干涉成像光譜儀的通量特性分析

干涉成像光譜儀的通量特性分析
摘 要：針對高分辨率成像光譜儀的應(yīng)用要求，對大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀在不同光照條件下進(jìn) 行了計算分析，表明這種成像光譜儀在能量利用率方面有明顯優(yōu)勢．研制儀器的機(jī)載飛行試驗(yàn)結(jié) 果表明，雖然機(jī)載試驗(yàn)在2004年12月份進(jìn)行，太陽高度角在全年中最小，但是圖像的個別地方仍 會飽和．機(jī)載飛行試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了干涉成像光譜儀的高通量特性，同時也說明，儀器的地元分辨 率指標(biāo)還有提高的潛力．

O 引言 干涉成像光譜儀是現(xiàn)代科學(xué)儀器的前沿技術(shù)和 發(fā)展趨勢，它既可獲取目標(biāo)的圖像信息，又可獲取目 標(biāo)的光譜信息，從獲得的光譜圖像數(shù)據(jù)中能夠直接 反映出物質(zhì)的光譜特征，從而揭示各種目標(biāo)的光譜 特性、存在狀況以及物質(zhì)成份 J．它的原理特點(diǎn)使 得1二涉成像光譜儀在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用．如 軍事目標(biāo)圖像及光譜輻射特性研究、土地資源考察、 林業(yè)遙感、環(huán)境檢測、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等．在成像光譜儀的 發(fā)展過程中，首先進(jìn)入工程應(yīng)用的是棱鏡或光柵色 散型成像光譜儀，但是隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā) 展，人們對成像光譜儀的技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，主 要表現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率和對弱信號的探 洲能力等方面．色散型成像光譜儀存在著能量利用 率低等原理性缺陷，使這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展受到 阻礙．無動鏡干涉成像光譜技術(shù)的發(fā)展近年來受到 了前所未有的關(guān)注川．這種新型成像光譜技術(shù)在 原理上保留了高“能量通過力”的特點(diǎn)，并且可靠性 和穩(wěn)定性好、體積小、光譜分辨率適中、實(shí)時性好、光 譜線性度高、光譜范圍寬，特別適合在飛機(jī)和空間飛 行器上搭載，已引起國際上廣泛的重視 。。 ． 本文針對所研制的大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀 的原理，對其高通量特性進(jìn)行廠分析，飛行試驗(yàn)結(jié)果 也驗(yàn)證了這種成像光譜儀的高“能量通過力”的優(yōu)點(diǎn)．

1 大孔徑靜態(tài)干涉成像光譜儀的原理 大孔徑干涉成像光譜儀(LASIS)實(shí)際上是在一 個普通照相系統(tǒng)中加入橫向剪切分束器，使最終像 面上得到的不再是目標(biāo)的直接像，而是目標(biāo)的干涉 圖像，如圖1，系統(tǒng)由前置光學(xué)系統(tǒng)，橫向剪切分束 器、成像鏡、CCD探測器組件、電子學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處 理部分組成．當(dāng)飛行器向前飛行時，可以得到地面 景物的兩維空間信息和一維光譜信息．“大孔徑”的 真實(shí)意義是這種成像光譜儀具有很高的能量利用 率，也可以說它具有很高的探測靈敏度；“靜態(tài)”指這 種成像光譜儀中不依靠運(yùn)動部件來獲取光譜信息， 穩(wěn)定度高．每一成像時刻LASIS獲得的圖像都是 由未經(jīng)色散的“點(diǎn)”組成，其能量通過力特點(diǎn)與普通 照相機(jī)相同，因此I ASIS具有高通量的優(yōu)點(diǎn)．其主 要技術(shù)指標(biāo)是，當(dāng)飛機(jī)飛行高度為3 500 m時，地面 成像寬度500 m，地元分辨率100 mm，光譜范圍 400 nm～1 000 Flm，相對孔徑1／3．圖2為I ASIS 的屏幕樣機(jī)圖． — 卜l — 一I 【! 4。 < I => 一一 _ 圖1 I ASIS工作原理 Fig．1 The principle of LASIS 圖2 LASIS樣機(jī)三維模型

2 系統(tǒng)能量和信噪比計算
2．1 系統(tǒng)信噪比計算 影響干涉成像光譜儀信噪比的因素有信號強(qiáng)度 和系統(tǒng)噪音．信號強(qiáng)度與光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑、使 用光譜范圍、大氣透過率、光學(xué)系統(tǒng)透過率、光學(xué)系 統(tǒng)視場角、太陽高度角、探測器的像元大小、積分時 間、量子效率等因素有關(guān)．噪音則主要包括系統(tǒng)的 散粒噪音、暗電流噪音和電路噪音等． 頻譜分析儀| 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| 干涉圖均值在一個CCD像元上產(chǎn)生的電子 數(shù) 為 Se — T ～ 1 T 2 T：~ F 一％t f了Df 、J一。 .，(. [1+COS(2~A,／2)]dX (1) 式中T 為大氣透過率，取0．9，T 為干涉儀效率， 取0。4．T。：光學(xué)系統(tǒng)透過率，取0．7，s 為探測器像 元面積，3．24×10一mz，f0為地表反射系數(shù)，取0．05～ 0．85，t為系統(tǒng)的曝光時間，取3．6～5 ms，E為一個 電子的能量，取32×10 。J，D／f為光學(xué)系統(tǒng)的相 對孔徑，取1：3， 、 為系統(tǒng)的光譜范圍，取0．4 m～ 1．0 m，L ( )為太陽在此譜段的光譜輻照度， ( ) 為器件的量子效率，取平均值為0．55． 器件的飽和電子數(shù)為24×10 e一，器件噪音取 20e一．計算系統(tǒng)的信噪比時，按器件噪音計算后，最 后再減去3 dB．
2．2 不同條件下信噪比計算結(jié)果 根據(jù)計算式(1)，可以計算當(dāng)太陽直射時的系統(tǒng) 信噪比．當(dāng)太陽高度角發(fā)生變化時，系統(tǒng)的信號強(qiáng) 度將發(fā)生很大變化．下面給出不同曝光時間、不同 地表反射率、不同太陽高度角下系統(tǒng)的信噪比計算 結(jié)果，見表1． 表1 f=2．5 mS時信號強(qiáng)度及s／N 注：表1所列為干涉圖均值的信號強(qiáng)度與B／N 比，括號內(nèi)的值為峰值的信號強(qiáng)度與S／N． 計算表明當(dāng)系統(tǒng)相對孔徑為F／6，而又取最大 圖像S／N十分有利．計算表明當(dāng)p一0．05， 一30。 可能曝光時間 一2．5 ms時，在最大光照條件下，會 時，峰值的S／N仍高于48 dB． 產(chǎn)生器件飽和，特別是在計算參量設(shè)定中，分束器效 表2是把曝光時間從 2．5IllS，iNNNt=]．8m ， 率，拼接棱鏡透過率均有可能實(shí)際值高于理論計算 其目的是在最高光照條件下使器件不飽和，但它降 假定值．但它對于在低光照條件下，仍保持較高的 低了低光照條件下圖像的S／N 比． 表2 f=1．8 mS時信號強(qiáng)度及S／N 從能量計算結(jié)果可以看出，LASIS干涉成像光 譜儀充分表現(xiàn)了在光能利用率方面的巨大優(yōu)勢，具 有較高的圖像信噪比．若采用有級分檔調(diào)節(jié)曝光時 間則效果會更好．

3 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證 I ASIS于涉成像光譜儀于2004年l2月在煙 臺進(jìn)行了校飛試驗(yàn)．儀器通過機(jī)載穩(wěn)定平臺裝到飛 機(jī)E對地面景物進(jìn)行推掃成像．圖3為儀器在機(jī)艙 內(nèi)安裝的照片．圖4為飛行試驗(yàn)中得到的一幅原始 圖像． 它的空間分辨率具有進(jìn)一步提高的潛能．

4 結(jié)論 干涉成像光譜是新一代成像光譜儀的代表，理 論分析和在冬天進(jìn)行的機(jī)載飛行試驗(yàn)均表明，它具 有高通量優(yōu)點(diǎn)，比較適合于高窄問分辨率和高光譜 分辨率的成像光譜技術(shù)應(yīng)用．