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大口径天基平台全谱段成像光学系统设计

李轶庭 付岳刚 王灵杰 张玉慧 刘铭鑫

李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0255
引用本文: 李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0255
LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0255
Citation: LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0255

大口径天基平台全谱段成像光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2019-0255
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

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

  • 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全谱段快照式光谱仪的方案。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,经过对各系统优化处理,最终获得了幅宽为400 km◊400 km,可见光分地面像元分辨率为40 m,中波红外地面像元分辨率为400 m,长波红外地面像元为625 m的光学系统,设计结果MTF可见光路在78.125 lp/mm高于0.455,中波红外光路在33.3 lp/mm高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm高于0.498;系统光谱分辨率分别为可见光20 nm、中波红外50 nm、长波红外光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 a compressive sensing spectral imaging system

    图  2  基于压缩感知的大口径全谱段光谱仪物理模型

    Figure  2.  Physical model of the 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  物镜结构图

    Figure  4.  Structure of the objective lens

    图  5  可见光一次会聚光路

    Figure  5.  First converging lens of the visual part

    图  6  可见光准直及会聚光路

    Figure  6.  Collimating and Converging lens of the visual part

    图  7  500 nmMTF

    Figure  7.  MTF at 500 nm

    图  8  700 nmMTF

    Figure  8.  MTF at 700 nm

    图  9  900 nmMTF

    Figure  9.  MTF at 900 nm

    图  10  500 nm点列图

    Figure  10.  Spot diagram at 500 nm

    图  11  700 nm点列图

    Figure  11.  Spot diagram at 700 nm

    图  12  900 nm点列图

    Figure  12.  Spot diagram at 900 nm

    图  13  可见光路二级光谱

    Figure  13.  Secondary spectrum of the visual part

    图  14  不同视场下可见光路光谱分辨率

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    Figure  14.  Spectral resolution of the visible spectrum in different fields of view

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    图  15  可见光系统谱线弯曲示意图

    Figure  15.  Schematic diagram of spectral smile of the visual spectrum

    图  16  中波红外一次会聚光路

    Figure  16.  First converging lens of the MWIR part

    图  17  中波红外准直及会聚光路

    Figure  17.  Collimating and Converging lens of the MWIR part

    图  18  3500 nm MTF

    Figure  18.  MTF at 3500 nm

    图  19  3800 nm MTF

    Figure  19.  MTF at 3800 nm

    图  20  4100 nm MTF

    Figure  20.  MTF at 4100 nm

    图  21  3500 nm点列图

    Figure  21.  Spot diagram at 3500 nm

    图  22  中波红外3800点列图

    Figure  22.  Spot diagram at 3800 nm

    图  23  4100 nm点列图

    Figure  23.  Spot diagram at 4100 nm

    图  24  中波红外光谱分辨率

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    Figure  24.  Spectral resolution of the MWIR part in different fields of view

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    图  25  中波红外系统谱线弯曲示意图

    Figure  25.  Schematic diagram of the spectral smile of the MWIR part

    图  26  长波红外一次会聚光路

    Figure  26.  First converging lens of the LWIR part

    图  27  长波红外准直及会聚光路

    Figure  27.  Collimating and Converging lens of the LWIR part

    图  28  7700 nmMTF

    Figure  28.  MTF at 7700 nm

    图  29  8600 nmMTF

    Figure  29.  MTF at 8600 nm

    图  30  9500 nmMTF

    Figure  30.  MTF at 9500 nm

    图  31  7700 nm点列图

    Figure  31.  Spot diagram at 7700 nm

    图  32  长波红外8600 nm点列图

    Figure  32.  Spot diagram at 8600 nm

    图  33  长波红外9500 nm点列图

    Figure  33.  Spot diagram at 9500 nm

    图  34  不同视场下长波红外光路分辨率

    a)ω=0.26° b)ω=0.184° c)ω=0.140° d)ω=0°

    Figure  34.  Spectral resolution of the LWIR part from different fields of view

    a)ω=0.26° b)ω=0.184° c)ω=0.140° d)ω=0°

    图  35  长波红外系统谱线弯曲示意图

    Figure  35.  Schematic diagram of spectral smile of LWIR part

    表  3.1  光学系统设计要求

    可见光中波红外长波红外
    空间分辨率/m40400625
    幅宽/km400×400400×400320×320
    光谱分辨率/nm2050150
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    表  3.2  光学系统探测器参数

    可见光中波红外长波红外
    像元数10000×100001024×1024512×512
    像元尺寸/ μm6.4×6.415×1524×24
    下载: 导出CSV

    表  3.3  光学系统参数

    可见光中波红外长波红外
    系统孔径/mm700
    视场角2ω0.66×0.660.66×0.660.52×0.52
    系统焦距/mm450013501375
    下载: 导出CSV

    表  3.4  子系统参数

    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/mm900/5341350/1371375/124
    光栅线对数lp/mm1705045
    下载: 导出CSV
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