1000?2000nm，H區(qū)的透射波段為2000?3000nm，I區(qū)線性漸變波段為3000?3500nm。
[0018]進一步的，所述VNIR焦平面探測器采用激光輻照可見光面陣S1-C⑶探測器。
[0019]進一步的，所述IR焦平面探測器采用HgCdTe紅外探測器。
[0020]進一步的，所述第一 VNIR反射鏡和第二 VNIR反射鏡的表面均為扁橢球面。
[0021]進一步的，所述第一 IR反射鏡的表面為球面。
[0022]進一步的，所述第二 IR反射鏡的表面為高次非球面。
[0023]進一步的，所述入射狹縫、楔形分色片、第一 VNIR反射鏡、VNIR凸面光柵、第二VNIR反射鏡、VNIR平面轉折鏡、VNIR級次選擇濾光片和VNIR焦平面探測器組成可見近紅外光譜成像系統(tǒng)，所述可見近紅外光譜成像系統(tǒng)的變倍比β:滿足:0.98^: β ^ 1.02 ;
[0024]所述入射狹縫、楔形分色片、第一 IR反射鏡、IR凸面光柵、第二 IR反射鏡、IR級次選擇濾光片和IR焦平面探測器組成紅外光譜成像系統(tǒng)，所述紅外光譜成像系統(tǒng)的變倍比β 2滿足:0.98 彡 β 2彡 I.02 ；
[0025]所述入射狹縫和楔形分色片為可見近紅外光譜成像系統(tǒng)和紅外光譜成像系統(tǒng)共用部分。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]本發(fā)明利用月球相對地球的運動對整個月球圓盤掃描觀測拼接得到完整的月球寬波段連續(xù)高光譜輻射數據。觀測開始時，本發(fā)明的視軸對準月球圓盤的右邊緣，月球圓盤的一個條帶經同軸兩反望遠鏡成像在入射狹縫上，從入射狹縫出射的可見近紅外波段和紅外波段的光束分別經可見近紅外光譜成像系統(tǒng)和紅外光譜成像系統(tǒng)分別成像在VNIR焦平面探測器和IR焦平面探測器上。
[0028]本發(fā)明利用楔形分色片實現可見近紅外波段和紅外波段同時探測，波段寬；可見近紅外光譜成像系統(tǒng)和紅外光譜成像系統(tǒng)分別采用VNIR凸面光柵和IR凸面光柵作為色散元件來獲得高光譜分辨率，VNIR凸面光柵和IR凸面光柵均為分區(qū)光柵，可以提高整個工作波段的衍射效率，從而提高了整個系統(tǒng)的探測靈敏度和信噪比。VNIR級次選擇濾光片和IR級次選擇濾光片均采用分區(qū)鍍膜方法，可以有效地降低光譜雜光，提高光譜純度。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)的結構組成示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明中的VNIR凸面光柵的分區(qū)示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明中的IR凸面光柵的分區(qū)示意圖。
[0032]圖4為本發(fā)明中的楔形分色片的結構示意圖。
[0033]圖5為本發(fā)明中的VNIR級次選擇濾光片的分區(qū)示意圖。
[0034]圖6為本發(fā)明中的IR級次選擇濾光片的分區(qū)示意圖。
[0035]圖7為本發(fā)明的用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)對月球進行掃描觀測的原理示意圖。
[0036]圖中:1、主鏡，2、次鏡，3、入射狹縫，4、楔形分色片，5、第一 VNIR反射鏡，6、VNIR凸面光柵，7、第二 VNIR反射鏡，8、VNIR平面轉折鏡，9、VNIR級次選擇濾光片，10、VNIR焦平面探測器，11、第一 IR反射鏡，12、IR凸面光柵，13、第二 IR反射鏡，14、IR級次選擇濾光片，15、IR焦平面探測器，a、第一工作表面，b、第二工作表面。
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明的用于地基對月觀測的寬波段高光譜分辨率成像系統(tǒng)，主要包括同軸兩反望遠鏡、可見近紅外(VNIR)光譜成像系統(tǒng)和紅外(IR)光譜成像系統(tǒng)。
[0039]所說的同軸兩反望遠鏡由主鏡I和次鏡2組成。主鏡I的二次曲面系數1滿足:-1 ( K1^ -1.5，K i最好為-1.05 ;次鏡2的二次曲面系數K 2滿足:-1.5 ^ K2^ -5, K2最好為-3.61 ;次鏡2對主鏡I的遮攔比小于30%。
[0040]所說的可見近紅外光譜成像系統(tǒng)的變倍比β i滿足:0.98 ^ β ^ 1.02?？梢娊t外光譜成像系統(tǒng)由入射狹縫3、楔形分色片4、第一 VNIR反射鏡5、VNIR凸面光柵6、第二VNIR反射鏡7、VNIR平面轉折鏡8、VNIR級次選擇濾光片9和VNIR焦平面探測器10組成。
[0041]所說的紅外光譜成像系統(tǒng)的變倍比β 2滿足:0.98彡β 2彡I.02。紅外光譜成像系統(tǒng)由入射狹縫3、楔形分色片4、第一 IR反射鏡11、IR凸面光柵12、第二 IR反射鏡13、IR級次選擇濾光片14和IR焦平面探測器15組成。其中，入射狹縫3和楔形分色片4為可見近紅外光譜成像系統(tǒng)和紅外光譜成像系統(tǒng)共用部分。
[0042]所說的入射狹縫3為彎曲狹縫，入射狹縫3的安裝面為柱面，入射狹縫3的安裝面的旋轉軸垂直于入射狹縫3長度方向，入射狹縫3的安裝面的曲率半徑R3滿足:50mm 100mm, R3最好為 76mm。
[0043]所說的楔形分色片4采用ZnSe材料制成，反射可見近紅外波段的光束進入可見近紅外光譜成像系統(tǒng)，透射紅外波段的光束進入紅外光譜成像系統(tǒng)。如圖4所示，楔形分色片4的楔角β (即楔形分色片4的第一工作表面a和第二工作表面b的夾角)滿足:
0.15^ β < 0.3，β最好為0.21。紅外波段的光束透過楔形分色片4時，一部分光束會在其第一工作表面a和第二工作表面b之間形成多次反射，楔形分色片4的楔角可使多