從太空俯瞰地球，我們看到的不僅是壯麗的山河，更是蘊含豐富信息的“光譜畫(huà)卷”?，F代多光譜遙感衛星，正是解讀這幅畫(huà)卷的關(guān)鍵儀器。它超越了人眼可見(jiàn)的“紅綠藍”，通過(guò)捕捉多個(gè)特定波段的光譜信息，實(shí)現對地球表面物質(zhì)成分、健康狀況的精準診斷。在這一過(guò)程中，光學(xué)濾光片扮演著(zhù)猶如“光譜篩子”和“顏色分離器”的核心角色。

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一、 設備簡(jiǎn)介：多光譜相機——衛星的“慧眼”

多光譜遙感衛星的核心載荷之一是多光譜相機。它并非簡(jiǎn)單地拍攝一張彩色照片，而是同步或快速連續地獲取同一地物在多個(gè)離散、狹窄光譜波段上的圖像。

核心任務(wù)：在可見(jiàn)光（約400-700納米）到近紅外（700-1000+納米），甚至短波紅外波段，設置數個(gè)至數十個(gè)觀(guān)測通道。例如，一個(gè)典型的農業(yè)監測衛星可能包含：

藍波段（~450nm）：用于水體穿透、土壤特性分析。

綠波段（~560nm）：反映植被綠度峰值，監測葉綠素。

紅波段（~670nm）：位于葉綠素吸收谷，對植被密度敏感。

近紅外波段（~800nm）：植被細胞結構強反射區，是監測生物量、作物健康的關(guān)鍵。

紅邊波段（~720nm）：介于紅與近紅外之間，對植被脅迫極為敏感。

應用價(jià)值：通過(guò)計算不同波段的反射率比值（如歸一化植被指數NDVI），科學(xué)家可以量化植被覆蓋度、評估農作物長(cháng)勢、監測森林病蟲(chóng)害、區分礦物類(lèi)型、識別水體污染等。

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二、 光學(xué)系統原理：從混合光到離散光譜

多光譜相機的光學(xué)系統核心目標是實(shí)現“光譜分光”，即將進(jìn)入鏡頭的地物混合反射光，精確分離到預設的各個(gè)波段通道。主流技術(shù)路徑主要有兩種：

分光棱鏡型多光譜相機

原理：光線(xiàn)通過(guò)前置物鏡后，由一個(gè)精密的多面體分光棱鏡進(jìn)行分離。該棱鏡利用不同波長(cháng)光在玻璃介質(zhì)中折射率不同的特性，將入射光在空間上“劈開(kāi)”，使不同波段的光線(xiàn)以微小角度分離，并投射到探測器芯片的不同區域或不同的探測器芯片上。

優(yōu)點(diǎn)：所有波段同步曝光，無(wú)時(shí)間差，非常適合對快速運動(dòng)目標（如低軌衛星對地成像）進(jìn)行幾何一致性極高的成像。圖像配準精度高。

濾光片角色：在分光棱鏡的每個(gè)出射光路末端，仍需集成一個(gè)窄帶干涉濾光片，用于進(jìn)一步純化該通道的光譜，確保每個(gè)探測器只接收到目標波段的信號，剔除其他波段雜散光的干擾。

（多光譜棱鏡相機）

濾光片輪型多光譜相機

原理：系統共用一個(gè)成像探測器。在一個(gè)可高速旋轉的輪盤(pán)上，安裝著(zhù)多個(gè)不同波段的窄帶濾光片。成像時(shí)，濾光片輪依次旋轉，使每個(gè)濾光片短暫地置于光路中，從而實(shí)現不同波段圖像的時(shí)序采集。

優(yōu)點(diǎn)：系統結構相對簡(jiǎn)單，易于更換或擴展波段（更換濾光片輪）。成本較低。

缺點(diǎn)：波段間存在采集時(shí)間差，對平臺穩定性要求高，否則可能導致多波段圖像間存在配準誤差。多用于無(wú)人機或對實(shí)時(shí)性要求不苛刻的衛星任務(wù)。

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多相機陣列型

原理：使用多個(gè)獨立的相機，每個(gè)相機前安裝一個(gè)特定波段的濾光片，從不同角度或通過(guò)分光鏡觀(guān)察同一目標區域，然后進(jìn)行圖像融合。

應用：常見(jiàn)于對廣角或立體成像有需求的任務(wù)。

無(wú)論采用何種分光原理，高精度的光學(xué)濾光片都是確保各光譜通道“純凈度”和“準確性”的最后一道，也是至關(guān)重要的一道關(guān)卡。

（RGB濾光片）

三、 核心元件：光學(xué)濾光片的類(lèi)型與規格

在多光譜遙感中，濾光片絕非普通的彩色玻璃，而是基于薄膜干涉原理設計的精密光學(xué)元件。

主要類(lèi)型：

帶通濾光片：最核心的類(lèi)型。只允許一個(gè)特定狹窄波長(cháng)范圍（如帶寬10納米的近紅外光）透過(guò)，強烈截止其兩側的所有其他光線(xiàn)。

長(cháng)波通/短波通濾光片：用于隔離特定光譜區域，例如，在近紅外探測器前使用短波通濾光片截止可見(jiàn)光，或用于消除二級、三級衍射雜光。

漸變?yōu)V光片：一種特殊類(lèi)型，其透射波長(cháng)在空間上呈線(xiàn)性變化。與線(xiàn)性探測器結合，可以在推掃成像時(shí)，讓探測器上不同的像元對應接收不同波段的信號，實(shí)現無(wú)需運動(dòng)部件的光譜掃描，是高光譜成像的常見(jiàn)技術(shù)。

（BP842窄帶濾光片）

關(guān)鍵性能參數規格（定制化核心）：

盡管衛星載荷的濾光片均為高度定制，但其規格描述遵循一套通用的光學(xué)參數體系：

中心波長(cháng)：濾光片透射率峰值對應的波長(cháng)（如 842.0 nm）。需根據科學(xué)目標（如特定植被指數、礦物特征峰）精確設定。

帶寬：通常指半高全寬，即透射率降至峰值一半時(shí)所對應的波長(cháng)寬度（如 FWHM = 10 nm）。帶寬越窄，光譜分辨率越高，但通光量會(huì )降低。

峰值透射率：在中心波長(cháng)處的最大透光效率（如 >85%）。越高越好，能提升系統信噪比。

截止范圍與截止深度：規定在目標波段之外需要被阻擋的光譜范圍（如 400-1100 nm 內，除通帶外），以及阻擋的程度（如截止帶光密度 OD > 4，即透射率 < 0.01%）。這直接決定了通道間的串擾水平，是多光譜數據純度的生命線(xiàn)。

入射角：光線(xiàn)入射到濾光片的角度會(huì )輕微改變其透射特性。設計時(shí)必須明確工作入射角（通常為 0° 或小角度），并在該角度下測試性能。

面型精度與基片材質(zhì)：濾光片通常需要貼合探測器或集成在復雜光路中，其表面平整度（λ/10 級別）和材質(zhì)（如熔融石英，具有低熱膨脹系數和高硬度）對成像質(zhì)量和環(huán)境適應性至關(guān)重要。

環(huán)境穩定性：必須承受火箭發(fā)射的劇烈振動(dòng)、太空中的高真空、極端溫度循環(huán)（-50°C 至 +70°C）及宇宙射線(xiàn)輻照，確保性能在整個(gè)任務(wù)期內不退化。

多光譜遙感衛星的光學(xué)系統，是一個(gè)集精密光學(xué)、材料科學(xué)、機械工程于一體的復雜系統。其中，定制化的光學(xué)濾光片作為“光譜守門(mén)人”，其性能直接決定了最終獲取的地球光譜數據是否真實(shí)、可靠。每一個(gè)波段的精確設定，每一納米帶寬的嚴格控制，都是為了在地球浩瀚的光譜信息中，精準地捕捉到那些揭示森林健康、作物饑渴、礦藏蹤跡或污染擴散的微弱“色彩密碼”。隨著(zhù)遙感技術(shù)向更高光譜分辨率（高光譜）和更寬覆蓋范圍發(fā)展，對濾光片的設計與制造工藝也提出了前所未有的挑戰，持續推動(dòng)著(zhù)這一微小卻關(guān)鍵的光學(xué)部件向前演進(jìn)。

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