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痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计

孔相金 李博 李寒霜 王晓旭 顾国超 蒋雪

孔相金, 李博, 李寒霜, 王晓旭, 顾国超, 蒋雪. 痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 661-673. doi: 10.37188/CO.2023-0153
引用本文: 孔相金, 李博, 李寒霜, 王晓旭, 顾国超, 蒋雪. 痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(3): 661-673. doi: 10.37188/CO.2023-0153
KONG Xiang-jin, LI Bo, LI Han-shuang, WANG Xiao-xu, GU Guo-chao, JIANG Xue. Optical system design of hyperspectral imaging spectrometer for trace gas occultation detection[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 661-673. doi: 10.37188/CO.2023-0153
Citation: KONG Xiang-jin, LI Bo, LI Han-shuang, WANG Xiao-xu, GU Guo-chao, JIANG Xue. Optical system design of hyperspectral imaging spectrometer for trace gas occultation detection[J]. Chinese Optics, 2024, 17(3): 661-673. doi: 10.37188/CO.2023-0153

痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2023-0153
基金项目: 国家重点研发计划(No.2022YFB3903202);国家自然科学基金(No.62205330)
详细信息
    作者简介:

    李博(1981—),男,吉林梨树人,博士,研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事高光谱遥感总体设计方面的研究。E-mail:libo0008429@163.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Optical system design of hyperspectral imaging spectrometer for trace gas occultation detection

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No.2022YFB3903202); National Natural Science Foundation of China (No. 62205330)
More Information
  • 摘要:

    痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构,有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化,优化结果表明:光谱仪在250~952 nm波段范围内工作,其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21 μm;红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6 μm,均满足设计要求。结果表明该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

     

  • 图 1  掩星探测原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of occultation detection

    图 2  望远系统结构图。(a)二维图;(b)三维图

    Figure 2.  Structure diagram of the telescopic system. (a) two-dimensional view; (b) three-dimensional view

    图 3  望远系统MTF曲线图

    Figure 3.  MTF graph of the telescopic system

    图 4  望远系统点列图

    Figure 4.  Spot diagram of the telescopic system

    图 5  紫外-可见光分光系统结构图

    Figure 5.  Structural diagram of UV-Vis spectroscopic system

    图 6  不同波长下紫外-可见光通道MTF曲线图。(a)λ=675 nm;(b)λ=462.5 nm;(c)λ=250 nm

    Figure 6.  MTF graph of UV-vis channel at the wavelengthes of (a) λ=675 nm; (b) λ=462.5 nm; (c) λ=250 nm

    图 7  紫外-可见光通道点列图

    Figure 7.  Spot diagram of UV-vis channel

    图 8  红外通道结构图

    Figure 8.  Structural diagram of infrared channel

    图 9  红外通道不同波长下的MTF曲线图。(a)λ=952 nm;(b)λ=939 nm;(c)λ=926 nm;(d)λ=773 nm;(e)λ=764.5 nm;(f)λ=756 nm

    Figure 9.  MTF graph of infrared channel at the wavelengthes of (a) λ=952 nm; (b) λ=939 nm; (c) λ=926 nm; (d) λ=773 nm; (e) λ=764.5 nm; (f) λ=756 nm

    图 10  红外通道点列图

    Figure 10.  RMS image of infrared channel (λ=952、939、926、773、764.5、756 nm)

    图 11  光谱仪整体结构图

    Figure 11.  Overall structure diagram of the spectrometer

    图 12  光谱仪MTF曲线图

    Figure 12.  MTF graph of the spectrometer

    图 13  光谱仪点列图

    Figure 13.  Spot diagram of of the spectrometer

    图 14  光谱仪公差分析图

    Figure 14.  Tolerance analysis of the spectrometer (λ=939、764.5、462.5 nm)

    表  1  成像光谱仪的主要技术指标

    Table  1.   Main technical indicators of imaging spectrometer

    参数 指标
    系统波段/nm 250~952
    视场/(°) 0.48
    焦距/mm 950
    F数 8.26
    光谱分辨率/nm 0.2~1
    狭缝长度/mm 7.96
    MTF >0.58@20 lp/mm
    探测器像元数/pixel 1024×1024
    探测器像元尺寸/μm 13×13
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-30
  • 修回日期:  2023-09-22
  • 录用日期:  2023-10-31
  • 网络出版日期:  2023-11-08

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