實(shí)用型模塊化成像光譜儀

實(shí)用型模塊化成像光譜儀
摘要赍紹研制的一種先進(jìn)的光機(jī)掃描光譜成像但，即實(shí)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(jiàn)光到熱紅外的光譜范圍，可應(yīng)用于地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和海洋等領(lǐng)域全面舟韶了OMIS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其 整體性能，簡(jiǎn)要給出了該OMIS進(jìn)行的多玻遙感飛行作業(yè)情況． 引言 2O多年來(lái)，人們通過(guò)各種遙感手段觀察地球，其 中，成像光譜技術(shù)在人類對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域顯示出了突出 的優(yōu)勢(shì) 成像光譜儀將傳統(tǒng)的二維成像遙感技術(shù)與 光譜儀技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，在獲取觀測(cè)對(duì)象二維 空間信息的同時(shí)，在連續(xù)光譜波段上對(duì)同一地物分光 譜成像．風(fēng)速計(jì)| 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 光功率計(jì)| 粒子計(jì)數(shù)器| 粉塵計(jì)由于光譜圖像數(shù)據(jù)中每一像元含有與被觀 測(cè)物體組分有關(guān)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(zhì)成分，使得從空間直接識(shí)別地球表面物質(zhì) 成為可能．
自1970年以來(lái)，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(gè)大氣窗口，波段數(shù)從單一波段發(fā)展到了 60多個(gè)波段．但隨著成像光譜遙感應(yīng)用技術(shù)的研究 和發(fā)展，對(duì)于儀器光譜分辨率的要求越來(lái)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(shì)．另 外，越來(lái)越多的遙感應(yīng)用對(duì)于遙感儀器的實(shí)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(guó)家863計(jì)螂(批準(zhǔn)號(hào)863．308．10-01(1))資助項(xiàng)目 藕件收到日期2001．10 15，修改稿收到日期2001 10 29 礎(chǔ)上_2J，我們?cè)诮鼛啄曛虚_(kāi)展了實(shí)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(shè)計(jì) 及其整體性能，簡(jiǎn)要給出了fXVIIS研制以來(lái)所進(jìn)行的 多次遙感飛行作業(yè)情況．

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 光譜波段選擇 大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(jù)中介體類型，各類特征光譜段 分布的密集程度及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，可劃分出3 個(gè)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(jià)值的特征光譜吸 收峰帶寬多在20nm以下． 因此，實(shí)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(shù)指標(biāo) 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(yīng)該符合上述3個(gè)特征．OMIS成像光譜儀設(shè)計(jì)了2 種工作模式：OMISI型自可見(jiàn)光至熱紅外區(qū)域劃分 為5個(gè)光譜段，總共128個(gè)波段：0 46～1 1“m 64 個(gè)波段，光譜分辨率10rim；1 06～1 70 1TI 16個(gè)波 段，光譜分辨率60nm；2．0-2．5tan 32個(gè)波段，光譜 分辨率15rim；3～5tan 8個(gè)波段，光譜分辨率 250nm；8-12．5tan 8個(gè)波段，光譜分辨率500nm． OMISII型共有68個(gè)波段，0．46～1 1 m 64個(gè)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(gè)波段
1．2 光電探測(cè)器 系統(tǒng)選用的焦平面探測(cè)器，在可見(jiàn)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(xué)系統(tǒng) 實(shí)用型模塊化成像光譜儀系統(tǒng)采用線列探測(cè)器 一光機(jī)掃描型方案在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(shù)是被動(dòng)遙感技術(shù)，地面輻 射和反射的能量是相對(duì)恒定的，光譜通道的增多和 光譜分辨率的提高使每個(gè)波段的探測(cè)能量變?nèi)酰��?此加大光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑是必然的．從性能指標(biāo) 和實(shí)現(xiàn)可能考慮，確定了200mm的大通光口徑．光 機(jī)掃描系統(tǒng)采用斜45度鏡結(jié)構(gòu)，具有通光面積大， 轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)．為減小整機(jī)的體積重量，對(duì)系 統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)布局作了精心設(shè)計(jì)． 成像光譜儀的探測(cè)光譜范圍在0．4～12 5tan． 總共128個(gè)波段，按大氣窗口和光電探測(cè)器類型分 為5個(gè)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(xué)系統(tǒng)的主光路采用牛頓式系統(tǒng)， 使光機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gòu)成短波紅外1．06～1．70Frn獨(dú) 立的望遠(yuǎn)鏡一分光計(jì)分系統(tǒng)這一巧妙的設(shè)計(jì)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(xué)效率的反射系統(tǒng)，避免了選擇光學(xué)材料 的困難．其它光譜段以級(jí)聯(lián)方式用分光鏡逐級(jí)分離 光譜，共用牛頓式望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)光闌，都采用平面光 柵色散、透鏡組會(huì)聚的方式兩路視場(chǎng)光闌的空間配 準(zhǔn)在光校時(shí)予以保證．I型配置相應(yīng)的5個(gè)分光計(jì)， 分上下兩層布局．紅外探測(cè)器杜瓦瓶集中在上層， 便于工作時(shí)灌注液氮．整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理 在II型配置中，所有光學(xué)元件都在一個(gè)平面上 展開(kāi)，固定在同一基板上0．46-1 1“m、3～5tan、8 - 12．5pm光譜段通過(guò)主光闞與成像系統(tǒng)耦合，可 見(jiàn)／近紅外分光計(jì)采用平面光柵色散、透鏡組會(huì)聚的 方式．在si線列探測(cè)器前，加入一個(gè)特殊設(shè)計(jì)制作 的濾光片，以截止二級(jí)光譜的干擾．中紅外和熱紅外 波段使用InSb／HgCATe雙色探測(cè)器，由一塊拋物面 反射鏡即可完成這兩個(gè)波段的會(huì)聚．短波紅外的兩 個(gè)單元探測(cè)器通道放置在輔光路中，設(shè)計(jì)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(nèi)有高的透過(guò)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(cè)器安置于此．這一設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)潔高 教的特點(diǎn)，此時(shí)，探測(cè)器光敏面即為視場(chǎng)光闌
1．4 光機(jī)頭部結(jié)構(gòu) 儀器的光機(jī)掃描頭部Eh成像光學(xué)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(jié)合為兩大模塊．成像光學(xué) 系統(tǒng)和光譜儀的級(jí)聯(lián)，光學(xué)上以視場(chǎng)光闌為界面，機(jī) 械上采用平面定位連接結(jié)構(gòu)，通過(guò)更換不同承重平 楹實(shí)現(xiàn)光譜儀的不同配置，從而達(dá)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(xué)系統(tǒng)，上方安裝各分光計(jì)及探測(cè)器前放． 光闌及光闌固定盤(pán)均安裝在承重平板上．不同的空 間分辨率通過(guò)可置換光闌實(shí)現(xiàn)．儀器在裝機(jī)使用時(shí) 通過(guò)承重平板與陀螺穩(wěn)定平臺(tái)連接．成像光學(xué)系統(tǒng) 與掃描鏡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)一編碼器組件集合成一個(gè)獨(dú)立模 塊，I型光譜儀和II型光譜儀的成像光學(xué)系統(tǒng)是公 用的．
1．5 成象光譜儀運(yùn)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(shè)計(jì)思想突出了系 統(tǒng)的實(shí)用性，從機(jī)上遙感數(shù)據(jù)采集到地面用戶需要 的格式化圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品，形成了一個(gè)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(shè)置探測(cè)渡段， 以適合不同要求的綜合遙感應(yīng)用要求；(2)工作效率 高，采用7(】。以上的掃描視場(chǎng)，提高實(shí)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(guó) 際上最先進(jìn)的實(shí)用化機(jī)載成像光譜儀相當(dāng)?shù)墓庾V采 樣渡段數(shù)；(4)模塊化結(jié)構(gòu)，掃描系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和各 光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu) 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(kuò)展能力強(qiáng)，在設(shè) 計(jì)中充分考慮今后的技術(shù)發(fā)展和多傳感器復(fù)合使用 的可能性；(6)實(shí)用化要求，系統(tǒng)充分考慮可操作性， 相關(guān)的技術(shù)人員只要經(jīng)過(guò)一定訓(xùn)練就可以具備操作 本系統(tǒng)的能力；(7)定量化數(shù)據(jù)，通過(guò)同步研制的實(shí) 驗(yàn)室輻射和光譜定標(biāo)裝置、機(jī)上實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置，使系 統(tǒng)具備提供定量化成像光譜數(shù)據(jù)的能力成像光譜 儀運(yùn)行系統(tǒng)包括機(jī)載和地面兩大部分，系統(tǒng)組成如 圖2所示．
1．5 2 機(jī)上系統(tǒng) 成像光譜儀的機(jī)上系統(tǒng)由光機(jī)頭部、機(jī)上實(shí)時(shí)定 標(biāo)系統(tǒng)、機(jī)上電子學(xué)系統(tǒng)、宴時(shí)數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)視系統(tǒng)、 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、GPS定位系統(tǒng)等組成．機(jī)上電子學(xué)系 統(tǒng)包括綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(采集圖像數(shù)據(jù)和有關(guān)的輔 助數(shù)據(jù)，如GPS數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、黑體溫控?cái)?shù)據(jù)等)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)上供電系統(tǒng)；機(jī)上實(shí)時(shí)定標(biāo)系統(tǒng)(主要 是為儀器提供定量化數(shù)據(jù)的參考標(biāo)準(zhǔn))．可見(jiàn)至短渡 紅外渡段采用標(biāo)準(zhǔn)燈作為參考源，熱紅外采用高低溫 黑體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)基于l6位ISA總線和大容 量可移動(dòng)硬盤(pán)的高性能工業(yè)控制機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)硬盤(pán)記 錄容量可達(dá)40GB，最小記錄時(shí)間240rain(20 scan／s， I 定標(biāo)系統(tǒng)Il I l定標(biāo)系統(tǒng)I Il 地 檢查系統(tǒng) I1 I 圈 軟件 理HI I 微機(jī)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(cè)器。 l 標(biāo)準(zhǔn)化光譜儀模塊 (Olv~ I型12g波段·0M2811型68波段) 介 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口 機(jī)上 接G收PS機(jī) I廣 介 電及源 I 『 輔助 主光學(xué)成像系統(tǒng)和光機(jī)掃描系繞I機(jī)上輯射定標(biāo)系統(tǒng) — 系統(tǒng) I 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)及飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 圖2 OMIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 128全波段)．監(jiān)視系統(tǒng)由9”Ⅱ 640×480 I』D 構(gòu) 成，提供536~400的實(shí)時(shí)連續(xù)滾動(dòng)的可視圖像．以便 操作人員對(duì)飛行狀況作充分的了解．機(jī)上定位采用 GPS系統(tǒng)，定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度可達(dá)到m級(jí)．為確保 成像光譜儀的圖像獲取質(zhì)量，機(jī)上引入陀螺穩(wěn)定平 臺(tái)，以確保儀器的姿態(tài)穩(wěn)定．陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的負(fù)重為 150奴，穩(wěn)定精度小于1個(gè)像元．
1 5．3 地面數(shù)據(jù)回放及格式化系統(tǒng) 地面數(shù)據(jù)回放及格式化系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功 能：GPS數(shù)據(jù)的處理與復(fù)合、定標(biāo)處理、壞行修補(bǔ)、 像元配準(zhǔn)、直方圖計(jì)算、對(duì)比度拉伸、區(qū)域放大、光譜 曲線顯示、圖像截取、圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等圖像數(shù)據(jù) 的預(yù)處理，并實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)滾動(dòng)回放． 機(jī)上實(shí)時(shí)記錄采用BIP格式高密度記錄形式， 事后由高性能微機(jī)和專用軟件將其轉(zhuǎn)換為B9Q格 式，提供給用戶．另外提供給用戶的數(shù)據(jù)還有同步記 錄的輔助數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)包含有GPS定位數(shù)據(jù)、平 臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)、高低溫黑體溫控?cái)?shù)據(jù)，以及掃描率、增 益、偏置等儀器參數(shù)數(shù)據(jù)．
1．5．4 實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)及輔助設(shè)施 表1 各波段定標(biāo)要求 Table1 The requirement of calibrationfor each band 表2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) 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(shí)視場(chǎng) 行像元散 總視場(chǎng) 掃描速率 數(shù)據(jù)編碼 記錄及顯示 探測(cè)器 陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 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(pán)，實(shí)時(shí)移動(dòng)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(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系統(tǒng)主要是為成像光譜儀進(jìn)行光譜 定標(biāo)和輻射定標(biāo) 由單色儀和準(zhǔn)直系統(tǒng)組成光譜定 標(biāo)系統(tǒng)，用積分球作為輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)源．根據(jù)實(shí)用 化要求，光譜定標(biāo)的準(zhǔn)確度、輻射定標(biāo)的靈敏度和信 噪比如表1所示 同時(shí)，為確保成像光譜儀的實(shí)用化 運(yùn)行，配置相應(yīng)的檢測(cè)裝置，特別是光學(xué)檢測(cè)裝置， 能使儀器每經(jīng)過(guò)一段時(shí)問(wèn)的運(yùn)行后，進(jìn)行一次全面 的檢測(cè)，以確保儀器的運(yùn)行精度．

2 主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)探測(cè)靈敏度
2．1 主要技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示
2．2 系統(tǒng)探測(cè)靈敏度 探測(cè)靈敏度是衡量?jī)x器性能的一個(gè)很重要指標(biāo) 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(jiàn)／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(duì)于可見(jiàn)／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(yáng)反射 波段，可以用信噪比(SNR)來(lái)表征各個(gè)波段的探測(cè) 靈敏度．對(duì)于中紅外(3-5pm)、熱紅外(8～12 5pm) 等地球輻射波段，各個(gè)波段的探測(cè)靈敏度可以由噪聲 等效溫差CqEDT)來(lái)表征．圖3～7表示出了整個(gè)系統(tǒng) 各個(gè)波段的探測(cè)靈敏度情況．

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

4 結(jié)語(yǔ) 0lM瑪在國(guó)內(nèi)外多次成功進(jìn)行的遙感作業(yè)任務(wù) 充分驗(yàn)證了OMIS成像光譜儀系統(tǒng)在技術(shù)設(shè)計(jì)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(jù)定量化等關(guān)鍵技術(shù)研究 方面取得的技術(shù)進(jìn)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(jìn)的性能指標(biāo)，使它在地 質(zhì)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋和城市等遙感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng) 用前景．另外，我們將對(duì)OMIS作一些改進(jìn)工作，以進(jìn) 一步提高OMIS的實(shí)用化水平，特別是使短波紅外 (2．0-2 5pm)32個(gè)通道的探測(cè)靈敏度得到明顯的改 善．