航天超光譜成像儀原理分析
摘要介紹了國內(nèi)外航天超光譜成像儀的研制概況,主要分析介紹了光柵型超光譜成像儀和干涉型超 光譜成像儀的原理,并指出了需要進一步研討的問題。
1 前言
超光譜成像儀(Hyper—Spectnzn Imc’tger)是國際 上一種新型的航天遙感器,它以精細光譜分辨能力 (優(yōu)于5 nn1)獲取地表圖像,對于探測地表構(gòu)成及其 變化具有特殊的識別能力。很多譜段數(shù)目的組合應(yīng) 用可以為不同需求用戶提供大量的遙感圖像產(chǎn)品。 航天超光譜成像儀主要用于水體污染管理、城 市規(guī)劃、土地分類利用、土地沙化、植被分類和測繪、 農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、病蟲害分析、干旱分析、洪澇分析、火災(zāi)分 析、地質(zhì)分析、礦產(chǎn)調(diào)查、海岸帶和海洋生態(tài)研究、大 收稿日期:2001—09—01 氣探測等。它對自然災(zāi)害、環(huán)境污染、危及人類的危 險事故等的預(yù)報、發(fā)生、評估等將起著重要作用。 目前,國際上航天超光譜成像儀的種類較多,按 照分光方式的不同可以分成光柵型、干涉型、楔型濾 光片型、棱鏡型等超光譜成像儀。這些分光方法都 可以獲得目標的精細光譜圖像,但無論哪種分光方 式在工程上都存在較明顯的缺陷。 中國從20世紀8O年代開始,跟蹤了國外多種 可供星載成像儀使用的先進分光技術(shù)和專用面陣 CCD器件成像技術(shù)。迄今為止,光柵型超光譜成像 儀和干涉型超光譜成像儀相對成熟,在理論上、工程 研制上取得了較大進展,可能成為未來中國遙感衛(wèi) 星的新型光學有效載荷之一。 文章將就這兩種航天超光譜成像儀的原理進行 分析與評述,為中國選擇第一臺民用星載超光譜成 像儀提供參考。
2 國外航天超光譜成像儀的發(fā)展
20世紀7O年代初,國外開始發(fā)展機載光柵型 超光譜成像儀,通過20多年的努力,其工程化研制 技術(shù)日趨成熟。在1997年8月發(fā)射的Lewis衛(wèi)星上 就載有1臺TRW公司研制的TRWISⅢ 光柵型超光 譜成像儀,但因發(fā)射失敗衛(wèi)星未能人軌工作。 國外對星載干涉成像光譜技術(shù)的研究最早是從 2O世紀8o年代中后期開始的。當時大多采用基于 邁克爾遜干涉儀的動鏡掃描干涉型超光譜成像儀。 2O世紀8o年代末9o年代初,隨著面陣探測器 陣列制造技術(shù)的不斷提高,國外不少機構(gòu)開始研究 無動鏡干涉成像光譜技術(shù),如美國的噴氣推進實驗 室(肌)、美國空軍PHnJ,~ 實驗室、夏威夷大學、 佛羅里達工學院、華盛頓大學、密執(zhí)安大學等,還有 法國空間局,歐洲空間局以及加拿大、日本等國家的 一些單位。 美國NASA研制了數(shù)字陣列掃描干涉型超光譜 成像儀DASI,有關(guān)文章最早于1993年發(fā)表。DASI波 段范圍是O.4~1.0 和1.1~2.2 ,光譜分辨率為 300咖_1(對應(yīng)可見光/近紅外波段的譜段數(shù)5o個,短 波紅外可分辨譜段數(shù)約為15個),視場角5。,體積400 r姍×150 ITnTI×100 r舯。在地面進行了多次不同譜段 的測量實驗,結(jié)果表明DASI具有很多優(yōu)點,非常適合 遙感使用。1994年DASI進行了機載試驗,獲得了農(nóng) 田的多光譜圖像。法國國家空間研究中心在1987年 提出一種無動鏡干涉成像光譜系統(tǒng)ISIS,光譜范圍 0.45~1.0 ,探測器為144×208元面陣。1995年 Kes缸d公司與佛羅里達工學院等單位合作,在美國空 軍支持下,對前期研制的空間調(diào)制干涉型成像儀 SM~IS進行改進提高,研制了機載傅里葉變換超光 譜成像儀ITfI~I,光譜范圍O.44~1.1腳,波段數(shù) 2.56,視場角為0.26 rad,瞬時視場角為0.8 mrad,采用 了1024×1024元面陣CCD器件,兩行兩列相加為一 行一列(bim 模式)。~NI-tSI的成功使用,使此類 干涉型超光譜成像儀受到了國際的關(guān)注。2001)年7 月19日美國在加州范登堡空軍基地發(fā)射了“強力小 衛(wèi)星(Migh哆sat)”,其主要有效載荷是一臺傅里葉變換 超光譜成像儀嗍,也就是一臺星載干涉型超光譜 成像儀。表1給出了一些國家研制的部分超光譜成 像儀的一些參數(shù)。 表1 部分國外航天超光譜成像儀及其主要技術(shù)參數(shù) 儀器名稱 A P】硼 HsI FIHsI HY1 盈ION COIS/PIC 國家/機構(gòu) 澳大利亞 歐空局 美國 美國 美國 美國 譜段 VNm O.4~1.1 0.45~0.95 O.4~1.O 0.47~1.cl5 O.4~1.O O.4~1.O /pm SWm 2 . O~2.5 O.9~2.5 1.O~2.5 O.9~2.5 1.O~2.5 通道 VN】吸 32 6o(190) l28 15o 60 數(shù)目 22O S咖 32 140 256 15o 空間分 VN】吸 30 5O 30 28 30 30 辨率/m S咖 30 5O 30 30 30 光譜分 VN】吸 21.9 10(3) 5~6 g6(~m~ ) lO 辨率/ lO rim SWⅢ 15.7 lO 5.8 lO 刈寬/km 15 50 7.68 15 7.5 30 分光 無 P】 SM 光柵 逆傅立葉 凸型 光柵 濾光片 變換 光柵 VN】吸 ≥ 6OO 30 ~ 974 ≥ 6OO ≥ 6OO 信噪比 @0.6 ttm @0.6岫 @0.6啪 >2oo t>400 ≥ 6OO ≥ 6OO S呱 @2 19~132=2 . 1岫 @ 1.25 姍 @ 1.225 Ⅱm 軌道高度/kin 50o 丁72 523 55O 705 605 瞬時視場/mrad 0.06 0.065 0.Q57 0. 0.O43 0. 質(zhì)量 23 20 61
3 中國航天超光譜成像儀研制現(xiàn)狀
中國目前研制的星載超光譜成像儀僅限于光柵 型超光譜成像儀和干涉型超光譜成像儀。 光柵型超光譜儀用光柵作為分光部件,能得到 較均勻分布的不同光譜的動態(tài)推掃圖像。中國目前 已經(jīng)掌握了光柵對光譜精細分光的技術(shù),研制了原 理樣機,在分光設(shè)計、焦面驅(qū)動、信號處理、定標、數(shù) 據(jù)編碼等技術(shù)上都取得了突破性進展。至2000年 已研制出了機載64波段超光譜成像儀(MAIS),并 進行了校飛,對不同的地物目標進行了實際拍攝,獲 得了大量一手數(shù)據(jù),并被邀請到日本、澳大利亞等國 家進行技術(shù)交流和實地拍攝,同時,還開始了128波 段超光譜成像儀(Oh虹s)的研制工作。已成功研制 了244譜段超光譜成像儀PHI,該儀器已在新疆塔 里木盆地、廣西北海、江西鄱陽湖以及江蘇常州地區(qū) 進行了多次航空飛行試驗,取得了較好的圖像和應(yīng) 用效果。當然,對中國即將研制發(fā)射的亞太地區(qū)空 間技術(shù)與應(yīng)用多邊合作小衛(wèi)星(s )上將使用的 超光譜成像儀,現(xiàn)有技術(shù)還需要作較大改進,如:光 柵的研制、信號處理電路、星載定標燈技術(shù)等。下表 給出中國目前機載光柵型超光譜成像儀的主要技術(shù) 指標(見表2)。 為研制實用型超光譜分辨率成像光譜儀,探索 了面陣探測器的應(yīng)用方法和特點,掌握了系統(tǒng)設(shè)計 的關(guān)鍵技術(shù)打下了堅實的基礎(chǔ)。 表2 中國機載光柵型超光譜成像儀的主要技術(shù)指標 光譜范圍 400~850砌 波段數(shù) 244 光譜間隔 1.8砌 光譜分辨率 <5 hill 總視場 21。 空間采樣元數(shù) 376 pixels/line 空間分辨率 1 mrad 量化等級 12 bit 掃描率 60 FI/s 干涉型超光譜成像儀也是中國20世紀9o年代 初期開始發(fā)宸的新型成像儀技術(shù)。在過去的十幾年 中,中國研究完成了干涉型超光譜成像儀的理論研 究和技術(shù)研究,完成了原理樣機和原型樣機的研制, 研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的橫向剪切干涉儀,在 快速光譜反演算法的研究上取得了突破性進展,實 現(xiàn)了外場成像。從理論上講,干涉型超光譜成像儀 與其它類型的超光譜成像儀相比具有一定的優(yōu)點, 它可以獲得目標反射光的相對的高通量和較高的信 噪比,可以獲得較高的空間分辨率 ,具有較小的體積 和質(zhì)量,節(jié)約星上資源,這也是今后星載超光譜成像 儀發(fā)展的趨勢。但是,干涉型超光譜成像儀目前的 工程化研究還不完善,距離用戶提出的實際要求還 有一定差距,有些問題需要在研制中逐步解決。
4 航天超光譜成像儀的原理
4.1 光柵型超光譜儀 光柵型超光譜成像儀的主要組成有光學系統(tǒng) (包括前置望遠鏡、準直鏡、分光光柵、會聚鏡以及相 應(yīng)的校正鏡系統(tǒng))、指向鏡、電子學系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu) 等,系統(tǒng)基本框圖見圖1。地物信號經(jīng)前置望遠鏡 系統(tǒng)匯聚到視場光闌,由視場光闌確定系統(tǒng)的地面 分辨率和消除雜散光,然后經(jīng)過準直鏡照射到光柵, 光柵分色后經(jīng)會聚鏡會聚到探測器件上,探測器件 將光信號轉(zhuǎn)變成模擬電信號,經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn) 換得到數(shù)字圖像信號,最后由格式器送給數(shù)傳和星 上固態(tài)存儲器。 昔 指向鏡H H 薔H準直鏡 H黿 }.___{會聚鏡H 光柵 星務(wù) 控制器H 莖蘑H數(shù)傳和固 圖1 系統(tǒng)基本框圖
1)光學系統(tǒng) 在超光譜成像儀中采用閃耀反射光柵分光的辦 法。經(jīng)過分析計算和借鑒TRWIS的成功經(jīng)驗,認為 采用反射和透射混合式光學系統(tǒng)較好;旌鲜较到y(tǒng) 是指物鏡采用透射式,而準直鏡和成像鏡采用反射 式構(gòu)成的系統(tǒng)。在光學效率和色散方面,反射式系 統(tǒng)均較好,從理論上講,反射系統(tǒng)幾乎不存在色差, 反射率波長的變化也很小,缺點是其像質(zhì)較透射系統(tǒng) 差,但在儀器中,由于總視場較小,為4.4。,經(jīng)過精心 設(shè)計是可以達到要求的。光學系統(tǒng)如下圖2所示: 圖2 光柵型超光譜成像儀光路示意圖 其中閃耀反射光柵的示意圖如: l 入射光 i 圖3 閃耀反射光柵示意圖 2)結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要設(shè)計要求如下: (1)選用剛度高、熱變形小的結(jié)構(gòu)材料,以保證 光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性; (2)結(jié)構(gòu)件加工精度要求較高,可以實現(xiàn)高精 度定位; (3)從結(jié)構(gòu)考慮,CCD探測器件具有二維調(diào)節(jié) 機構(gòu),并能鎖定; (4)整機裝配時采取結(jié)構(gòu)件裝配與光學校裝配 合進行; (5)進行小型化、輕量化設(shè)計,以適應(yīng)小衛(wèi)星平 臺的需要; (6)對零件進行有效的表面處理,以有利于雜 光控制和熱控的需要。 3)電子學系統(tǒng) 電子學系統(tǒng)包括CCD驅(qū)動控制電路、信號處理 電路、波段和光譜的選擇、編碼器電路、中央控制電 路、指向鏡控制電路等。原理框圖如圖4所示。 圖4 電子學系統(tǒng)原理框圖
4.2 干涉型超光譜成像儀 由于干涉型超光譜儀在CCD器件上成的像是 帶有干涉條紋的圖像,而不是最終的圖像,所以經(jīng)過 傅立葉變換成像后下傳,或?qū)⒏缮鏃l紋圖直接下傳。 理論上干涉型超光譜儀的譜分辨率更高,能量較充 足,可以獲得較高的SNR,傳輸帶有干涉條紋的圖像 比傳輸最終的圖像包含更為豐富的信息。 干涉型超光譜成像儀的光學系統(tǒng)是在一個寬譜 段光學成像系統(tǒng)中加入橫向剪切干涉儀實現(xiàn)的。它 有以下幾部分組成:前置物鏡、橫向剪切干涉儀和準 直成像鏡組(由富氏透鏡和柱面鏡組組成),后面是 信號采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。目標光束首先被前 置物鏡會聚于其前置焦面,在焦面處放置視場光闌, 同時消除雜光。光束經(jīng)光闌后進入橫向剪切干涉 儀,視場光闌被沿垂直于光軸的方向剪切成兩個虛 光闌,然后進入準直成像鏡組。準直成像鏡把已經(jīng) 帶有干涉信息的光束成像到最終像面上。其系統(tǒng)組 成如圖5所示。 圖5 干涉型超光譜成像儀系統(tǒng)組成 圖6是橫向剪切儀的光路示意圖。 圖6 橫向剪切儀的光路不意圖 I)光學系統(tǒng) 干涉型超光譜成像儀光學系統(tǒng)由前置物鏡、干 涉儀、準直成像系統(tǒng)組成。在CCD器件上得到正交 的一維干涉條紋和一維空間圖像,通過推掃可以得 到另一維空間圖像。原理框圖如圖7所示。 2)電子學系統(tǒng) 電子學系統(tǒng)是為實時獲取高幀頻的干涉光譜圖 像而設(shè)計的,它的主要功能是:完成與星務(wù)的通訊, 接受各種指令,實現(xiàn)干涉成像光譜圖像信息的采集, 并通過星上軟件進行實時處理。電子學原理框圖和 星上軟件處理流程圖見圖8和圖9。 干涉儀 傅氏透鏡 圖7 干涉型超光譜成像儀光學系統(tǒng)不意圖 3)定標系統(tǒng) 干涉型超光譜成像儀的實驗室絕對定標裝置由 單色積分球、聚光鏡、準直鏡及微功率計等組成。單 色積分球有標準光源、單色儀、積分球以及聚光鏡組 成。為確保定標的準確性,在定標前需對標準光源、 單色儀和微功率計進行標定。由單色積分球出口處 輻射的是均勻、穩(wěn)定的單色光。通過這套裝置將對 干涉型超光譜成像儀進行定標。如圖1O所示。 圖8 電子學原理框圖 干涉圖 甘 相位修正 ——— 逆傅里葉 甘 最終圖 變 像 換 圖9 星上軟件處理流程圖 標準光
5 需要進一步研討的問題
SMNS衛(wèi)星是1顆小衛(wèi)星,整星質(zhì)量約為 500 kg,體積為1.2 m×1.2 r/l×0.98 r/l,星上供給有 效載荷的資源較為緊張,所以航天超光譜成像儀還 必須適應(yīng)衛(wèi)星的現(xiàn)有條件,有針對性地進行適應(yīng)性 改進。下面就目前超光譜成像儀上星需進一步研討 的主要問題進行分析。
5.1 光柵型超光譜成像儀需研討的問題 光柵型超光譜成像儀的分光原理較為傳統(tǒng),在 工程研制上相對成熟,但目前的水平與上星要求還 有一定的距離: 1)光柵型超光譜成像儀的體積和質(zhì)量較大,目 前中國較為成熟的機載光柵型超光譜成像儀的體積 太大,外形與SI~IS整星相近。若要上SMMS星,與 機載超光譜成像儀相比,體積要縮小到1/4左右,質(zhì) 量要小于原來的1/2。 圖1O 干涉型超光譜成像儀定標不意圖 2)需要解決光譜混疊的問題,在光柵衍射的主 基礎(chǔ)上獲得較高的信噪比。但相對孔徑的增大又受 極大和各級次極大的級數(shù)的選擇上要適當,否則會 到其它條件的制約。 引起較大的譜段混疊,即所獲得的光譜不純,包含其 5.2 干涉型超光譜成像儀需研討的主要問題 它譜段的光能量。 干涉型超光譜成像儀在中國已經(jīng)研制出原理樣 3)必須解決像面的彎曲即色散圖像的中心和 機,正在準備飛行實驗,它的特點是體積小、質(zhì)量輕, 兩端不處于一條直線上而是具有一定弧度的彎曲的 在相同的相對孔徑下可以獲得較高的光通量,可以 問題。由于CCD器件是面陣的,所以必須采取相應(yīng) 節(jié)約有限的星上資源。但干涉型超光譜成像儀與上 措施,消除焦面的彎曲。 星要求也有相當?shù)木嚯x: 4)提高信噪比的問題,由于分光方式是將入射 1)星上處理的數(shù)據(jù)量較大,需要中心處理器的 光逐一分光到各譜段,所以各譜段獲得的能量較弱, 主頻約是5 GHz,或多臺并行處理。中國目前星上 一般是提高相對孔徑以得到較為充足的能量,在此 的電子技術(shù)手段無法實現(xiàn)。所以考慮到工程的可行 性,簡化星上設(shè)備,可以下傳帶有干涉條紋的圖像。 2)下傳的數(shù)據(jù)量較大,中國目前的數(shù)傳傳輸能 力不能滿足傳輸無壓縮數(shù)據(jù)的要求,所以必須進行 數(shù)據(jù)壓縮,壓縮比大于4:1。 3)干涉條紋與選擇CCD器件列數(shù)的問題,為了 獲得較好的復(fù)原圖像,須將干涉條紋取得越細越好, 但付出的代價是數(shù)據(jù)量的成倍增加,所以需要在數(shù) 據(jù)量與圖像復(fù)原程度之間權(quán)衡,選擇最佳方案。 4)提高信噪比的問題,雖然利用干涉條紋可以 獲得相對較高的信噪比,但在相對孔徑受限制的前 提下,如何確定能量與信噪比關(guān)系的最佳值還須深 入探討。 5)光學裝調(diào)的問題,干涉型超光譜成像儀運用 傅立葉光學的理論,須把CCD器件放置在后焦面 上,對這種光學系統(tǒng)的裝調(diào)工藝還須謹慎對待。電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀
6 結(jié)束語 超光譜成像儀是20世紀末發(fā)展起來的一種新 型遙感成像儀器,目前在軌運營的為數(shù)不多,中國在 光學遙感器領(lǐng)域緊跟世界先進潮流,有針對性地研 究了超光譜成像的理論,并在多個重要研制環(huán)節(jié)取 得了重大突破,成功地研制了光柵型超光譜成像儀 和干涉型超光譜成像儀,其應(yīng)用領(lǐng)域遠遠超出現(xiàn)有 可見光遙感器的范圍。盡管目前超光譜成像技術(shù)的 水平有限,但距離實際應(yīng)用已為時不遠。中國計劃 于2005年發(fā)射的SMMS衛(wèi)星和首顆月球探測器上 將采用超光譜成像遙感技術(shù),這標志著中國航天光 學遙感的發(fā)展又向前邁進了一大步。