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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

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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]. . 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]. .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. 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.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:地月大动态范围高精度成像光谱技术(No.2022YFB3903202);国家自然科学基金青年基金(No.62205330)
详细信息
    作者简介:

    孔相金 (1999-),男,辽宁大连人,硕士,2018年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:1447432800@qq.com

    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:High precision imaging spectroscopy for Earth-moon large dynamic range(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。为了实现全天时连续测量、宽波段、高光谱的探测需求,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,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探测原理图

    Figure 1.Probing schematic

    图 2望远系统结构图

    Figure 2.Structure diagram of the telescopic system

    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.RMS image of the telescopic system

    图 5紫外-可见光分光系统结构图

    Figure 5.Structure diagram of UV-Vis spectroscopic system

    图 6紫外-可见光通道MTF曲线图

    Figure 6.MTF graph of UV-vis channel (λ=675、462.5、250 nm)

    图 7紫外-可见光通道点列图

    Figure 7.RMS image of UV-vis channel (λ=675、462.5、250 nm)

    图 8红外通道结构图

    Figure 8.Structure diagram of Infrared channel

    图 9红外通道MTF曲线图

    Figure 9.MTF graph of Infrared channel (λ=952、939、926、773、764.5、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 (λ=952、939、926、773、764.5、756、675、462.5、250 nm)

    图 13光谱仪点列图

    Figure 13.RMS image of of the spectrometer (λ=952、939、926、773、764.5、756、675、462.5、250 nm)

    图 14光谱仪公差分析图

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

    表 1成像光谱仪主要技术指标

    Table 1.Main technical indicators of imaging spectrometer

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

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