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《中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)》 2017年
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高光谱分辨率宽刈幅温室气体探测光谱仪光学设计

赵哲  
【摘要】:由于CO_2等温室气体的大量排放,引起了越来越严重的气候问题,因此温室气体的排放量成为全球各国的关注焦点。为了探测地球大气成分中温室气体的含量,包括二氧化碳和甲烷两种气体成分,本文设计了一台含有四个探测波段,并且光谱分辨率高,地面刈幅宽度广的星载浸没式平面衍射光栅光谱仪光学系统。四种气体探测波段的参数如下所述:一、1.606μm波段:光谱范围:1.590μm-1.622μm;波段带宽:32nm;中心波长:1.606μm;光谱分辨率:0.08nm/20000;空间分辨率:2km;地面刈幅宽度:500km;光谱维度像元数:1000;空间维度像元数:250;像元尺寸:20μm;二、1.660μm波段:光谱范围:1.644μm-1.676μm;波段带宽:32nm;中心波长:1.660μm;光谱分辨率:0.08nm/20000;空间分辨率:2km;地面刈幅宽度:500km;光谱维度像元数:1000;空间维度像元数:250;像元尺寸:20μm;三、2.064μm波段:光谱范围:2.0435μm-2.0845μm;波段带宽:41nm;中心波长:2.064μm;光谱分辨率:0.1032nm/20000;空间分辨率:2km;地面刈幅宽度:500km;光谱维度像元数:1000;空间维度像元数:250;像元尺寸:20μm;四、0.765μm波段:光谱范围:0.758μm-0.772μm;波段带宽:14nm;中心波长:0.765μm;光谱分辨率:0.045nm/17000;空间分辨率:2km;地面刈幅宽度:500km;光谱维度像元数:777;空间维度像元数:250;像元尺寸:20μm;卫星运行轨道高度为690km,视场角为2×19.92°,瞬时视场角为0.166°,采用推帚扫描模式。整个光谱仪光学系统由前置系统和分光系统组成。其中前置系统采用透射式望远镜设计,由4片透镜和1个光阑组成。入瞳直径为3.8mm,F数为1.8,焦距为6.9mm。分光系统由入射狭缝,准直镜组,浸没式平面衍射光栅,成像镜组以及像平面组成。由于采用利特罗式光学结构,本系统的准直镜组和成像镜组合二为一。光谱仪系统在奈奎斯特频率处的MTF优于0.65,单个像元尺寸内集中了接近90%的衍射能量,可以实现高光谱探测。本文分别针对四个探测波段的光学结构逐一进行公差分析,除默认公差设置以外,额外添加了四种公差,并设置了四个公差补偿。采用灵敏度分析方法以及蒙特卡洛方法进行结构分析。分别针对四个探测波段的光栅光谱仪逐一进行了杂散光分析。并设计了四种抑制杂散光的结构,包括前置遮光罩,狭缝,零级光陷阱,外罩。分析表明,同时采用这四种抑制杂光的结构,可以有效防止杂散光对光谱仪系统的影响。对星载光栅光谱仪的刈幅宽度的影响因素进行了简单介绍,介绍了相关的几何畸变的原理;对光谱分辨率的影响因素做了原理性的分析。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH744.1

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