航天超光譜成像儀原理分析

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(jìn)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(xì)光譜分辨能力 (優(yōu)于5 nn1)獲取地表圖像，對(duì)于探測(cè)地表構(gòu)成及其 變化具有特殊的識(shí)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(cè)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(cè)等。它對(duì)自然災(zāi)害、環(huán)境污染、危及人類的危 險(xiǎn)事故等的預(yù)報(bào)、發(fā)生、評(píng)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(biāo)的精細(xì)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(jì)8O年代開始，跟蹤了國外多種 可供星載成像儀使用的先進(jìn)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(duì)成熟，在理論上、工程 研制上取得了較大進(jìn)展，可能成為未來中國遙感衛(wèi) 星的新型光學(xué)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(jìn)行 分析與評(píng)述，為中國選擇第一臺(tái)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(jì)7O年代初，國外開始發(fā)展機(jī)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(tái)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(duì)星載干涉成像光譜技術(shù)的研究最早是從 2O世紀(jì)8o年代中后期開始的。當(dāng)時(shí)大多采用基于 邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡掃描干涉型超光譜成像儀。 2O世紀(jì)8o年代末9o年代初，隨著面陣探測(cè)器 陣列制造技術(shù)的不斷提高，國外不少機(jī)構(gòu)開始研究 無動(dòng)鏡干涉成像光譜技術(shù)，如美國的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn) 室(肌)、美國空軍PHnJ,~ 實(shí)驗(yàn)室、夏威夷大學(xué)、 佛羅里達(dá)工學(xué)院、華盛頓大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)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(duì)應(yīng)可見光／近紅外波段的譜段數(shù)5o個(gè)，短 波紅外可分辨譜段數(shù)約為15個(gè))，視場角5。，體積400 r姍×150 ITnTI×100 r舯。在地面進(jìn)行了多次不同譜段 的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明DASI具有很多優(yōu)點(diǎn)，非常適合 遙感使用。1994年DASI進(jìn)行了機(jī)載試驗(yàn)，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(dòng)鏡干涉成像光譜系統(tǒng)ISIS，光譜范圍 0．45～1．0 ，探測(cè)器為144×208元面陣。1995年 Kes缸d公司與佛羅里達(dá)工學(xué)院等單位合作，在美國空 軍支持下，對(duì)前期研制的空間調(diào)制干涉型成像儀 SM~IS進(jìn)行改進(jìn)提高，研制了機(jī)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(shí)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(qiáng)力小 衛(wèi)星(Migh哆sat)”，其主要有效載荷是一臺(tái)傅里葉變換 超光譜成像儀嗍，也就是一臺(tái)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(jī)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(shí)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(dòng)態(tài)推掃圖像。中國目前 已經(jīng)掌握了光柵對(duì)光譜精細(xì)分光的技術(shù)，研制了原 理樣機(jī)，在分光設(shè)計(jì)、焦面驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理、定標(biāo)、數(shù) 據(jù)編碼等技術(shù)上都取得了突破性進(jìn)展。至2000年 已研制出了機(jī)載64波段超光譜成像儀(MAIS)，并 進(jìn)行了校飛，對(duì)不同的地物目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際拍攝，獲 得了大量一手?jǐn)?shù)據(jù)，并被邀請(qǐng)到日本、澳大利亞等國 家進(jìn)行技術(shù)交流和實(shí)地拍攝，同時(shí)，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(jìn)行了多次航空飛行試驗(yàn)，取得了較好的圖像和應(yīng) 用效果。當(dāng)然，對(duì)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(jìn)，如：光 柵的研制、信號(hào)處理電路、星載定標(biāo)燈技術(shù)等。下表 給出中國目前機(jī)載光柵型超光譜成像儀的主要技術(shù) 指標(biāo)(見表2)。 為研制實(shí)用型超光譜分辨率成像光譜儀，探索 了面陣探測(cè)器的應(yīng)用方法和特點(diǎn)，掌握了系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的關(guān)鍵技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 表2 中國機(jī)載光柵型超光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo) 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(jí) 12 bit 掃描率 60 FI／s 干涉型超光譜成像儀也是中國20世紀(jì)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(jī)和原型樣機(jī)的研制， 研制出了具有自主知識(shí)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(jìn)展，實(shí) 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(diǎn)， 它可以獲得目標(biāo)反射光的相對(duì)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(shì)。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(shí)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(xué)系統(tǒng) (包括前置望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直鏡、分光光柵、會(huì)聚鏡以及相 應(yīng)的校正鏡系統(tǒng))、指向鏡、電子學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu) 等，系統(tǒng)基本框圖見圖1。地物信號(hào)經(jīng)前置望遠(yuǎn)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(zhǔn)直鏡照射到光柵， 光柵分色后經(jīng)會(huì)聚鏡會(huì)聚到探測(cè)器件上，探測(cè)器件 將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、A／D轉(zhuǎn) 換得到數(shù)字圖像信號(hào)，最后由格式器送給數(shù)傳和星 上固態(tài)存儲(chǔ)器。 昔 指向鏡H H 薔H準(zhǔn)直鏡 H黿 }．___{會(huì)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(xué)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(jì)算和借鑒TRWIS的成功經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為 采用反射和透射混合式光學(xué)系統(tǒng)較好�；旌鲜较到y(tǒng) 是指物鏡采用透射式，而準(zhǔn)直鏡和成像鏡采用反射 式構(gòu)成的系統(tǒng)。在光學(xué)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(diǎn)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(jì)是可以達(dá)到要求的。光學(xué)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(jì)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(xué)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(shí)現(xiàn)高精 度定位； (3)從結(jié)構(gòu)考慮，CCD探測(cè)器件具有二維調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)，并能鎖定； (4)整機(jī)裝配時(shí)采取結(jié)構(gòu)件裝配與光學(xué)校裝配 合進(jìn)行； (5)進(jìn)行小型化、輕量化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)小衛(wèi)星平 臺(tái)的需要； (6)對(duì)零件進(jìn)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(xué)系統(tǒng) 電子學(xué)系統(tǒng)包括CCD驅(qū)動(dòng)控制電路、信號(hào)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(xué)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(xué)系統(tǒng)是在一個(gè)寬譜 段光學(xué)成像系統(tǒng)中加入橫向剪切干涉儀實(shí)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(zhǔn) 直成像鏡組(由富氏透鏡和柱面鏡組組成)，后面是 信號(hào)采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。目標(biāo)光束首先被前 置物鏡會(huì)聚于其前置焦面，在焦面處放置視場光闌， 同時(shí)消除雜光。光束經(jīng)光闌后進(jìn)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(gè)虛 光闌，然后進(jìn)入準(zhǔn)直成像鏡組。準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng) 干涉型超光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)由前置物鏡、干 涉儀、準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng) 電子學(xué)系統(tǒng)是為實(shí)時(shí)獲取高幀頻的干涉光譜圖 像而設(shè)計(jì)的，它的主要功能是：完成與星務(wù)的通訊， 接受各種指令，實(shí)現(xiàn)干涉成像光譜圖像信息的采集， 并通過星上軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。電子學(xué)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(xué)系統(tǒng)不意圖 3)定標(biāo)系統(tǒng) 干涉型超光譜成像儀的實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)定標(biāo)裝置由 單色積分球、聚光鏡、準(zhǔn)直鏡及微功率計(jì)等組成。單 色積分球有標(biāo)準(zhǔn)光源、單色儀、積分球以及聚光鏡組 成。為確保定標(biāo)的準(zhǔn)確性，在定標(biāo)前需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源、 單色儀和微功率計(jì)進(jìn)行標(biāo)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(duì) 干涉型超光譜成像儀進(jìn)行定標(biāo)。如圖1O所示。 圖8 電子學(xué)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(biāo)準(zhǔn)光

5 需要進(jìn)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(duì)性地進(jìn)行適應(yīng)性 改進(jìn)。下面就目前超光譜成像儀上星需進(jìn)一步研討 的主要問題進(jìn)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(duì)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(jī)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(jī)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(biāo)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(duì)孔徑的增大又受 極大和各級(jí)次極大的級(jí)數(shù)的選擇上要適當(dāng)，否則會(huì) 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(jī)，正在準(zhǔn)備飛行實(shí)驗(yàn)，它的特點(diǎn)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(duì)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(dāng)?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(tái)并行處理。中國目前星上 一般是提高相對(duì)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(shí)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(jìn)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(xì)越好， 但付出的代價(jià)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(duì)較高的信噪比，但在相對(duì)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(xué)裝調(diào)的問題，干涉型超光譜成像儀運(yùn)用 傅立葉光學(xué)的理論，須把CCD器件放置在后焦面 上，對(duì)這種光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)工藝還須謹(jǐn)慎對(duì)待。電池測(cè)試儀| 相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測(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

6 結(jié)束語 超光譜成像儀是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新 型遙感成像儀器，目前在軌運(yùn)營的為數(shù)不多，中國在 光學(xué)遙感器領(lǐng)域緊跟世界先進(jìn)潮流，有針對(duì)性地研 究了超光譜成像的理論，并在多個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)際應(yīng)用已為時(shí)不遠(yuǎn)。中國計(jì)劃 于2005年發(fā)射的SMMS衛(wèi)星和首顆月球探測(cè)器上 將采用超光譜成像遙感技術(shù)，這標(biāo)志著中國航天光 學(xué)遙感的發(fā)展又向前邁進(jìn)了一大步。