成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

　　1引言

　　成像光谱仪光学系统包括望远系统和光谱仪光学系统两部分。离轴三反消像散 [1](Three MirrorAnastigmatic，TMA)系统具有无遮拦、宽视场、大孔径、小尺寸等特点，有利于实现高的分辨率和系统透过率。近年来，被越来越多的应用在成像光谱仪的望远系统上。

　　如美国国家航空航天管理局(American National Aeronautics and Space Administration，NASA)研制的超光谱成像仪(Hyperspectral Spaceborne Imager，HSI[2])、美国海军地图观察者计划(Naval EarthMap Observer，NEMO)卫星上的海岸带成像光谱仪(Coastal Ocean Imaging Spectrometer，COIS[3])、地球观测卫星1号(thefirst Earth Orbiter satellite，EO-1)上的Hyperion[4]，德国即将发射的环境地图分析规划卫星(The EnvironmentalMapping and Analysis Program，EnMAP[5])上的超光谱成像仪望远系统均采用离轴TMA结构。 HSI和COIS的望远系统焦距同为360mm，F数同为3，视场角分别为3°和2.86°，Hyperion望远系统焦距为1 320mm，F数为11，视场角为0.63°，EnMAP望远系统焦距为522mm，F数为3，视场角为2.6°，可见，目前成像光谱仪所用离轴三反望远系统，F数在3~11之间，视场角≤3°。从业务化应用来看，设计出10°以上的宽视场、大孔径望远系统具有重要的意义。

　　目前关于成像光谱仪望远系统光学设计的文章都只是单纯从光学设计的角度阐述问题，对于它的应用指标需求很少提及，本文从航天应用的角度对成像光谱仪望远系统的技术指标进行分析，基于几何光学理论，针对0.4～2.5μm光谱范围的成像光谱仪，研究和设计了焦距为700mm的离轴三反望远系统，线视场角达到20°。

　　2望远系统技术指标分析

　　星载成像光谱仪的望远系统技术指标主要由地面分辨率、线视场、光谱范围和系统信噪比[6]等参数决定。

　　(1)地面分辨率

　　在成像光谱仪的所有性能参数中，地面分辨率是实际应用中最重要的指标。下面对成像光谱仪地面分辨率进行分析。

　　在星下点位置，当指向反射镜相对45°星下点的摆角为0°，设成像光谱仪所用探测器像元的尺寸为d，望远系统的焦距为f，那么地面像元分辨率(文中简称“地面分辨率”)

　(1)

　　式中h为成像光谱仪到地面观测点的距离。

　　由公式(1)可见，当轨道高度h和探测器像元尺寸d一定的情况下，成像光谱仪望远系统的焦距f越大，地面分辨率越高。

　　(2)线视场

　　成像光谱仪的线视场即在穿轨方向的刈幅宽度。设穿轨方向有1 000个像元，则在星下点位置，穿轨方向刈幅宽度

　　(2)

　　可见，在轨道高度h和探测器像元尺寸d一定的情况下，成像光谱仪望远系统的焦距f越大，穿轨方向刈幅宽度越小。