1 引 言
地物目标的特征光谱测量、辐射测量,遥感仪器的场地定标都需要高光谱的地物光谱仪[1]。短波红外波段是遥感应用的一个重要波段,广泛应用于工业、农业、环境监测等各方面[2]。随着遥感技术的发展,短波红外波段地物光谱仪的应用越来越重要[3-4]。
由于可见至短波(SWIR)红外波段(380~1 000 nm)使用成熟的Si探测器,使此波段光谱仪技术发展较为成熟,国内外均研制成功了高性能的商业仪器[5]。而短波红外波段由于受到探测器性能的制约,仪器的发展受到很大的限制。早期研制的短波红外光谱仪器在光谱分辨率、使用便携性、信噪比等主要指标上与使用要求相差甚远。
近年来,短波红外探测器技术的发展[6-7]和新型平场凹面光栅的出现[8],为研制高性能的短波红外光谱仪提供了可能。本文采用平场凹面光栅分光、线阵列探测器探测这一最新设计方案,结合短波红外仪器的使用要求,进行了光谱仪的设计,并主要就仪器光机方面的设计做了较详细论述。
2 总体设计
整台仪器的工作原理如图1所示。由透镜L1、L2组成的前置光学系统使视场范围内目标的反射均匀地照亮入射光纤束,每根光纤都接受整个视场范围内相同的光通量,保证了两个探测单元视场的同一性,并可通过更换前置光学系统方便地改变仪器视场。采用光纤束导光,简化了光机结构设计,并在使用上更加方便。由平场凹面光栅和线阵列探测器组成的分光探测单元是仪器的核心部分,通过光纤的光照亮狭缝,经过光栅分光、会聚,成像在列阵探测器平面上,各像元输出电信号。由于受到探测器响应波段的限制,对整个探测波段(900~2 400 nm)分为两个独立的分光探测单元进行探测。CPU产生驱动时序,驱动电路实现探测器的工作时序。探测器输出的模拟信号经过滤波及放大后进行A/D转换,由主控电路完成数字信号的存储和显示。
3 光学系统设计
3.1 分光探测单元
分光探测单元主要由平场凹面光栅和线阵列探测器组成。平场凹面光栅集分光、会聚、像差校正于一体,将入射狭缝的光谱图像会聚到一个平面上,由线阵列同时探测各光谱的强度信号,如图2所示。该系统实现了较大的数值孔径并简化了光机结构设计,分光、探测元件全固化,无运动部件,保证了结构的可靠性和波长稳定性。
由于受到光栅覆盖波长范围和探测器响应波长范围的限制,在整个波长范围需要两个分光探测单元来实现。结合系统光谱分辨率、信噪比要求,选择最佳匹配单元。在SWIR1波段(900~1 650 nm),光栅的色散优于72 nm/mm,探测器为256元一级热电制冷InGaAs。在SWIR2波段(1 650 ~ 2 400 nm),光栅的色散优于58 nm/mm,探测器为256元二级热电制冷扩展InGaAs。两个探测器的像元宽度均为50μm,相应系统的光谱取样间隔优于3.6 nm。
3.2 光纤束
采用光纤束导光可以使光机结构设计进一步简化,并在使用时更加方便。选择光纤时主要考虑光纤的材料、芯径及与探测单元的F数匹配。根据系统的要求,选用了芯径为200μm的低OH石英光纤。
光纤束在入端随机紧密排列在截面圆内,接受通过前置光学系统的入射光。光纤束在后端分成两束分别进入两个分光探测单元。两光纤束出端的光纤重新排列,每束光纤中的所有光纤紧密排列并且中心在一条直线上。光纤末端的出射光照亮狭缝或直接作为狭缝(光纤末端不加狭缝)入射进分光探测单元进行分光探测。
3.3 前置光学系统
前置光学系统的作用是限制仪器的视场范围并使两个探测单元的视场完全相同。为实现这一目的,将探测目标与前置光学系统组成柯拉照明系统[9],如图3所示。图中T-目标;L1-物镜;L2-场镜;I-光纤入光端面;α-视场角;β-前置光学系统出射角;D1-物镜孔径;D2-场镜孔径;D3-光斑直径;a-物镜场镜间距;b-场镜。
光纤端面间距探测目标经过物镜L1成像在场镜L2上,物镜经过场镜成像在光纤入端面上,即光纤入端的每一点接受整个视场范围内目标的照亮(反射),视场范围内的每一点照亮整个光纤束入端。每根光纤的视场都相同,因此两探测单元的视场也相同。
进行前置光学系统设计时,首先确定系统的技术条件。主要包括:假定目标为无穷远;目标经过前置光学系统在光纤入端所形成的光斑略大于光纤束的排列截面圆;前置光学系统的出射角等于探测单元的孔径角。根据几何光学原理,得出关系式(1)、(2):
式中,α、β、D3可由系统的技术条件给出,只需综合考虑光机加工工艺,即可确定其他未知量。然后,通过ZEMAX软件进行优化设计,得出系统的具体尺寸。图4是3°视场前置光学系统点列图,可以看出视场范围的点经过镜头后形成一个均匀的弥散斑,弥散斑的直径大于排列光纤束的直径,表示视场内的每一点都均匀照亮整个光纤束。其他视场前置光学系统和3°视场前置光学系统效果相同,可以方便更换镜头改变视场。
3.4 狭缝尺寸的确定
狭缝大小与仪器的光谱分辩率、入射光通量、探测器输出直接相关,最终影响到积分时间、增益倍数等电子学参数设置及仪器的信噪比。因此,需综合考虑相关因素确定入射狭缝大小。首先确定光通量和入射狭缝的关系。假设入射狭缝的宽为K、高为G,探测器像元的宽为W、高为H,系统的入射立体角为Ω,整个线阵列探测器相应波长范围目标亮度为LALL,系统的透过率为T(包括前置光学系统的反射、吸收及光纤的耦合、反射、吸收,并认为所有波长均相同)。其中,Ω=πtan2β。为装调方便,入射狭缝的高度G大于探测器像元的高度H。式(3)可以表示通过入射狭缝的光通量:
经过分光会聚后,每个像元接收相应波长范围的光通量。假设第n个像元对应的中心波长为λn,波长范围为Δλn(光谱取样间隔),并认为在这一波长范围内目标的亮度Lλn为一常量,光栅效率为ηλ,则探测器像元接收到的光通量可用式(4)表示:
测量时,探测器的输出与接收光通量、积分时间、探测器光谱响应相关。用ΔT表示积分时间,rnλ表示探测器光谱响应,探测器像元输出电荷可由公式(5)表示:
由式(4)、(5)可知,当其他条件不变时,仅就信噪比而言,狭缝越宽越好。但同时考虑仪器的光谱分辩率及避免探测器输出饱和,狭缝宽度不应超过光纤芯径。
为方便设计,假设目标亮度为经过两个大气气团(m=2)后太阳漫射亮度。结合探测器光谱响应、光栅效率可知两个探测单元输出峰值分别在1 280 nm、1 700 nm。为了方便电子学参数设置并提高仪器的信噪比,两探测器的输出峰值应接近。比较两个探测单元,可以发现,SWIR2单元(1 650~2 400 nm)的光谱取样间隔、探测器像元高度、目标的光谱亮度(峰值输出对应波长亮度)均小于SWIR 1单元,其入射狭缝应大于SWIR 1单元狭缝。将积分时间设定为最佳时间范围内(80 ms,实际使用时可根据测量值重新设置)并根据已知参数计算得出SWIR 2单元入射狭缝宽取为极限值,即直接以排列光纤为入射狭缝,将SWIR 1单元入射狭缝宽设置为50μm。
4 结构设计
结构设计的目的是实现光学设计的要求。由于平场凹面光栅加线阵列探测器的光学设计方案无需附加准直、会聚光路,使结构的设计大大简化。结构设计的重点在于如何按照光栅的参数要求实现光栅、探测器、狭缝三者之间的高精度定位,并且装调容易、固定方便、轻量便携、牢固可靠。
按照上述设计要求,设计了两个独立的框架式壳体,分别固定两个探测单元,保证了结构轻量化且不易变形,使得器件固定方便可靠,如图5所示,图中字符含义同图2。通过加工工艺保证三个器件的中心在同一平面上,相对位置接近理想位置,减少了调整维数和调整难度。装调时仅需微调光栅的平移与旋转、狭缝的旋转,探测器的平移即可实现设计要求。其中,旋转光栅和狭缝调整狭缝正一级光谱成像与探测器像元平行(两者中心线夹角为0°);平移光栅调整光谱会聚;平移探测器调整探测光谱范围。
5 系统测试
5.1 光谱特性
系统装调完成后,利用高压钠灯的多条特征谱线对仪器的光谱特性进行了测试。根据特征谱线成像后对应像元的位置、个数,结合光栅方程计算得出仪器的光谱范围900~2 430 nm,光谱分辩率12 nm。
5.2 前置光学系统测试
前置光学系统的设计合理与否,可用亮度守恒定律来检测。测量均匀目标时,更换前置光学系统仅改变视场,仪器的输出DN值应保持不变。分别用3°、10°视场前置光学系统测量积分球光源输出,测量结果如图6所示。从图7中可看出仪器输出满足亮度守恒定律。
5 系统测试
5.1 光谱特性
系统装调完成后,利用高压钠灯的多条特征谱线对仪器的光谱特性进行了测试。根据特征谱线成像后对应像元的位置、个数,结合光栅方程计算得出仪器的光谱范围900~2 430 nm,光谱分辩率12 nm。
5.2 前置光学系统测试
前置光学系统的设计合理与否,可用亮度守恒定律来检测。测量均匀目标时,更换前置光学系统仅改变视场,仪器的输出DN值应保持不变。分别用3°、10°视场前置光学系统测量积分球光源输出,测量结果如图6所示。从图7中可看出仪器输出满足亮度守恒定律。
5.3 室外测量
图7为室外测量参考板时的光谱仪输出。测量时,积分时间设置为80 ms,增益为4。从图中可看出,两波段输出峰值接近,说明光谱仪两分光探测单元的入射狭缝设置合理。实际测量时,可根据目标的亮度对积分时间和增益进行重新设置,从而保证仪器的信噪比及大的动态测量范围。
6 结 论
采用平场凹面光栅和线阵列探测器进行短波红外地物光谱仪设计,大大简化了结构设计程序,实现了大的数值孔径和高光谱分辨率。通过光机结构的优化设计,实现了仪器的装调方便,牢固可靠,更换镜头方便改变仪器视场等功能。通过对仪器的实际测试验证了仪器设计满足要求,并具有光谱分辨率高、波长覆盖范围大、信噪比高、动态范围大的优点,适合室外900~2 400 nm波段辐射测量。
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ZHANG Y M.Applied Optics[M]. Beijing: China Machine Press, 1988. ( in Chinese)
作者简介:李 新(1975-),男,安徽萧县人,中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生,主要研究方向为遥感辐射定标及精密仪器设计。E-mail: xli@aiofm、ac、cn
郑小兵(1969-),男,新疆伊宁人,中国科学院安徽光学精密机械研究所研究员,博士生导师,主要从事光学精确测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标、光学遥感和海洋光学等方面的研究。E-mail: xbzheng@aiofm、ac、cn
