4. 多光谱成像体制与光学系统选型
多光谱载荷的成像体制决定了“地面目标如何被扫描成二维图像”，光学系统则决定“这些波段的光能否被高质量地汇聚到探测器上”。两者必须联合选型：先由任务需求（幅宽、分辨率、重访周期、波段数、信噪比）确定成像体制，再据此确定光学结构形式与关键参数。本节围绕推扫式、画幅式、摆扫式三种体制的成像原理，以及折射式、反射式、折反式三类光学系统的对比与选型方法展开。
一、三种成像体制的成像原理
推扫式（Push-broom）：探测器采用线阵（或由多条线阵组成的面阵），每条线阵对应一个波段，沿穿轨方向排列成一条“推扫线”。卫星沿轨飞行时，线阵像元依次扫过地面，形成一维空间维加一维光谱维的数据；飞行方向的空间维由时间累积构成。其核心特征是“空间一维靠飞行、光谱维靠线阵分光”，因此需要高精度的姿态稳定度和推扫速度匹配。推扫式幅宽由线阵长度和焦距决定，瞬时视场（IFOV）对应地面采样距离（GSD）。典型参数示例：轨道高度 700 km、焦距 2.5 m、像元尺寸 10 μm，则 GSD ≈ 700 km × 10 μm / 2.5 m = 2.8 m；若线阵 4096 像元，幅宽约 11.5 km。
画幅式（Frame/Staring）：探测器为面阵，一次曝光同时获取整个二维空间场景，每个波段对应一个面阵区域或通过滤光片轮/可调谐滤光片分时获取。其优点是几何关系简单、无推扫运动误差，适合凝视观测和快速变化目标；缺点是幅宽与分辨率受面阵规模限制，且分时获取多波段时存在时间配准误差。画幅式常用于高分辨率详查、目标监视或无人机载多光谱相机。
摆扫式（Whisk-broom）：利用旋转扫描镜沿穿轨方向往复扫描，将地面条带逐点/逐行成像，卫星沿轨运动提供另一维。每个像元依次经过分光系统，光谱维由探测器线阵或单元探测器加滤光片实现。摆扫式可用单元探测器获得高光谱分辨率，但扫描镜运动带来机械磨损、扫描效率低、像元驻留时间短，信噪比受限。典型用于早期高光谱载荷（如 AVIRIS 类）。
二、三类光学系统的对比
折射式：全部由透镜组成，结构紧凑、装调相对简单、无中心遮拦、视场可做得较大。但大口径透镜存在色差、材料均匀性、重力变形和支撑困难，且随口径增大重量急剧上升。多光谱载荷中折射式多用于小口径、宽视场、短焦距场景，如微纳卫星多光谱相机（口径 50～150 mm）。
反射式：以反射镜为主，无色差，口径可做大，适合长焦距、高分辨率。常见形式有牛顿式、卡塞格林式、R-C（里奇-克莱琴）式。R-C 系统通过双曲面主镜与副镜校正球差和彗差，是航天多光谱/高分辨率载荷的主流。缺点是存在中心遮拦，导致调制传递函数（MTF）在中频段下降，且视场相对较小。
折反式：在反射式基础上引入校正透镜组，用于扩大视场、校正残余像差、改善平场特性。典型如施密特-卡塞格林、R-C 加校正镜组。折反式兼顾大口径与较大视场，但引入透镜后存在少量色差和装调复杂度，且校正镜组需考虑空间环境适应性。
| 对比项 | 折射式 | 反射式（R-C） | 折反式 |
|---|---|---|---|
| 色差 | 明显，需消色差 | 无 | 少量，需校正 |
| 口径能力 | 小（≤150 mm） | 大（≥300 mm） | 中大（200～500 mm） |
| 视场 | 大 | 小 | 中到大 |
| 中心遮拦 | 无 | 有 | 有 |
| 装调难度 | 低 | 中 | 高 |
| 典型应用 | 微纳多光谱相机 | 高分辨率多光谱主载荷 | 宽幅多光谱/高光谱 |
三、选型方法与示例
选型可按以下顺序推进：第一步，由任务确定 GSD、幅宽、波段数与信噪比要求；第二步，由 GSD 与轨道高度反算焦距 f = H·p/GSD，由幅宽反算视场 FOV = 幅宽/H；第三步，根据 FOV 与口径需求选择光学结构：FOV 大、口径小选折射式；FOV 小、口径大选反射式；FOV 中等、口径中大选折反式；第四步，结合平台稳定度、重量、功耗与成本做权衡。
综上，成像体制与光学系统是相互约束的整体：推扫式配长焦距反射/折反系统可实现高分辨率宽幅覆盖；画幅式配折射或折反系统适合快速凝视；摆扫式则更多用于光谱分辨率优先的高光谱场景。工程选型应在指标、平台能力与成本之间取得平衡，并通过 MTF、信噪比和几何精度三项校核确认方案可行。