實用型模塊化成像光譜儀

實用型模塊化成像光譜儀
摘要赍紹研制的一種先進的光機掃描光譜成像但，即實1乇型模塊化成像光譜慢(OMIS)．它具有128十波段，覆 蓋了從可見光到熱紅外的光譜范圍，可應用于地質、農業(yè)、林業(yè)和海洋等領域全面舟韶了OMIS的系統(tǒng)設計及其 整體性能，簡要給出了該OMIS進行的多玻遙感飛行作業(yè)情況． 引言 2O多年來，人們通過各種遙感手段觀察地球，其 中，成像光譜技術在人類對地觀測領域顯示出了突出 的優(yōu)勢 成像光譜儀將傳統(tǒng)的二維成像遙感技術與 光譜儀技術有機地結合在一起，在獲取觀測對象二維 空間信息的同時，在連續(xù)光譜波段上對同一地物分光 譜成像．風速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 光功率計| 粒子計數(shù)器| 粉塵計由于光譜圖像數(shù)據中每一像元含有與被觀 測物體組分有關的光譜信息，能直接反映出物體的光 譜特征，從而可以揭示各種地物的光譜特性、存在狀 況以及物質成分，使得從空間直接識別地球表面物質 成為可能．
自1970年以來，我們研制了多種類型的通 用及專用航空掃描儀l1 J，其光譜范圍覆蓋從紫外到熱 紅外的各個大氣窗口，波段數(shù)從單一波段發(fā)展到了 60多個波段．但隨著成像光譜遙感應用技術的研究 和發(fā)展，對于儀器光譜分辨率的要求越來越高，從多 光譜向高光譜發(fā)展成為成像光譜儀的一大趨勢．另 外，越來越多的遙感應用對于遙感儀器的實用化和可 操作性也提出了更高的要求為此，在以往工作的基 *國家863計螂(批準號863．308．10-01(1))資助項目 藕件收到日期2001．10 15，修改稿收到日期2001 10 29 礎上_2J，我們在近幾年中開展了實用型模塊化成像光 譜儀的研制工作 本文全面介紹了OMIS的系統(tǒng)設計 及其整體性能，簡要給出了fXVIIS研制以來所進行的 多次遙感飛行作業(yè)情況．

1 系統(tǒng)設計
1．1 光譜波段選擇 大量的統(tǒng)計數(shù)據表明，各類地物的特征光譜分 布如圖1所示．從圖1地物特征光譜段的綜合分布 情況中可以看出：(1)特征光譜段在o．4／ml-12,urn 光譜區(qū)，除大氣吸收帶外，近乎連續(xù)分布；(2)在0．4 ～ 12 m光譜區(qū)，根據中介體類型，各類特征光譜段 分布的密集程度及其對應的應用領域，可劃分出3 個自然區(qū)段，即0．4～1Ⅲ ，1．3～2 5ttm 及3～ 12fire區(qū)段；(3)現(xiàn)有的研究成果表明：在0．4-ltml 及1 3～2．5Ⅲ 區(qū)段，具有判別價值的特征光譜吸 收峰帶寬多在20nm以下． 因此，實用型模塊化成像光譜儀在光譜區(qū)間選 擇、模塊劃分及光譜分辨率確定等方面的技術指標 植筏 水體 - I：111 r物 巖石 熱萌體 ●■■■●●■●■■一 ■●■■● ●■■■●●■●■■一 I l ● l l l l l l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12 圖1 典型地物特征光譜段分布圖 Fig 1 The distributkm nf typical gromd obiect spectrtma 應該符合上述3個特征．OMIS成像光譜儀設計了2 種工作模式：OMISI型自可見光至熱紅外區(qū)域劃分 為5個光譜段，總共128個波段：0 46～1 1“m 64 個波段，光譜分辨率10rim；1 06～1 70 1TI 16個波 段，光譜分辨率60nm；2．0-2．5tan 32個波段，光譜 分辨率15rim；3～5tan 8個波段，光譜分辨率 250nm；8-12．5tan 8個波段，光譜分辨率500nm． OMISII型共有68個波段，0．46～1 1 m 64個波 段，光譜分辨率10nm；1 55～1 75tan、2．08～2．35 m、3～5 m、8～12．5 m各1個波段
1．2 光電探測器 系統(tǒng)選用的焦平面探測器，在可見與近紅外波 段為硅線列器件，元數(shù)為64元，短波紅外I為銦鎵 砷線列器件，元數(shù)為16，短波紅外II和中紅外波段 為銻化銦線列器件，元數(shù)分別為16和32，熱紅外波 段選用碲鎘汞線列器件，元數(shù)為8．
1．3 成像光學系統(tǒng) 實用型模塊化成像光譜儀系統(tǒng)采用線列探測器 一光機掃描型方案在系統(tǒng)的總體設計中，光譜分辨 率、空間分辨率、靈敏度和體積重量之間是相互制約 的．由于成像光譜遙感技術是被動遙感技術，地面輻 射和反射的能量是相對恒定的，光譜通道的增多和 光譜分辨率的提高使每個波段的探測能量變弱．因 此加大光學系統(tǒng)的通光口徑是必然的．從性能指標 和實現(xiàn)可能考慮，確定了200mm的大通光口徑．光 機掃描系統(tǒng)采用斜45度鏡結構，具有通光面積大， 轉動穩(wěn)定可靠的特點．為減小整機的體積重量，對系 統(tǒng)的光學結構布局作了精心設計． 成像光譜儀的探測光譜范圍在0．4～12 5tan． 總共128個波段，按大氣窗口和光電探測器類型分 為5個光譜段：即0．46～1．1 1TI、1．06～1 70Um、 2．0～2．5 m、3．0～5．0tan、8 0～12．5 m 由于分色 器光譜性能的限制，必須將成像系統(tǒng)的入射光路分 為兩部分成像光學系統(tǒng)的主光路采用牛頓式系統(tǒng)， 使光機結構簡單且穩(wěn)定性較好．在主光路系統(tǒng)的次 鏡前面放置一塊45。平面反射鏡，次鏡所遮擋的光 由45。平面反射鏡從主光路系統(tǒng)反射出，作為輔光 路，在I型配置中構成短波紅外1．06～1．70Frn獨 立的望遠鏡一分光計分系統(tǒng)這一巧妙的設計不但解 決了光譜段1與光譜段2的分光難題，而且采用具 有較高光學效率的反射系統(tǒng)，避免了選擇光學材料 的困難．其它光譜段以級聯(lián)方式用分光鏡逐級分離 光譜，共用牛頓式望遠鏡的視場光闌，都采用平面光 柵色散、透鏡組會聚的方式兩路視場光闌的空間配 準在光校時予以保證．I型配置相應的5個分光計， 分上下兩層布局．紅外探測器杜瓦瓶集中在上層， 便于工作時灌注液氮．整體結構緊湊，布局合理 在II型配置中，所有光學元件都在一個平面上 展開，固定在同一基板上0．46-1 1“m、3～5tan、8 - 12．5pm光譜段通過主光闞與成像系統(tǒng)耦合，可 見／近紅外分光計采用平面光柵色散、透鏡組會聚的 方式．在si線列探測器前，加入一個特殊設計制作 的濾光片，以截止二級光譜的干擾．中紅外和熱紅外 波段使用InSb／HgCATe雙色探測器，由一塊拋物面 反射鏡即可完成這兩個波段的會聚．短波紅外的兩 個單元探測器通道放置在輔光路中，設計在分光鏡 位置上，直接放置2．08～2 35tan的一塊帶通分色 濾光片，要求它的通帶內有高的透過率，通帶外有高 的反射率．在它的反射光路中1 55～1．75tLrn的帶 通濾光片及探測器安置于此．這一設計具有簡潔高 教的特點，此時，探測器光敏面即為視場光闌
1．4 光機頭部結構 儀器的光機掃描頭部Eh成像光學系統(tǒng)、承重平 板和光譜儀組件三大部分組成．兩種光譜儀配置，即 128波段OMISI型光譜儀和68波段OMISII型光 譜儀與各自的承重平板結合為兩大模塊．成像光學 系統(tǒng)和光譜儀的級聯(lián)，光學上以視場光闌為界面，機 械上采用平面定位連接結構，通過更換不同承重平 楹實現(xiàn)光譜儀的不同配置，從而達到模塊化組合的 功能．承重平板即光譜儀的基板，承重平板的下方吊 裝成像光學系統(tǒng)，上方安裝各分光計及探測器前放． 光闌及光闌固定盤均安裝在承重平板上．不同的空 間分辨率通過可置換光闌實現(xiàn)．儀器在裝機使用時 通過承重平板與陀螺穩(wěn)定平臺連接．成像光學系統(tǒng) 與掃描鏡、驅動電機一編碼器組件集合成一個獨立模 塊，I型光譜儀和II型光譜儀的成像光學系統(tǒng)是公 用的．
1．5 成象光譜儀運行系統(tǒng)配置
1．5．1 系統(tǒng)特色及組成 成像光譜儀系統(tǒng)總體配置的設計思想突出了系 統(tǒng)的實用性，從機上遙感數(shù)據采集到地面用戶需要 的格式化圖像數(shù)據產品，形成了一個完整的工作流 程．系統(tǒng)具有以下特色：(1)波段覆蓋全，系統(tǒng)從0． 4 m到12．5 1的所有大氣窗口上設置探測渡段， 以適合不同要求的綜合遙感應用要求；(2)工作效率 高，采用7(】。以上的掃描視場，提高實用化作業(yè)效 率；(3)采樣波段多，工作波段為128，具有和目前國 際上最先進的實用化機載成像光譜儀相當?shù)墓庾V采 樣渡段數(shù)；(4)模塊化結構，掃描系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和各 光譜儀系統(tǒng)設計為獨立模塊，通過一定的機械結構 相連，以便得到不同要求的光譜波段、光譜分辨率組 合和不同空間分辨率的組合；(5)擴展能力強，在設 計中充分考慮今后的技術發(fā)展和多傳感器復合使用 的可能性；(6)實用化要求，系統(tǒng)充分考慮可操作性， 相關的技術人員只要經過一定訓練就可以具備操作 本系統(tǒng)的能力；(7)定量化數(shù)據，通過同步研制的實 驗室輻射和光譜定標裝置、機上實時定標裝置，使系 統(tǒng)具備提供定量化成像光譜數(shù)據的能力成像光譜 儀運行系統(tǒng)包括機載和地面兩大部分，系統(tǒng)組成如 圖2所示．
1．5 2 機上系統(tǒng) 成像光譜儀的機上系統(tǒng)由光機頭部、機上實時定 標系統(tǒng)、機上電子學系統(tǒng)、宴時數(shù)據記錄和監(jiān)視系統(tǒng)、 陀螺穩(wěn)定平臺、GPS定位系統(tǒng)等組成．機上電子學系 統(tǒng)包括綜合數(shù)據采集系統(tǒng)(采集圖像數(shù)據和有關的輔 助數(shù)據，如GPS數(shù)據、姿態(tài)數(shù)據、黑體溫控數(shù)據等)； 電機驅動和機上供電系統(tǒng)；機上實時定標系統(tǒng)(主要 是為儀器提供定量化數(shù)據的參考標準)．可見至短渡 紅外渡段采用標準燈作為參考源，熱紅外采用高低溫 黑體實時數(shù)據記錄系統(tǒng)基于l6位ISA總線和大容 量可移動硬盤的高性能工業(yè)控制機設計，每個硬盤記 錄容量可達40GB，最小記錄時間240rain(20 scan／s， I 定標系統(tǒng)Il I l定標系統(tǒng)I Il 地 檢查系統(tǒng) I1 I 圈 軟件 理HI I 微機系統(tǒng)I l 牛 H H H t十t l 菩通道前置放大器}·—— 菩波段線列探測器。 l 標準化光譜儀模塊 (Olv~ I型12g波段·0M2811型68波段) 介 標準化機械接口 機上 接G收PS機 I廣 介 電及源 I 『 輔助 主光學成像系統(tǒng)和光機掃描系繞I機上輯射定標系統(tǒng) — 系統(tǒng) I 陀螺穩(wěn)定平臺及飛機姿態(tài)測量系統(tǒng) 圖2 OMIS系統(tǒng)結構圖 128全波段)．監(jiān)視系統(tǒng)由9”Ⅱ 640×480 I』D 構 成，提供536~400的實時連續(xù)滾動的可視圖像．以便 操作人員對飛行狀況作充分的了解．機上定位采用 GPS系統(tǒng)，定位系統(tǒng)的動態(tài)精度可達到m級．為確保 成像光譜儀的圖像獲取質量，機上引入陀螺穩(wěn)定平 臺，以確保儀器的姿態(tài)穩(wěn)定．陀螺穩(wěn)定平臺的負重為 150奴，穩(wěn)定精度小于1個像元．
1 5．3 地面數(shù)據回放及格式化系統(tǒng) 地面數(shù)據回放及格式化系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功 能：GPS數(shù)據的處理與復合、定標處理、壞行修補、 像元配準、直方圖計算、對比度拉伸、區(qū)域放大、光譜 曲線顯示、圖像截取、圖像數(shù)據格式轉換等圖像數(shù)據 的預處理，并實現(xiàn)圖像數(shù)據的連續(xù)滾動回放． 機上實時記錄采用BIP格式高密度記錄形式， 事后由高性能微機和專用軟件將其轉換為B9Q格 式，提供給用戶．另外提供給用戶的數(shù)據還有同步記 錄的輔助數(shù)據，輔助數(shù)據包含有GPS定位數(shù)據、平 臺姿態(tài)數(shù)據、高低溫黑體溫控數(shù)據，以及掃描率、增 益、偏置等儀器參數(shù)數(shù)據．
1．5．4 實驗室定標及輔助設施 表1 各波段定標要求 Table1 The requirement of calibrationfor each band 表2 系統(tǒng)主要技術指標 Table 2 Th emain specifications ofthe st,stem OMISI型(128漣段) 光譜范 囂 OMISH型(68波段) 光譜范 墓 0 46～ 1 1“m l 06～l 7t,m 2 0～2 5um 8～ l2 5Ⅱm 瞬時視場 行像元散 總視場 掃描速率 數(shù)據編碼 記錄及顯示 探測器 陀螺穩(wěn)定平臺 10rim／64 0 46～ 1 1 10tml／’N 40rim／16 1 55～ 1 75#m 200rim／1 15nnl／32 2 -2 35m 270rim／1 250rim／8 3-Spin1 20O0nm／1 500nm／8 8～ 12 5 45013nm／l 3 mrad 3／I 5㈣d 512 512／【024 >70 5，10，15．20 sc~rls／s 12bit 硬盤，實時移動窗顯示 硅．鉑鎵砷，銻化銦．碲鎘汞線列 150 kg載重量，穩(wěn)定精度憂于=4 實驗室定標系統(tǒng)主要是為成像光譜儀進行光譜 定標和輻射定標 由單色儀和準直系統(tǒng)組成光譜定 標系統(tǒng)，用積分球作為輻射定標的標準源．根據實用 化要求，光譜定標的準確度、輻射定標的靈敏度和信 噪比如表1所示 同時，為確保成像光譜儀的實用化 運行，配置相應的檢測裝置，特別是光學檢測裝置， 能使儀器每經過一段時問的運行后，進行一次全面 的檢測，以確保儀器的運行精度．

2 主要技術指標及系統(tǒng)探測靈敏度
2．1 主要技術指標 系統(tǒng)主要技術指標如表2所示
2．2 系統(tǒng)探測靈敏度 探測靈敏度是衡量儀器性能的一個很重要指標 300 100 i1．4 0．5 0 6 0．7 0 8 0 9 l_0 1．1 ，um 50O 300 ∞ l00 160 壁so ∞ 0 圖3 可見／近紅外波段信噤比曲線 Fig．3The SNR curxe-e ofVNIR hand ． △ ～ 一 LI L2 L 3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 2C ，uIn 囤4 短液紅外波段I信噪比曲線 Fig 4 The SNR ell1．Xc~e of SW IRI band 2O 2 06 互12 2 18 2 24 2 3D 2 36 0 42 2 48 』llma 圖5 短渡紅外波段II信噪比曲線 FIg 5 1k SNR Cll1％ne ofSWIRII ba【1d ^，山Ⅱ 圖6 中紅外渡段噪聲等效溫差曲線 圖7 熱紅外波段噪聲等效溫差曲線 Fig．7 The NEDT curve of LW IR hand 對于可見／近紅外(O．46～1．1btm)、短波紅外I(1．06 ～ 1 7蛐 )、短波紅外II(2．0～2．5Url1)等太陽反射 波段，可以用信噪比(SNR)來表征各個波段的探測 靈敏度．對于中紅外(3-5pm)、熱紅外(8～12 5pm) 等地球輻射波段，各個波段的探測靈敏度可以由噪聲 等效溫差CqEDT)來表征．圖3～7表示出了整個系統(tǒng) 各個波段的探測靈敏度情況．

3 OMIS在遙感領域的應用 OMIS系統(tǒng)從2000年到現(xiàn)在先后成功執(zhí)行了10 項以上遙感飛行作業(yè)任務(見表3)，總作業(yè)面積約 5000kin2、總數(shù)據量超過150GB其中2001年8月到9 月在日本名古屋進行的中日聯(lián)合遙感試驗中，OMIS 在名古屋、東京等地進行了若干架次的遙感作業(yè)，獲 得了高質量的遙感數(shù)據，取得了很好的國際聲譽 圖8～11(參見彩色插頁4)是OMIS遙感飛行獲 得的一些3波段合成圖像．

4 結語 0lM瑪在國內外多次成功進行的遙感作業(yè)任務 充分驗證了OMIS成像光譜儀系統(tǒng)在技術設計上的 合理陲，特別是在提高光譜分辨率、拓寬光譜覆蓋、提 高信噪比以及成像光譜數(shù)據定量化等關鍵技術研究 方面取得的技術進步OMIS全波段連續(xù)的光譜覆蓋 以及較高的光譜分辨率等先進的性能指標，使它在地 質、農業(yè)、林業(yè)、海洋和城市等遙感領域有著廣闊的應 用前景．另外，我們將對OMIS作一些改進工作，以進 一步提高OMIS的實用化水平，特別是使短波紅外 (2．0-2 5pm)32個通道的探測靈敏度得到明顯的改 善．