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近年来,大视场宽覆盖已成为光学遥感仪器重要发展趋势。为满足用于全球对流层大气监测的推扫式成像光谱仪超宽视场、宽波段和高分辨率的探测需求,本文主要研究和设计可实现超宽视场的离轴两反射镜和三反射镜前置光学系统。首先,阐述仪器遥感探测原理,依据仪器的光谱分辨率及信噪比要求,利用大气辐射传输模型MODTRAN数值分析光学系统F数和信噪比之间的相互关系,确定前置光学系统的F数、视场和焦距等指标参数。接着,根据上述指标和轻量化要求,研究与设计结构简单的由两块凹面反射镜组成的离轴两反前置系统。基于高斯光学和杨氏公式,分析其像散特性,给出确定系统初始结构参数的方法;通过分析自由曲面对光瞳像差的影响,给出合理选择自由曲面多项式校正物方畸变方法;优化设计得到交轨视场108°、F数10、有效焦距34mm、工作波段0.27~2.4μm的离轴两反射镜前置望远物镜,主、次镜均为自由曲面,具有结构简单紧凑、像方远心、成像性能接近衍射极限和物方畸变小等优点。然后,研究与设计了可实现超宽视场、中等相对孔径的离轴三反射镜系统,其由一片凹面反射镜和凸面-凹面同轴两反射镜组成。基于凸面-凹面两反射镜远心望远系统的像散分析结果,给出逐步确定系统初始结构参量的方法;优化设计得到交轨视场108°、F数4、有效焦距17mm、工作波段0.27~2.4μm的离轴三反射镜前置望远物镜,主镜为球面,次镜、三镜均为二次非球面,同样具有像方远心、成像性能接近衍射极限和物方畸变小等优点。最后,对设计得到的离轴两反射镜和三反射镜前置望远系统进行公差优化分配,得到符合实际应用要求的公差分配结果。研究设计的两种前置光学系统在超宽视场、宽波段范围内均具有良好的成像结果,可将其应用于星载全球覆盖高时间分辨率高光谱成像仪中,以监测地球对流层大气成分时空变化,探测全球碳源碳汇。