一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法与流程

1.本发明涉及航天光学遥感器设计领域，涉及一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法。


背景技术：

2.随着遥感成像技术的发展，航天相机的分辨率和幅宽不断提高。但是遥感相机的图像传感器件，无论是ccd还是cmos，均受限于技术、工艺和成本等因素，单片探测器宽度不能满足相机所需的大视场，因此，目前均采用多片探测器的拼接来增大焦平面尺寸，实现大幅宽的成像。
3.焦平面拼接方法主要包括机械交错拼接和光学拼接，如图1所示，相较于机械拼接方法，光学拼接方法具有能量利用率高、无像差、不同探测器间成像无时间差和重叠区不受姿态影响等众多优点，已经成为当前航天相机焦平面拼接的主流趋势。
4.目前，国内外已有多款航天相机采用了光学拼接的方法实现高分辨率的大视场遥感成像。国外如法国pleiades卫星，采用5片tdi ccd光学拼接的焦平面，能够在全色分辨率0.7m下实现优于20km的幅宽。国内如2012年发射的资源三号(zy-3)立体测绘卫星同样采用了光学拼接的焦平面设计，其相机具备在2.1m分辨率下实现50km的幅宽的成像能力。
5.大视场遥感光学相机采用光学拼接方案时，分光反射镜的设计至关重要，主要原因有：一是大视场相机边缘光线角度并非垂直于焦面入射，存在一定的角度，分光反射镜设计不合理会导致在渐晕区产生杂光，二是光学遥感相机多为多谱段tdi积分式焦面，不同谱段在沿轨方向存在一定位置差，而不同谱段的渐晕中心区域并非一致。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法，解决了入射光存在一定的角度时，分光反射镜设计不合理会导致在渐晕区产生杂光问题，和不同谱段在沿轨方向存在一定位置差时，导致不同谱段的渐晕中心区域不一致的问题。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
8.一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法，该方法包括如下步骤：
9.步骤一：根据焦面探测器厚度、电箱结构、光学系统后截距、光学系统参数、焦面位置、共轭距离计算得到分光反射镜中心的位置；
10.步骤二：在光学设计软件中，输入步骤一所述的参数，在所述分光反射镜中心位置插入虚拟面，虚拟面倾斜45
°
；
11.步骤三：通过光学系统参数和探测器参数计算渐晕区完全匹配的探测器重叠尺寸；
12.步骤四：根据步骤三所述的探测器重叠尺寸计算相邻成像视场角度；
13.步骤五：根据步骤四所述的相邻视场角度在光学设计软件中进行光线追迹；
14.步骤六：通过步骤二所述的虚拟面处各个谱段光斑位置得到分光反射镜的正面尺寸；计算虚拟面处分光反射镜边缘光线的锥角，得到分光反射镜的切角设计，形成分光反射镜的结构。
15.本发明的有益效果是：本发明通过计算光学系统的各片探测器与渐晕区完全匹配时搭接视场分布，然后通过光学软件进行严格的光线追迹，直接获得分光反射镜精确的正面面形，确保不同谱段渐晕区一致，进而通过计算分光反射镜位置处光线锥角，对分光反射镜测面进行切角，避免在渐晕区产生杂光。
附图说明
16.图1现有技术焦面机械拼接和光学拼接方式示意图。
17.图2本发明分光反射镜位置及加入虚拟面示意图。
18.图3本发明渐晕区完全匹配的探测器重叠尺寸计算方法图。
19.图4本发明光学软件中相邻拼接视场在虚拟面上的光斑图。
20.图5本实施例分光反射镜正面尺寸设计示意图。
21.图6本实施例分光反射镜测面切角设计示意图。
22.图7本实施例分光反射镜设计图纸样例图。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
24.一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法，该方法包括如下步骤：
25.步骤一：所设计的大视场卡塞格林式遥感相机焦距3500mm，口径470mm，视场角2.3
°
，探测器像元尺寸4.5μm，像元列为6496，共5个谱段，谱段间距为2.772mm，为覆盖整个成像面，需要采用5片探测器，即两片反射镜。探测器数量计算公式如下：
26.探测器片数n：n＝3500mm
×
tan(2.3
°
)/(6496
×
0.0045mm)＝4.81，取整为5。
27.步骤二：根据所设计光学系统中探测器选型和焦面参数，分光反射镜距离应保证探测器安装时能够共轭，计算出分光反射镜中心距离感光面30mm，如图2所示，并在所述分光反射镜中心处加入虚拟反射面。
28.中心距离d：d＝6496
×
0.0045mm＝29.322mm，取整为30mm。
29.步骤三：渐晕区完全匹配时，搭接区域尺寸d：d＝30mm
×
(1/2/f#)＝4.05mm，探测器单一像元尺寸为4.5μm，即对应搭接像素数目为900pixels。
30.步骤四：如图3所示，根据搭接视场到#1和#2探测器的搭接视场为：-0.8936
±
0.3315，#2和#3探测器的搭接视场为：-0.4468
±
0.3315，#3和#4探测器的搭接视场为：0.4468
±
0.3315，#4和#5探测器的搭接视场为：0.8936
±
0.3315，不同谱段间视场角差异为0.04537
°
。
31.步骤五：利用光学软件进行光线追迹，如图4所示，在虚拟面上可以看到不同谱段在拼接区域的光斑位置，通过沿光斑边缘的切线，得到分光反射镜正面通光尺寸，尺寸为直角梯形，直角边长度为28mm，长边长度为24.23mm，非直角边的角度为87.79
°
，如图5和图6所示。
32.步骤六：如图6所示，分光反射镜处的光线锥角为8.2
°
，当分光镜边缘小于该角度
时，光线会照射到侧边上，反射形成鬼像，为避免出现鬼像，设计倒角为10
°
，如图7所示，其中直角边非渐晕方向保留0.6mm余量。
33.本发明可以在采用光学拼接形式的空间遥感相机分光反射镜设计中得到应用，其原理也可以应用于其他采用光学拼接的系统中，进行分光反射镜的设计。


技术特征：
1.一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：根据焦面探测器厚度、电箱结构、光学系统后截距、光学系统参数、焦面位置、安全工作距离计算得到分光反射镜中心的位置；步骤二：在光学设计软件中，输入步骤一所述的参数，在所述分光反射镜中心位置插入虚拟面，虚拟面倾斜45
°
；步骤三：通过光学系统参数和探测器参数计算渐晕区完全匹配的探测器重叠尺寸；步骤四：根据步骤三所述的探测器重叠尺寸计算相邻成像视场角度；步骤五：根据步骤四所述的相邻视场角度在光学设计软件中进行光线追迹；步骤六：通过步骤二所述的虚拟面处各个谱段光斑位置得到分光反射镜的正面尺寸；计算虚拟面处分光反射镜边缘光线的锥角，得到分光反射镜的切角设计，形成分光反射镜的结构。

技术总结
一种大视场遥感相机光学拼接反射镜设计方法涉及航天光学遥感器设计领域，解决了入射光存在一定的角度时，分光反射镜设计不合理会导致在渐晕区产生杂光问题，和不同谱段在沿轨方向存在一定位置差时，导致不同谱段的渐晕中心区域不一致的问题。通过确定分光反射镜位置，在光学系统设计中加入虚拟面。根据光学系统参数和探测器参数计算渐晕区完全匹配时探测器重叠的尺寸；计算得到光学拼接的相邻成像视场角度，在光学设计软件中进行光线追迹，在虚拟面处得到光斑分布，从而得到分光反射镜的正面尺寸，分析得到虚拟面处光线锥角，得到分光反射镜的切角角度，最终形成分光反射镜的设计尺寸。计尺寸。计尺寸。


技术研发人员：刘江 马驰 杨成龙 孙菲菲
受保护的技术使用者：长光卫星技术有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/3/25