留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

天基平台宽谱段成像光学系统设计

李轶庭 王灵杰 张玉慧 刘铭鑫

李轶庭, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 天基平台宽谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1495-1503. doi: 10.37188/CO.2019-0255
引用本文: 李轶庭, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 天基平台宽谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1495-1503. doi: 10.37188/CO.2019-0255
LI Yi-ting, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared imaging system based on space-based platform[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1495-1503. doi: 10.37188/CO.2019-0255
Citation: LI Yi-ting, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared imaging system based on space-based platform[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1495-1503. doi: 10.37188/CO.2019-0255

天基平台宽谱段成像光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2019-0255
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2016YFF010902)
详细信息
    作者简介:

    李轶庭(1993—),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,2015年于长春理工大学学士学位,主要从事光学设计研究。Email: 188437027@qq.com

    王灵杰(1979—),男,江苏常州人,硕士,副研究员,2002年于天津大学获得学士学位,2007年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获硕士学位,主要从事空间光电系统研究。E-mail: wanglingjie@126.com

    张玉慧(1992—),女,吉林白山人,博士生,2015年于长春理工大学获得学士学位,2018年于北京航空航天大学获硕士学位,主要从事仿生光学及微纳结构设计方面的研究。Email: 1615008053@qq.com

    刘铭鑫(1991—),男,浙江桐乡人,博士,2014年于中国海洋大学光信息科学与技术专业获得学士学位,2019年于长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光学设计和计算成像领域研究。E-mail: liumingxin2021@163.com

  • 中图分类号: 140.3060;

Optical design of visual and infrared imaging system based on space-based platform

Funds: Supported by National Research & Development plan of China(No. 2016YFF010902)
More Information
  • 摘要: 针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难、信号采集处理时间长的问题,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点,提出采用压缩感知的大口径宽谱段快照式光谱仪方案,对其光学系统结构进行设计,并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统,用分色片对系统分光,经过对各系统进行优化处理,最终获得了幅宽为400 km×400 km,可见光地面像元分辨率为50 m、中波红外地面像元分辨率为400 m、长波红外地面像元分辨率为625 m的光学系统。该设计中,可见光路在78.125 lp/mm的MTF高于0.455,中波红外的光谱分辨率为光路在33.3 lp/mm处的MTF高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm处的MTF高于0.498;可见光光谱分辨率为20 nm、中波红外的光谱分辨率为50 nm、长波红外的光谱分辨率为150 nm;可见光路二级光谱小于0.05 mm,设计结果具有良好的成像质量,各部分光学系统成像质量接近衍射极限,设计结果满足应用和指标需求。

     

  • 图 1  压缩感知光谱成像系统原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of compressive sensing spectral imaging system

    图 2  基于压缩感知的大口径多谱段光谱仪物理模型

    Figure 2.  Physical model of visual and infrared large aperture multispectral sensor based on compressive sensing

    图 3  光学系统结构图

    Figure 3.  Structure of the optical system

    图 4  可见光一次会聚光路

    Figure 4.  First converging lens in visual part

    图 5  可见光准直及会聚光路

    Figure 5.  Collimating and converging lens in visual part

    图 6  波长为 (a) 500 nm; (b) 700 nm; (c) 900 nm时的MTF值

    Figure 6.  MTF at (a) 500 nm; (b) 700 nm; (c) 900 nm

    图 7  波长为(a) 500 nm; (b) 700 nm及(c) 900 nm时点列图

    Figure 7.  Spot diagram at (a) 500 nm; (b) 700 nm and (c) 900 nm

    图 8  可见光路二级光谱

    Figure 8.  Secondary spectrum in visual part

    图 9  不同视场下光谱分辨率

    Figure 9.  Spectral resolution in different fields of view

    图 10  系统谱线弯曲示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of spectral smile

    图 11  中波红外一次会聚光路

    Figure 11.  First converging lens of MWIR part

    图 12  中波红外准直及会聚光路

    Figure 12.  Collimating and converging lens of MWIR part

    图 13  波长为(a) 3500 nm;(b) 3800 nm及(c) 4100 nm时的MTF

    Figure 13.  MTF at (a) 3500 nm; (b) 3800 nm; (c) 4100 nm

    图 14  波长为(a) 3500 nm; (b) 3800 nm;及(c) 4100 nm点列图

    Figure 14.  Spot diagram at (a) 3500 nm; (b) 3800 nm; (c) 4100 nm

    图 15  长波红外一次会聚光路

    Figure 15.  First converging lens of LWIR part

    图 16  长波红外准直及会聚光路

    Figure 16.  Collimating and converging lens of LWIR part

    图 17  (a) 7700 nm;(b) 8600 nm; (c) 9500 nm处MTF

    Figure 17.  MTF at (a) 7700 nm; (b) 8600 nm; (c) 9500 nm

    图 18  波长为(a) 7700 nm; (b) 8600 nm; (c) 9500 nm时的点列图

    Figure 18.  Spot diagram at (a) 7700 nm; (b) 8600 nm; (c) 9500 nm

    表  1  光学系统设计要求

    Table  1.   Requirements for optical system design

    可见光系统中波红外系统长波红外系统
    空间分辨率/m50400625
    幅宽/km400×400400×400320×320
    光谱分辨率/nm2050150
    下载: 导出CSV

    表  2  光学系统探测器参数

    Table  2.   Parameters of the optical system’s detector

    可见光系统中波红外系统长波红外系统
    像元数/pixel8000×80001024×1024512×512
    像元尺寸/μm6.4×6.415×1524×24
    下载: 导出CSV

    表  3  光学系统最终设计参数

    Table  3.   Parameters of the designed optical system

    可见光系统中波红外系统长波红外系统
    系统孔径/mm700
    视场角2ω/(°)0.66×0.660.66×0.660.52×0.52
    系统焦距/mm450013501375
    下载: 导出CSV

    表  4  子系统参数

    Table  4.   Parameters of the sub-optical system

    可见光一次会聚
    光路/准直光路
    中波红外一次会聚
    光路/准直光路
    长波红外一次会聚
    光路/准直光路
    系统焦距/
    mm
    900/534270/137275/124
    光栅线对数/
    (lp·mm−1)
    1705045
    下载: 导出CSV
  • [1] 戴立群, 唐绍凡, 徐丽娜, 等. 从可见光到热红外全谱段探测的星载多光谱成像仪器技术发展概述[J]. 红外技术,2019,41(2):107-117.
    [2] 马文坡, 练敏隆. “高分四号”卫星凝视相机的技术特点[J]. 航天返回与遥感,2016,37(4):26-31. doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.004

    MA W P, LIAN M L. Technical Characteristics of the Staring Camera on Board GF-4 Satellite[J]. Spacecraft Recovery&Remote Sening, 2016, 37(4): 26-31. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.004
    [3] 陶家生, 孙治国, 孙英华, 等. 静止轨道高分辨率光学遥感探索[J]. 光电工程,2012,39(6):1-6.

    TAO J SH, SUN ZH G, SUN Y H, et al. Exploration of High Resolution Optical Remote Sensing of the Geostationary Orbit[J]. Opto-Electronic Engineering., 2012, 39(6): 1-6. (in Chinese)
    [4] 罗秀娟, 刘辉, 张羽, 等. 地球同步轨道暗弱目标地基光学成像技术综述[J]. 中国光学,2019,12(4):753-766.
    [5] 黄思婕. 地球静止轨道大动态范围信息获取技术研究[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所. 2015.

    HUANG S J. Research on the technology of geosynchonous orbit high dynamic range information acquisition. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics. 2015. (in Chinese)
    [6] 刘铭鑫.基于压缩感知的编码孔径光谱成像技术研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2019.

    Liu M X. Research on coded aperture spectral imaging technology based on compressed sensing[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences, 2019. (in Chinese)
    [7] 钱路路.计算光谱成像技术研究[D]. 安徽: 中国科学技术大学. 2013.

    Qian L L. Research on computational imaging spectroscopy[D]. Anhui: University of science and Technology of China. 2013. (in Chinese)
    [8] 闫歌, 许廷发, 马旭, 等. 动态测量的高光谱图像压缩感知[J]. 中国光学,2018,11(4):550-559. doi: 10.3788/co.20181104.0550

    YAN G, XU T F, MA X, et al. Hyperspectral image compression sensing based on dynamic measurement[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 550-559. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20181104.0550
    [9] 韩庆, 王健, 熊峥, 等. 用于长波红外目标模拟器的 DMD衍射特性分析[J]. 红外激光与工程,2017,46(5).

    HAN Q, WANG J, XIONG J. et al. Diffraction characteristics analysis for DMD-based scene projectors in the long-wave infrared[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(5). (in Chinese)
    [10] 吕伟振, 刘伟奇, 魏忠伦, 等. 基于DMD的高动态范围成像光学系统设计[J]. 红外与激光工程,2014,43(4).

    LV W ZH, LIU W Q, WEI ZH L, et al. Design of high dynamic range imaging optical system based on DMD[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(4). (in Chinese)
    [11] 孙永强, 胡源, 王月旗, 等. 数字微镜器件在会聚成像光路中的像差分析[J]. 光学学报,2019,39(3).

    SUN Y Q, HU Y, WANG Y Q, et al. Analysis on Aberration of Digital Micromirror Device in Convergent Imaging[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(3). (in Chinese)
    [12] 刑振冲.灵巧型长焦多波段共口径光学系统的研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2018.

    Xing ZH CH. Research on miniature telefocal multiband common aperture optical system[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of Sciences, 2018. (in Chinese)
    [13] 张天一, 朱永田, 候永辉, 等. LAMOST高分辨率光谱仪研制[J]. 中国光学,2019,12(1):148-155. doi: 10.3788/co.20191201.0148

    Zhang T Y, ZHU Y T, Hou Y H, et al. Construction of a LAMOST high resolution spectrograph[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 148-155. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191201.0148
    [14] 曹佃生, 林冠宇, 杨小虎, 等. 紫外双光栅光栅仪结构设计与波长精度分析[J]. 中国光学,2018,11(2):219-230.

    CAO T SH, LIN G Y, YANG X H, et al. Structure design and wavelength accuracy analysis of ultraviolet double grating spectrometer[J]. Chinese Optics, 2018, 11(2): 219-230. (in Chinese)
    [15] 潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[M]. 苏州: 苏州大学出版社2004.

    PAN J H. Design, Fabrication and Testing of Optical Asphere[M]. Suzhou: Suzhou University Press, 2004. LUO X J, LIU H, ZHANG Y, et al. . Review of ground-based optical imaging techniques for dim GEO objects[J]. Chinese Optics, 2019, 12(4): 753-766. (in Chinese)
    [16] 孙武, 韩诚山, 吕恒毅, 等. 推扫式多光谱遥感相机动态范围拓展方法[J]. 中国光学,2019,12(4):906-913.

    SUN W, HAN CH SH, LV H Y, et al. Dynamic range extending method for push-broom multispectral remote sensing cameras[J]. Chinese Optics, 2019, 12(4): 906-913. (in Chinese)
    [17] 袁立银, 谢佳楠, 候佳, 等. 紧凑型红外成像光谱仪光学设计[J]. 红外激光与工程,2018,47(4).

    YUAN L Y, XIE J N, HOU J, et al. Optical design of compact infrared imaging spectrometer[J]. Ingrared and Laser Engineering, 2018, 47(4). (in Chinese)
    [18] 胡斌, 黄颖, 马永利, 等. 高分辨率红外成像仪五反无焦主系统设[J]. 红外与激光工程,2016,45(5).

    HU B, HUANG Y, MA Y L, et al. Design of five-mirror afocal principal system for high spatial resolution infrared imager[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5). (in Chinese)
    [19] 张营.长波红外高光谱成像仪光学技术研究[D]. 上海: 中国科学院上海技术物理研究所. 2016.

    ZHANG Y. Optical Technology of Long-wave Infrared Hyperspectral Imaging[D]. Shanghai: shanghai Institute of Technical Physics. 2016.
    [20] 韩军, 李珣, 吴玲玲, 等. 一种光栅型成像光谱仪光学系统设计[J]. 应用光学,2012,33(2):233-239.

    HAN J, LI X, WU L L. Optical system design of grating-based imaging spectrometer[J]. Journal of applied Optics, 2012, 33(2): 233-239. (in Chinese)
  • 加载中
图(18) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  2111
  • HTML全文浏览量:  1049
  • PDF下载量:  231
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 修回日期:  2020-02-22
  • 网络出版日期:  2021-11-04
  • 刊出日期:  2021-11-19

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!