高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究

高光谱紫外辐照度仪CCD电路系统的设计及测试
关怡然;李新;张权;张艳娜
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】为了在地面获得高信噪比的太阳直射紫外光谱辐照度,选用紫外敏感型线阵CCD探测器,研发了高光谱紫外辐照度仪原理样机。

设计了CCD电路系统,讨论了电源电路、驱动电路、模拟前端电路以及CCD驱动时序的工作原理与设计方法,并在实验室利用标准灯光源测试了CCD电路系统的非线性和信噪比。

结果表明,在340 nm波段下,CCD探测器接收信号约为饱和信号的80%时,系统信噪比超过400。

最终,将测试好的CCD电路系统与光机模块装调并进行了波长定标,光谱范围覆盖280~400 nm,实现了对室内光源的紫外高光谱测量,验证了CCD电路系统设计的合理性和可行性。

【总页数】11页(P246-256)
【作者】关怡然;李新;张权;张艳娜
【作者单位】中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所;中国科学技术大学
【正文语种】中文
【中图分类】O433
【相关文献】
1.紫外临边成像光谱仪CCD电路系统的设计
2.科学级紫外CCD电路系统设计
3.太阳辐照度监测仪主动热控测试系统设计
4.光伏组件测试仪的光辐照度不均匀性检验系统的研究和设计
5.紫外高光谱探测仪实验室辐照度定标研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

真空紫外成像光谱仪在空间科学中的应用探究作者：李子硕来源：《科学与财富》2017年第09期摘要：本文总结了真空紫外成像光谱仪的关键技术，介绍了国外发展的现状，列举了日地空间环境观测、地外行星体观测和宇宙空间观测三个应用领域中有代表性的载荷参数，并且分析了真空紫外成像光谱仪在空间科学研究中的优势，展望了其未来发展方向。

关键词：真空紫外；成像光谱仪；光学元件1、真空紫外成像光谱仪的关键技术真空紫外成像光谱仪主要应用于航天遥感领域，其包括了很多先进科学技术的最高水平现状，于是其主要涉及了以下几个方面的关键的技术。

其一，光学元件的加工和光学系统的设计。

因为真空紫外波段的透射材料稀少且难以制备，因而有很大一部分的该波段的成像光谱仪会使用反射式光栅来作为分光元件。

而相较于可见光的波段，真空紫外波段的波长远远小于其波长，故而对光学元件表面粗糙度的要求也要高很多，于是便要求极为高超的制备工艺。

其二，高反射率镀膜。

在光学元件的表面镀高反射率膜是为了真空紫外波段能获得较高的反射效率。

与此同时，为了保护该膜系不被高能的宇宙射线所破坏还需要镀保护膜，并且对不同的波长应用范围作出不同的选择。

所以对反射膜的要求较高。

其三，高增益成像探测器技术。

因为真空紫外波段探测器的光谱响应能力普遍较低，但是需要观测的真空紫外辐射强度大多极其微弱，所以必须应用具有高增益的成像探测器。

现阶段下，高增益成像探测器一类的发展十分迅速，已经渐渐满足了真空紫外波段成像探测向大尺寸、高增益、高动态范围、低噪声方向发展的要求。

2、国外的发展现状随着当前经济的飞速发展，世界各国越来越重视未来空间的探测计划的建设，其中便包括真空紫外成像光谱仪载荷的研制和发射任务。

例如美国、俄罗斯、荷兰、加拿大、印度、韩国、日本等许多国家。

（1）检测日地空间环境的现状太阳、太阳风、磁层、电离层和热层的状态就是所谓的空间天气。

空间天气的恶劣将会影响定位系统的精度，会影响无线电通讯的质量以及电力传输的安全。

航天返回与遥感第42卷第1期92SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2021年2月高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计王保华李可唐绍凡张秀茜王媛媛（北京空间机电研究所，北京 100094）摘要针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求，提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案，分析确定了成像光谱仪光学系统指标，设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统。

空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案，实现了大视场、大相对孔径像方远心设计，系统相对畸变小于0.02%；光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm，采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案，实现了长狭缝高保真光谱成像设计，谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸。

设计结果表明，高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑，成像品质接近系统衍射极限，满足星载高光谱对地成像的数据应用要求。

关键词成像光谱仪光学系统设计自由曲面凸面光栅航天遥感中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2021)01-0092-08DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super SwatchWANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume,收稿日期：2020-03-02基金项目：科技部国家重点研发计划项目（2016YFB0500501）引用格式：王保华, 李可, 唐绍凡, 等. 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 92-99.WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)第1期王保华等: 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计 93which can satisfy the demand of remote sensing application.Keywords imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing0 引言成像光谱仪是一种将成像技术与光谱技术相结合的新型光学遥感仪器，可以同时采集目标的空间信息、辐射信息和光谱信息，形成谱像合一的数据立方体，在大气、陆地、海洋、农林、应急减灾、水土和矿产资源调查等领域具有重要应用价值[1-3]。

星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计由两个凸光栅成像光谱系统和离轴非球面三反射镜望远成像系统组成的全反射式高光谱成像仪光学系统，是以小型化与宽波段为出发点，为了使两种不同型号的探测器得以匹配，该项目将海内外优秀高光谱星载成像仪纳入研究内容中，分析对比了这些仪器的光学系统的结构并对于其中的主流成像仪光栅色散、傅立叶变换和棱镜色散的优劣点及它们的运作原理进行了定义，最后通过调整两探测器的光谱成像系统的变倍比以达到最终目的。

标签：高光谱成像仪；光学系统；傅立叶变换型通过30年的快速发展，近年来，光谱成像技术逐渐进入遥感研究界的主流视野当中，成为学术界的前沿学科。

高光谱分辨率、宽光谱范围和多样化的谱段是高光谱数据明显区别于传统遥感数据源的三大特点，同时这些特点也为遥感研究提供了更为多元化的研究途径和更为翔实的数据支持。

仪器采用何种光学系统是研发过程中至关重要的组成，决定着光学仪器的质量、性能和体积。

1 高光谱成像仪光学系统的特点光谱成像系统和望远成像系统是构成高光谱成像仪的两个基石，因为该成像仪的光学系统正式通过两者得以建立。

地物目标之能在成像仪上呈现出多个光谱分辨率的图像，完全得益于其条带成像在望远成像系统的帮助下，进入光谱成像系统的入射狭缝里，之后色散，由于长短不一的波长，便在探测器的不同位置上成像。

1.1 高聚光力高光谱成像仪光学系统具有探测器元件接受能力弱和窄带宽的局限性，以不改变仪器质量、体积和性能的为基本原则，需要在最大程度上扩大光学系统的相对口径，让光学系统的能量收集能力得到最好的发挥。

1.2 高能量利用率地球表面有限的光辐射能量加上高光谱成像仪多谱段、短带宽的特点，使得必须最大限度降低进入光学系统的能量的衰减。

1.3 高传递函数在弱光照强度下，只有足够高的调制系统传递函数才能保证信噪低的高光谱成像仪对目标物的空间位置有精确的判断。

2 三种常见分光方法的比较由于分光法决定着高光谱成像仪的质量、体积、性能和结构复杂度等特性，分光法当之无愧是高光谱成像仪的要义核心。

星载中分辨率光谱成像仪结构设计技术研究的开题报告一、研究背景和意义星载中分辨率光谱成像仪是一种广泛应用于遥感领域的重要光学仪器。

其主要功能是通过对地面目标的光谱特性进行高分辨率的成像，来提供有关地球环境变化和资源分布等方面的信息。

随着遥感技术和光学成像技术的不断发展和创新，星载中分辨率光谱成像仪的技术水平也得到了极大的提高，成为了遥感领域中不可或缺的重要工具。

然而，星载中分辨率光谱成像仪的研究仍存在一些问题。

例如，在当前光学成像技术水平下，光谱仪的分辨率已经达到了极高的水平，但它所扫描的区域范围却十分有限，尚不能满足大面积立体化遥感测绘的需要。

此外，复杂的地面地形和地貌特征等也会对成像仪的精度和分辨率产生一定的影响。

因此，如何提高星载中分辨率光谱成像仪的分辨率和精度已经成为当前研究的核心问题，也是本研究的主要目标。

二、研究内容和方法本研究以星载中分辨率光谱成像仪为研究对象，针对其结构设计技术进行了深入探讨，并基于现有的光学成像技术，提出了一些新的结构设计方案。

具体研究内容和方法如下：1.综述：对目前国内外星载中分辨率光谱成像仪的研究现状和相关技术进行了全面的综述，总结并分析了其中存在的问题和挑战。

2.成像原理：对星载中分辨率光谱成像仪的成像原理进行了详细解析，从理论上探讨成像质量的影响因素，以及如何提高成像仪的分辨率和精度。

3.结构设计：针对现有光学成像技术的特点，提出了一些新的结构设计方案，包括光路设计、像散校正、光学系统设计等方面。

同时，也在设计中考虑了复杂地形和地貌特征等因素的影响。

4.仿真模拟：对新设计方案进行了数字仿真，验证了其性能和分辨率的提高效果，并分析了仿真结果的合理性和可靠性。

5.试验验证：通过实验验证新设计方案的可行性和实用性，对比实验数据与仿真结果，并分析差异和原因。

三、预期成果和创新点1. 提出一些新的星载中分辨率光谱成像仪结构设计方案，突破现有技术的局限和缺陷。

2. 通过数字仿真和试验验证，证明这些新设计方案的可行性和实用性，并且能够显著提高成像仪的分辨率和精度。

高分辨率紫外可见成像光谱仪地面定标技术研究伴随空间光学遥感技术的不断进步,为了满足星载光学探测仪的发展和科研的需要,在近几十年中高分辨率星载成像光谱仪对探测精度要求在逐渐提高,仪器的设计越来越完善,其功能和性能指标也在不断提升。

空间光学遥感载荷高精度探测的实现不仅取决于仪器本身的性能也取决于其探测数据的定量化反演的水平,即通过原始探测数据反演出目标气体含量的水平。

而在探测数据定量化反演的过程中,地面定标是不可缺少的技术之一,高精度的成像光学遥感仪器的快速发展带来的是地面测试和定标技术的复杂化,因此针对星载光学成像光谱仪建立一套完整的地面测试系统是迫切需要的。

紫外可见高分辨率成像光谱仪采用高光谱成像技术,是一台工作波段为300nm-500nm的双通道成像光谱仪,为开展相应的高精度地面定标技术研究,分别围绕五个方面展开定标了工作。

本文第一章首先介绍了近些年来国内外星载光学遥感仪器的发展和国内外地面定标技术的现状,同时介绍了紫外可见高分辨率成像光谱仪的组成及相应的工作原理,并针对该载荷的性能指标确立了相应的定标工作。

第二章研究了紫外可见高分辨率成像光谱仪的光谱定标技术,使用低压汞灯作为定标光源,研制了实验装置对载荷进行波长定标,波长定标结果表明,紫外可见高分辨率成像光谱仪可见通道的波长范围为377-517 nm,且波长定标总的不确定度为0.02798nm。

为了准确描述仪器狭缝函数,针对紫外可见高分辨率成像光谱仪宽波段探测、大视场扫描、空间及光谱分辨率高的特点,空间中心自主研制了狭缝函数测量仪,狭缝函数测量仪能一次性输出多条分布均匀的窄带谱线,并利用该特点准确测描述了载荷狭缝函数,结果表明,输出谱线较好的符合高斯分布规律,由于存在光谱弯曲,导致边缘视场分辨能力略低于星下点视场光谱分辨能力,可见通道分辨率在0.42nm-0.50nm之间。

第三章研究了紫外可见高分辨率成像光谱仪的视场及空间响应函数测量。

利用狭缝函数测量仪定标了载荷视场并且描述了其空间响应函数,定标结果表明紫外可见高分辨率成像光谱仪的总视场为112.5°,与空间响应函数近似符合高斯分布,仪器跨轨飞行方向的星下点空间分辨率在1.36°-1.62°之间,在边缘视场载荷空间分辨率在1.48°-1.81°之间。

文章编号 2097-1842（2024）01-0079-10紫外小F 数高变倍高光谱成像仪设计刘　洋1,2，李　博1 *，林冠宇1,3，王晓旭1，李寒霜1，顾国超1（1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学, 北京100049；3. 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081）摘要：常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F 数。

针对高光谱分辨率成像光谱仪小F 数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner 紫外成像光谱仪。

该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner 结构。

结合成像光谱仪对变倍比和小F 数的需求，通过理论推导得到Offner 初始结构参数。

在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。

最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm 波段时，具有40 mm 的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm ，系统变倍比小于0.22，F 数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF ）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS ）均小于12 μm 。

本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F 数、高变倍设计提供了一种设计方案。

关 键 词：光学设计；成像光谱仪；Offner 系统中图分类号：TH744 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0037Design of UV-band hyperspectral resolution imaging spectrometer withsmall F -number and high variable ratioLIU Yang 1,2，LI Bo 1 *，LIN Guan-yu 1,3，WANG Xiao-xu 1，LI Han-shuang 1，GU Guo-chao 1（1. Changchun Institute of Optics , Fine Mechanics and Physics , Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033, China ；2. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China ；3. Innovation Center for FengYun Meteorological Satellite , Beijing 100081, China ）* Corresponding author ，E-mail : libo 0008429@Abstract : Conventional imaging spectrometers generally have low variable ratio, which is not conducive to the extended application of large-field, long-slit, multi-channel optical systems. In space remote sensing,the radiation energy of the ultraviolet band is low, which requires the imaging spectrometer to have a smaller F -number. In order to meet the requirement of detecting small F -number of high spectral resolution imaging spectrometer, an Offner UV imaging spectrometer with high spectral resolution and high variable ratio is de-收稿日期：2023-03-01；修订日期：2023-04-03基金项目：国家重点研发计划（No. 2022YFB3903202）Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2022YFB3903202)第 17 卷　第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17　No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024signed in this paper. An improved Offner structure with light and small size is adopted in the rear beam split-ting system of the imaging spectrometer. Based on the requirements of variable power ratio and small F-num-ber of the imaging spectrometer, the initial Offner structure parameters are derived theoretically. A meniscus lens is inserted in front of the image to increase the degree of freedom for the optimization of the system and improve the imaging quality of the system. The obtained imaging spectrometer works in the 270~300 nm band with a long slit of 40 mm, a spectral resolution better than 0.6 nm, the system variable power ratio less than 0.22, and an F number less than 2. Its Modulation Transfer Function (MTF) is better than 0.9 at a cutoff frequency of 14 lp/mm, and the Root Mean Square (RMS) radius of each field of view in each band is less than 12 μm. This study provides a design scheme for the UV-band hyperspectral detection imaging spectro-meter with small F-number and high variable ratio.Key words: optical design；imaging spectrometer；Offner system1 引　言成像光谱技术是目前应用非常广泛的的技术，可以同时获得光谱和空间两个维度的信息。