【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像方法及其系统，具体涉及一种各光学元件具有直视共轴特点的基于棱镜-棱镜-光栅的分光成像方法及系统。
技术介绍
1、随着空间与光学探测技术的发展，空间对地光学遥感技术成为了众多监测领域的研究热点。遥感技术借助于机载光学仪器，对地物目标反射的电磁波进行识别，已在环境污染勘探、农林业监测及军事侦查等领域有着广泛的应用。对地遥感技术的早期发展阶段主要集中于可见光波段的探测，而对于电磁波谱特征分布较广的地物目标，仅覆盖可见光无法准确反映特征信息，因此，工业界对于空间对地光学遥感技术涵盖光谱域的范围提出了更高的要求。相比于中长波红外图像，短波红外图像可获取目标区域更为丰富的细节信息，例如，在黑夜时间段的天空辐射仍覆盖短波红外波段，因此，短波红外成像技术可在夜间提供照明。目前，随着微电机系统以及短波红外探测器件工艺水平的快速发展，短波红外光谱成像技术在空间光学对地遥感中得到了众多应用。另一方面，无人机遥感作为新兴监测技术手段，对于小范围地域监测具有显著优势，并在环境监测、应急指挥等方面得到越来越广泛的应用。随着无人机等新型遥感平台的崛起，大量高光学性能、轻小型的光谱成像系统也推动了无人机与短波红外光谱成像技术的有机结合。由于受到光学系统像差校正能力的限制，现有分光成像系统很难以微小型紧凑结构实现高分辨率光谱成像，因此，结合空间对地光学遥感技术与无人机技术两者的优点，研究用于无人机机载的分光成像系统，且所设计的系统以微小型紧凑结构与轻量化为主，使其在民用领域，短波红外在森林安全监测、矿物资源勘
2、色散元件作为成像光谱仪的核心组成元件，决定着系统的分辨率。目前，广泛使用的成像光谱仪采用棱镜或光栅作为其色散元件。采用光栅衍射光谱的成像光谱仪，具有光谱分辨率高、波段覆盖范围广等优点。为进一步提高光谱分辨率，现有技术通过引入多个光栅色散光束，但相邻衍射级次像之间的重叠致使设计者须对系统工作波段和光谱通道数进行权衡，且此类成像光谱仪在动态工程测量过程中的操作与调试过于复杂，难以实现灵活检测。采用棱镜色散的成像光谱仪具有制备价格低、无光谱重叠、系统稳定性强等优点。然而，由于棱镜易引入严重像差，此类系统的光谱畸变较大，需要后处理进行数据校正。此外，棱镜的使用导致光谱呈非线性变化，由此产生的光谱位置偏差增加了光谱校准与校正难度，极大影响光谱成像的质量。
3、目前，已报导的基于棱镜与光栅色散的成像光谱仪常采用反射式结构，导致光路复杂、系统装配存在较大误差。参见文献“design ofa compact wide-spectrum double-channel prism imaging spectrometer with freeform surface”(applied optics，31:9512-9522，2018)，提出了一种基于曲面棱镜分光的大视场成像光谱仪，包含采用离轴三反消像散结构的前置物镜、双入射狭缝、基于曲面棱镜的分光成像系统、可见近红外探测器和短波红外探测器。其中，分光成像系统通过引入自由曲面反射镜平衡高阶离轴像差。一方面，该成像光谱仪像面处的光谱畸变未得到控制，获取数据仍需进行后处理校正；另一方面，曲面棱镜的色散分光导致像面处光谱线呈非线性排布，改变了原始映射信息，增大光谱校准及校正难度。该系统与采用标准球面的初始设计结果相比，体积减小至原设计结果的0.55倍，可筒长达到280mm，该成像光谱仪仍难以用于无人机等轻小型遥感平台。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种高分辨率、宽波段、易于装调及校准的用于无人机机载的轻小型短波红外分光成像方法及其系统。
2、本专利技术所采用的技术方案是提供一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，所述分光成像系统的各光学元件为共光轴结构，按光线入射方向依次为：入射狭缝、双胶合透镜、棱镜-棱镜-光栅、双平面反射镜组、自由曲面双胶合透镜和像面；系统孔径光阑设置在棱镜-棱镜-光栅的前表面处；
3、所述的双胶合透镜，按光线入射方向，各表面的曲率半径依次为r21、r22、r23，分别满足条件17mm≤r21≤19mm、-5.5mm≤r22≤-3.5mm、-7.5mm≤r23≤-5.5mm；
4、所述的棱镜-棱镜-光栅由两片平面棱镜与一片平面衍射光栅组成；按光线入射方向，第一片平面棱镜、第二片平面棱镜的折射率依次为n31和n32，阿贝数依次为v31和v32，分别满足条件1.95≤n31≤1.97、1.58≤n32≤1.6，16.5≤v31≤19、67.3≤v32≤69.3；衍射光栅的光栅刻线密度为g3，满足条件230lines/mm≤g3≤270lines/mm；棱镜-棱镜-光栅的色散角为θ3，取值范围为11°≤θ3≤15°；
5、所述的自由曲面双胶合透镜，按光线入射方向，第一片透镜的前表面为偶次非球面，第二片透镜的后表面为自由曲面；自由曲面双胶合透镜各表面的曲率半径依次为r51、r52、r53，分别满足条件64.5mm≤r51≤67mm、-25.5mm≤r52≤-23.5mm、-70mm≤r53≤-68mm。
6、本专利技术所述的偶次非球面的子午截面方程为：
7、
8、其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k＝0；a2和a3分别是各单项式的系数，取值范围为-1.047×10-3≤a2≤-1.045×10-3，-1.32×10-5≤a3≤-1.30×10-5。
9、所述的自由曲面为xy多项式自由曲面，后表面所在坐标系为以自由曲面的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴向上为正方向，x轴向外为正方向，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：
10、
11、其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k＝0；a1至a7分别是各单项式的系数，取值范围为0.5848≤a1≤0.5862，0.877≤a2≤0.879，2.76×10-3≤a3≤2.77×10-3，0.016≤a4≤0.018，-0.155≤a5≤-0.153，-0.017≤a6≤-0.015，-7.3×10-3≤a7≤-7.1×10-3。
12、本专利技术所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其分光成像系统的物方数值孔径na为0.15≤na≤0.18，分光成像系统筒长l为85mm≤l≤100mm。本专利技术技术方案还提供一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像方法，包括如下步骤：
13、(1)光线经入射狭缝入射至双胶合透镜，进行校正色差并会聚光束；所述的双胶合透镜，按光线入射方向，各表面的曲率半径依次为r21、r22、r23，分别满足条件17mm≤r21≤19mm、-5.5mm≤r22≤-3.5mm、-7.5mm≤r23≤-5.5mm；
14、(2)会聚光束入射至棱镜-棱镜-光栅，实现色散分光；所述的棱镜-棱镜-光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：所述分光成像系统的各光学元件为共光轴结构，按光线入射方向依次为：入射狭缝(1)、双胶合透镜(2)、棱镜-棱镜-光栅(3)、双平面反射镜组(4)、自由曲面双胶合透镜(5)和像面(6)；系统孔径光阑设置在棱镜-棱镜-光栅的前表面处；
2.根据权利要求1所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：所述的偶次非球面的子午截面方程为：
3.根据权利要求1所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：所述的自由曲面为XY多项式自由曲面，后表面所在坐标系为以自由曲面的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴向上为正方向，X轴向外为正方向，所述坐标系中XY多项式自由曲面的方程式为：
4.根据权利要求1所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：分光成像系统的物方数值孔径NA为0.15≤NA≤0.18，分光成像系统筒长L为85mm≤L≤100mm。
5.一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像方法，其特
...【技术特征摘要】
1.一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：所述分光成像系统的各光学元件为共光轴结构，按光线入射方向依次为：入射狭缝(1)、双胶合透镜(2)、棱镜-棱镜-光栅(3)、双平面反射镜组(4)、自由曲面双胶合透镜(5)和像面(6)；系统孔径光阑设置在棱镜-棱镜-光栅的前表面处；
2.根据权利要求1所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特征在于：所述的偶次非球面的子午截面方程为：
3.根据权利要求1所述的一种用于无人机机载的短波红外光谱分光成像系统，其特...
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