一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统。它采用级联式光学成像结构，由初级同心球透镜、次级中继转像微透镜组和三级同心分光成像透镜组构成，初级和三级系统分别位于孔径光栏两侧；初级同心球透镜采用四片式同心不对称结构，次级中继转像微透镜组采用改进的匹兹伐结构，三级同心分光成像透镜组采用同心全反射结构；初级、次级系统可独立地消除自身大部分几何像差，再经整体联合优化，可进一步平衡残余像差；三级系统集成于一块光学玻璃基底上，提高了系统的稳定性，适合于批量生产。本实用新型专利技术提供的光谱成像系统克服了视场与狭缝长度相互制约问题，实现了超大视场分光成像，且系统集光本领强、稳定性高、成像性能优。

【技术实现步骤摘要】
一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统
本技术涉及一种用于精细光谱分析的光学系统，特别涉及一种采用级联式光学成像结构的、易于加工的、大视场的、推扫式机载高光谱成像系统。
技术介绍
成像光谱的概念是美国喷气推进实验室（JPL）首先提出的。它是遥感器技术发展过程中的一次革命性的飞跃，将当代光谱遥感技术带到了最前沿。高光谱成像是指光谱分辨率达到纳米数量级的成像光谱技术，是始于20世纪80年代初的新型遥感技术，可同时获取目标物的光谱信息和两维空间信息，具有图谱合一的优点，它能够定性和定量地探测目标几何结构及其物化特性，具有特殊的识别能力，是遥感技术发展史上的一次革命性飞跃，且已经成为当代空间对地观测的主要技术手段和遥感领域的研究热点，特别是在军事应用上，该技术能用来识别伪装、检测化武、潜艇及水下危险物体探测等；也可用于环境、生态、作物、灭害、地质、资源、大气等的分析、分类、预报评估等。为了满足未来定量化国土资源调查、战场环境实时监测、精准农业评估等领域不断提高的应用需求，实现更加精确和快速的遥感探测，获得具有高可靠性与高时效性的光谱图像数据，要求高光谱成像系统不仅具有高的空间分辨率和光谱分辨率、还要同时具有高的时间分辨率。空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率，是衡量高光谱成像系统的重要性能指标，而空间分辨率和时间分辨率随着光学系统视场增大分别下降和提高、是一对相互制约的问题，目前采用的单镜头分光的面阵推扫式高光谱成像系统总视场较小，一般不大于40°，成像范围小，重复成像周期长，时间分辨率低，这意味着遥感作业效率低、成本高。因此，研制成像性能优、稳定性高、光谱分辨率高、易实现、成本低、视场大的高光谱成像系统是十分迫切和具有广泛的应用前景的。
技术实现思路
本技术针对现有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、成像性能优、稳定性高、光谱分辨率高、成本低、视场大的高光谱成像系统。为达到上述专利技术目的，本技术采用的技术方案是提供一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，它为级联式光学成像结构，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜系统、次级中继转像微透镜组、三级同心分光成像透镜组及探测器焦平面，初级同心球透镜系统和三级同心分光成像透镜组分别位于孔径光栏的两侧，所述的高光谱成像系统满足像方远心成像；所述的初级同心球透镜系统为同心不对称结构，它的焦距f1为80mm≤f1≤110mm；光学元件依次为第一片弯月形球面负透镜（11）、第一片平凸球面正透镜（12）、第二片平凸球面正透镜（13），第二片弯月形球面负透镜（14），各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’11、f’12、f’13、f’14，满足条件-2.88≤f’11≤-2.52、1.02≤f’12≤1.13、1.02≤f’13≤1.13、-2.88≤f’14≤-2.52；各透镜材料的折射率依次分别对应为n11、n12、n13、n14，满足条件1.65≤n11≤1.90、1.45≤n12≤2.0、1.45≤n13≤2.0、1.65≤n14≤1.90；所述的次级中继转像微透镜组包括若干子成像系统，单个子成像系统的焦距f2为25mm≤f2≤30mm；光学元件依次为第一双凸透镜（21）、第一双胶合透镜组（22）、第二双胶合透镜组（23）、第一弯月形厚透镜（24），第一双胶合透镜组（22）由第二双凸透镜（221）和第二弯月形厚透镜（222），第二双胶合透镜组（23）由弯月型负透镜（231）和第三双凸透镜（232）构成；各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’21、f’221、f’222、f’231、f’232、f’24，满足条件0.52≤f’21≤0.55、0.13≤f’221≤0.17、-4.92≤f’222≤-4.58、0.88≤f’231≤0.93、0.26≤f’232≤0.29、-0.16≤f’24≤-0.14；各透镜材料的折射率依次分别对应为n21、n221、n222、n231、n232、n24满足条件1.50≤n21≤1.80、1.40≤n221≤1.85、1.45≤n222≤2.0、1.45≤n231≤2.0、1.40≤n232≤1.85、1.45≤n24≤2.0；所述的三级同心分光成像透镜组包括若干个同心全反射结构的子分光成像系统，它的光学元件依次为主镜、光栅和三镜，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为球面全息光栅，单个子分光成像系统的焦距f3为100mm≤f3≤130mm，成像系统焦距的归一化曲率半径依次对应为R32、R33、R34，满足条件-0.56≤R32≤-0.50、-0.29≤R33≤-0.26、-0.56≤R34≤-0.50，光栅槽密度为每毫米400~450线对。所述的一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，它的总焦距f为40mm≤f≤60mm。它的全视场ω为0°≤ω≤140°。它的光学筒长L为240mm≤L≤250mm。它的光谱分辨率为2nm/pixel。所述的三级分光成像组的子分光成像系统，集成于一块折射率为n的弯月形光学玻璃基底上，n的取值范围为1≤n≤2.5，光栅位于玻璃基底的前凹面，主镜和三镜位于玻璃基底的后球面上。本技术提供的超大视场推扫式机载高光谱成像系统，由于采用了级联式光学成像结构，并且有效结合同心结构光学系统和匹兹伐结构光学系统的优点，实现超大视场范围内的高质量、高分辨率光谱图像。其专利技术原理是：初级系统采用大视场同心不对称球透镜，在曲面上获得一个均匀像差的大视场中间像，由于其不对称性，使得系统在与次级、三级系统进行光瞳匹配时更简便；次级系统为多组相同的中继转像微透镜，每一组采用一片双凸透镜、两组双胶合透镜和一片靠近像面的弯月形负透镜，可很好地对经初级系统获取的中间像进行残余像差校正和分视场成像，通过对双胶合透镜组光学玻璃材料的匹配和优化选择，进一步消色差，为三级分光系统提供具有最高衍射极限的多组分视场像；三级同心分光成像系统为多组相同的基于球面光栅分光的反/衍混合式光学系统，每一组由主镜、光栅和三镜组成，三者集成于一块光学玻璃基底上，主镜和三镜曲率半径相同，集成于一块反射镜，且位于该玻璃基底的后表面，光栅位于该玻璃基底的前球面，具有色散均匀、固有像差小、系统稳定性好的特点。它以经次级系统获取的多组分视场像为目标物，进行衍射分光和中继成像，获得相应的光谱图像。这种新型的级联式成像结构的高光谱系统，解决了传统推扫成像系统视场与狭缝长度相互制约问题，同时实现大视场与高光谱分辨率，具有广泛应用前景。与现有技术相比，本技术的有益效果在于：1.本技术提供的光学系统视场为0°≤ω≤140°，可探测范围广，探测识别效率高；全视场范围内均具有接近衍射极限的成像性能。2.本技术提供的光学系统，光谱分辨率高，达到2nm/pixel。3.本技术提供的光学系统的结构，在各级系统衔接上，更有助于光瞳的匹配。4.本技术提供的光学系统中初级和三级成像系统均采用同心结构，具有容易装调、稳定性好的优点。5.本技术提供的光学系统满足像方远心光路，接收器件表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它为级联式光学成像结构，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜系统、次级中继转像微透镜组、三级同心分光成像透镜组及探测器焦平面，初级同心球透镜系统和三级同心分光成像透镜组分别位于孔径光栏的两侧，所述的高光谱成像系统满足像方远心成像；/n所述的初级同心球透镜系统为同心不对称结构，它的焦距

【技术特征摘要】
1.一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统，其特征在于：它为级联式光学成像结构，沿光线入射方向，依次为初级同心球透镜系统、次级中继转像微透镜组、三级同心分光成像透镜组及探测器焦平面，初级同心球透镜系统和三级同心分光成像透镜组分别位于孔径光栏的两侧，所述的高光谱成像系统满足像方远心成像；
所述的初级同心球透镜系统为同心不对称结构，它的焦距f1为80mm≤f1≤110mm；光学元件依次为第一片弯月形球面负透镜（11）、第一片平凸球面正透镜（12）、第二片平凸球面正透镜（13），第二片弯月形球面负透镜（14），各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’11、f’12、f’13、f’14，满足条件-2.88≤f’11≤-2.52、1.02≤f’12≤1.13、1.02≤f’13≤1.13、-2.88≤f’14≤-2.52；各透镜材料的折射率依次分别对应为n11、n12、n13、n14，满足条件1.65≤n11≤1.90、1.45≤n12≤2.0、1.45≤n13≤2.0、1.65≤n14≤1.90；
所述的次级中继转像微透镜组包括若干子成像系统，单个子成像系统的焦距f2为25mm≤f2≤30mm；光学元件依次为第一双凸透镜（21）、第一双胶合透镜组（22）、第二双胶合透镜组（23）、第一弯月形厚透镜（24），第一双胶合透镜组（22）由第二双凸透镜（221）和第二弯月形厚透镜（222），第二双胶合透镜组（23）由弯月型负透镜（231）和第三双凸透镜（232）构成；各透镜焦距相对系统焦距的归一化值依次对应为f’21、f’221、f’222、f’231、f’232、f’24，满足条件0.52≤f’21≤0.55、0.13≤f’221≤0.17、-4.92≤f’222≤-4.58、0.88≤f’231≤0.93、0.26≤f’23...

【专利技术属性】
技术研发人员：季轶群，胡建凌，羊箭锋，李加慧，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32