空間高光譜成像通道可編程技術(shù)

空間高光譜成像通道可編程技術(shù)
摘要：隨著光學(xué)、信號(hào)處理和焦平面探測(cè)器等基礎(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)今在空間運(yùn)行的高光譜成像儀 已可以達(dá)到幾十至幾百個(gè)波段，并且具有相當(dāng)高的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，但一般儀器由于數(shù)據(jù)量偏大， 導(dǎo)致遙感作業(yè)效率偏低，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍，而且高光譜通道數(shù)的提高與空間平臺(tái) 的數(shù)據(jù)傳輸資源之間的矛盾日益突出。為此，介紹了空間高光譜成像系統(tǒng)中的通道可編程技術(shù)，可以 較為有效地克服數(shù)據(jù)傳輸問題。

引言 高光譜成像系統(tǒng)是指既能對(duì)目標(biāo)成像又可以測(cè) 量目標(biāo)光譜特性的光學(xué)傳感器系統(tǒng)，具有光譜波段 多、光譜分辨率高、波段連續(xù)等特 ”。發(fā)展空間高 光譜成像技術(shù)和研制高光譜成像系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，是 各個(gè)光譜區(qū)域的焦平面探測(cè)器的技術(shù)成熟和實(shí)用化 程度，分光技術(shù)和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定了整機(jī)的結(jié)構(gòu)和 靈活性，記錄設(shè)備或衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)速率和容量限制系 統(tǒng)的分辨率和同時(shí)下傳的波段數(shù)。為此，本文介紹了 高光譜成像系統(tǒng)中的通道可編程技術(shù)，可以較為有效 地克服數(shù)據(jù)傳輸問題。

1 通道可編程研究的目的和意義 1)高光譜分辨與數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿��?高光譜分辨率是成像光譜儀的重要特點(diǎn)，光譜儀 作者簡(jiǎn)介：翁?hào)|~(1979年．)，男，博士研究生，主要從事空間遙感信號(hào)處理。 分辨率越高，可分解的光譜數(shù)目越多，獲得的光譜曲 線越精細(xì)，則越能更真實(shí)地反映地物目標(biāo)的光譜特 征，從而能更精確地識(shí)別地物和進(jìn)行分類。隨著遙感 應(yīng)用不斷深入，對(duì)星載成像光譜儀光譜分辨率有了進(jìn) 一步提高的需求，如正在發(fā)展中的超光譜成像儀光譜 間隔<2nm。由此帶來難題是，通道數(shù)多，一般大于 100，碼速率高達(dá)數(shù)百兆每秒，形成了海量的數(shù)據(jù)給 衛(wèi)星數(shù)傳和存儲(chǔ)帶來很大的壓力，因此，要提高高光 譜分辨率就得必須先解決海量數(shù)據(jù)下傳的難題。 2)可編程通道選擇下傳的優(yōu)點(diǎn) 采用通道帶寬和中心波長(zhǎng)編程可選技術(shù)，能較好 地平衡了高光譜分辨率需求和海量數(shù)據(jù)傳輸之間的 矛盾。首先，根據(jù)衛(wèi)星上數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰�和遙感應(yīng)用 部門的需求，預(yù)先確定合適探測(cè)通道數(shù)目，保證衛(wèi)星 上數(shù)傳碼速率確定。衛(wèi)星在空間運(yùn)行中，用戶可以通 過地面指令控制，根據(jù)需要選擇通道位置和帶寬，從 而獲得不同譜段豐富的地物光譜景象信息，開展典型 的地物波譜探測(cè)研究。如果儀器的分光系統(tǒng)足夠精 細(xì)，就能實(shí)現(xiàn)特定波譜范圍的高光譜成像。 實(shí)際上，譜段選擇是遙感儀器目標(biāo)識(shí)別能力的重 要決定因素之一，用最少量的譜段獲得最豐富的地物 信息，一直是多光譜遙感領(lǐng)域中的一個(gè)重要的基礎(chǔ)課 題。在充分考慮需要，選擇最佳的譜段配置，以及根 據(jù)實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)量的地物反射光譜和輻射光譜特 性，優(yōu)選區(qū)別它們的譜段組合，進(jìn)行仔細(xì)的發(fā)射前標(biāo) 定，作為光譜儀缺省的譜段配置。當(dāng)探測(cè)通道的帶寬 配置為高或超光譜分辨率時(shí)，必須考慮大氣傳輸?shù)挠?響和進(jìn)行大氣校正，以補(bǔ)償大氣在吸收與散射方面的 瞬時(shí)干擾，所以，采用通道的可編程特點(diǎn)，設(shè)置用于 大氣輻射校正譜段，能大大地提高對(duì)目標(biāo)的反演精 ／童電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀。

2 通道可編程技術(shù)原理分析及關(guān)鍵技術(shù) 目前，絕大多數(shù)成像光譜儀的敏感器采用了CCD (電荷耦合器件)探測(cè)器，面陣CCD器件讀出電路 技術(shù)的發(fā)展，和光譜儀分光系統(tǒng)結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)成像光 譜通道中心波長(zhǎng)和帶寬可編程帶來可能性，具體來 說，分光系統(tǒng)將視場(chǎng)光闌(狹縫)色散實(shí)現(xiàn)譜段分離， 成像于CCD面陣上，每行的探測(cè)元對(duì)于給定波長(zhǎng)空 間像元(垂直于飛行方向)，不同的行代表連續(xù)分光 的光譜維【2】，有選擇讀出CCD面陣上某行或連續(xù)行電 荷累加，這樣就實(shí)現(xiàn)輸出成像光譜通道中心波長(zhǎng)和帶 寬編程配置。 采用精細(xì)分光技術(shù)，能使CCD面陣每行光譜寬 度 <2nm，如果選擇單行空間像元讀出，就能實(shí)現(xiàn) 高光譜成像，選擇Ⅳ連續(xù)行累加讀出，通道的光譜帶 寬為Ⅳ× 。

實(shí)現(xiàn)通道可編程讀出的三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)介紹 如下：
1)分光系統(tǒng) 焦平面探測(cè)器推帚成像原理如圖1所示，而分光 系統(tǒng)是關(guān)鍵的部件，直接決定著系統(tǒng)的光譜最小可分 辨率。為實(shí)現(xiàn)通道可編程，最好采用光柵型分光系統(tǒng)， 在光柵指標(biāo)的選擇上要進(jìn)行深入的研究和調(diào)研，通過 研究光柵各參數(shù)指標(biāo)如光柵常數(shù)、閃耀波長(zhǎng)、光柵加 工誤差等，制訂并選用合理的光柵指標(biāo)，探測(cè)器的像 元陣在同一水平面，還要克服準(zhǔn)直光束應(yīng)用方法中像 面彎曲的問題【 。 232 圖1 焦平面探測(cè)器推帚成像原理 Fig．1 Schematic diagram of CCD pushbroom
2)CCD面陣探測(cè)器及面陣驅(qū)動(dòng)電路 CCD 作為空間遙感儀器的敏感器得到了飛速的 發(fā)展，并逐漸成熟，廣泛應(yīng)用于空間軍事偵察、地球 資源探測(cè)和測(cè)繪等領(lǐng)域，目前國(guó)際上已有很多廠商能 制造出像元數(shù)達(dá)到1024~1024、像元尺寸13-3×13．3 m航天級(jí)面陣CCD，隨著CCD幀轉(zhuǎn)移技術(shù)和讀出 電路提高，可以選擇讀出CCD幀存儲(chǔ)區(qū)任意行、列 或連續(xù)行電荷累加。能根據(jù)探測(cè)器的光譜量子效率和 輸入的能量，在讀出電路設(shè)置不同的增益，使得各波 段動(dòng)態(tài)范圍盡量一致。 面陣CCD探測(cè)器的外部驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)可見近 紅外波段中心波長(zhǎng)和帶寬可選的核心，不僅要按CCD 手冊(cè)給予一定的偏置電壓，建立合適的工作點(diǎn)，還能 依據(jù)地面指令發(fā)送的通道配置表，采用大規(guī)�？删幊� 邏輯器件(FPGA)，完成相應(yīng)的面陣CCD讀出電路 時(shí)序，控制讀出CCD面陣上某行或連續(xù)行電荷累加 實(shí)現(xiàn)通道可編程功能，具體如圖2所示。 光 譜 雛 — L 1個(gè)像元 CCB基本行 ]廣一 基本的光譜行1 基本的光譜行2 ⋯ J⋯ ⋯ ／⋯ 基本的光譜行‘N-1’ 基本的光譜行‘N’ ＼光譜子帶 J M I 探 通道1 圖2 面陣CCD光譜帶寬和中心波長(zhǎng)可編程示意圖 1Vb1．29 NO．4 Apr． 2007 根據(jù)分光系統(tǒng)的線色散率和面陣CCD 元尺寸可 以確定光譜的采用間隔，即CCD 中一個(gè)基本行的光 譜寬度。通過選擇CCD 中連續(xù)進(jìn)行累加的基本行數(shù) 目，實(shí)現(xiàn)探測(cè)通道帶寬的可編程；選擇探測(cè)通道基本 行起點(diǎn)在CCD中位置，實(shí)現(xiàn)光譜的中心波長(zhǎng)可選。 當(dāng)儀器發(fā)射入軌后，可以根據(jù)用戶提出的新的波 段需求，按探測(cè)通道編程的原理，在地面上生成配置 參數(shù)表，經(jīng)過星上數(shù)管的1553B指令注入到光譜儀， 通過光譜儀的，2C總線將配置參數(shù)傳到可見光近紅外 通道電路的FPGA中，重新產(chǎn)生面陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序 和系統(tǒng)時(shí)序， 實(shí)現(xiàn)在軌通道可編程。
3)星上輻射定標(biāo) 遙感儀器發(fā)射前都要進(jìn)行定標(biāo)，通道可編程改變 了探測(cè)波段的中心波長(zhǎng)和帶寬，所以要對(duì)上天后所有 可能改變的通道組合，全部都進(jìn)行定標(biāo)，工作量非常 巨大甚至不可能完成。必須考慮在采用飛行中定標(biāo)， 最好引入太陽光源進(jìn)行定標(biāo)，發(fā)射前只需對(duì)缺省或幾 組常用的通道配置完成定標(biāo)工作，在軌后如根據(jù)需要 改變了通道位置和帶寬，則依靠星上定標(biāo)反演不同譜 段的地物光譜信息，從而開展典型的地物光譜研究 j。 因此，必須結(jié)合儀器的特點(diǎn)，研制一套高精度、高穩(wěn) 定性、全系統(tǒng)和全口徑的星上輻射定標(biāo)系統(tǒng)。

3 結(jié)論 綜上所述，空間高光譜成像儀采用通道可編程技 術(shù)，可編程讀出面陣CCD及驅(qū)動(dòng)電路是基礎(chǔ)，精細(xì) 分光的水平?jīng)Q定了最小光譜分辨率，在軌任意配置通 道光譜帶寬和中心波長(zhǎng)，結(jié)合有一套完整星上輻射定 標(biāo)方案，對(duì)滿足定量化遙感和地物光譜研究的需求有 重要的意義。