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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, 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, 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
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    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
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    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
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    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
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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

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