[发明专利]一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统

说明书

本发明公开了一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，包括前置望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统。前置望远成像系统包括凹面反射镜、转折镜、主镜、次镜、分色片、退偏器和光阑；Offner‑Littrow光谱成像系统具体由滤光片、入射狭缝、探测器、凸面光栅、凹面反射镜和像差校正透镜构成；凹面反射镜将对地观测的光信息引入仪器，经折转镜、退偏器后，由主、次镜聚焦后，通过分色片形成两个独立光谱通道(300nm‑400nm)、(395nm‑500nm)进行探测。各波段光分别聚焦光谱仪入射狭缝，经滤光片后由像差校正透镜准直到凹面反射镜，通过凸面光栅分光反射至凹面反射镜，再经像差校正透镜聚焦到探测器上。本发明保证测量准确性，使整体光学系统体积紧凑。

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，仪器通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射来解析痕量污染气体成分NO₂、SO₂、O₃等的分布和变化。具体由前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成，主要应用于星载或机载平台的高分辨率成像光谱仪探测。

背景技术

本发明主要用于定量监测全球/区域痕量污染气体成分(O₃、NO₂、HCHO和SO₂等)的分布和变化，获取大气痕量气体高光谱分辨率、高空间分辨率水平分布，监测我国上空及全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程，分析人类活动排放和自然排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响。

仪器的前置望远成像光学系统没有采用常用的摆扫机构，而是利用包括两片离轴非球面反射镜构成的宽视场前置望远镜，在穿轨方向形成114°大视场。仪器在太阳同步轨道进行天底观测、面阵推扫，幅宽为2600km，可近似实现一日全球覆盖监测。

自地球大气或地表散射、反射的光信息通过系统的前置望远成像系统会聚后，利用分色片进行分光，将各通道对应谱段的光会聚进入相应通道的Offner-Littrow结构成像光谱仪，在光谱仪内色散成像到面阵CCD探测器上，从而获取高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱信息。

对地观测紫外成像光谱仪的分辨率要求高，光学系统的焦距就会长，若用相对口径大的光学系统来满足所要求的辐射能量、仪器的体积和重量就增加很多，可能超出卫星资源承受范围。这里采用镜面数少的望远镜和Littrow-0ffner改进结构的凸面光栅光谱仪，组成的光学结构能提高系统总光学效率，并可以减少口径。

前置望远成像系统是将地物目标的条带成像在Offner-Littrow光谱成像系统的入射狭缝上。光谱成像系统对入射狭缝进行色散，然后按不同波长成像在探测器的不同位置。通过适当选择光谱成像系统的色散系数可以获得不同光谱分辨率的图像。

光学系统设计不仅考虑工作波长范围、性能、体积和质量等问题，还要考虑空间应用环境下系统的工作稳定性问题。由于透射材料本身的温度稳定性差，同时紫外玻璃材料有限，因此前置望远成像系统采用反射式方案。通过综合考虑目前光学设计和加工技术水平，宽视场、高分辨率望远成像系统的设计方案如下：采用离轴两镜消像散结构设计实现114°宽视场探测，同时利用分色片进行分光，形成两个独立的光谱探测通道。前置望远成像系统分别将光谱信息(300-400)nm和(395-500)nm的光谱信息会聚进入相应通道的光谱仪入射狭缝。成像光谱仪采用Offner-Littrow结构设计，实现高光谱、空间分辨率，并且该结构易于实现小型化，适应空间技术。前置望远成像系统的会聚光最后进入各通道成像光谱仪，色散并成像到面阵CCD探测器，从而获取高光谱分辨率的光谱成像信息。

光谱波段指标要求为(300-500)nm，光谱分辨率≤0.6nm，空间分辨率优于7㎞。考虑到在这个波段辐照强度变化大，且光谱分辨率要求高，采用两通道设计方案，同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。