納型衛(wèi)星高光譜遙感系統(tǒng)一基于空間線性可變?yōu)V波器的成像光譜儀(SVFIS)

納型衛(wèi)星高光譜遙感系統(tǒng)一基于空間線性可變?yōu)V波器的成像光譜儀(SVFIS)
摘要：基于空間線性可變?yōu)V波器的成像光譜儀SVFIS是為納型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的高光譜遙感系統(tǒng)，它的最大優(yōu)點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性非常高，特別適合在航天環(huán)境下使用。本文簡(jiǎn)要介紹了航天高光譜遙感 和成像光譜儀，重點(diǎn)介紹SVFIS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并闡明它的工作原理。SVFIS的數(shù)據(jù)具有冗余性和延時(shí)性的特點(diǎn)，雖 然有它不利的一面，但其影響程度依賴于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于SVFIS數(shù)據(jù)中包含著地勢(shì)起伏、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)姿態(tài)變 化的信息，為研究這些信息，我們對(duì)像面進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，這是SVFIS的另一顯著特點(diǎn)。

0 引言 地球表面大多數(shù)自然物質(zhì)在0．4 ～2．4 反射 窗口都有可判斷的吸收特征，其吸收帶寬為20～40 nm，甚至更小。因此，用足夠高的分辨率對(duì)光譜進(jìn)行 采樣，就有可能直接識(shí)別對(duì)反射光譜有明顯吸收特 征的地表物質(zhì)。由于典型的特征吸收譜帶都很窄，多 光譜傳感器探測(cè)不到，而高光譜系統(tǒng)和超光譜系統(tǒng) 卻能以足夠高的光譜分辨率區(qū)分出具有診斷性光譜 特征的地表物質(zhì)來(lái)。 20世紀(jì)80年代建立的成像光譜技術(shù)，能夠在 紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，獲得大量窄波 段連續(xù)光譜的圖像數(shù)據(jù)。成像光譜儀為每個(gè)像元提 供數(shù)十到數(shù)百個(gè)窄波段(通常波段寬度< 10 nm)的 光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。或者 說(shuō)，成像光譜儀能夠?qū)⒁晥?chǎng)中觀測(cè)到的各種地物以 完整的光譜曲線記錄下來(lái)，將二維空間信息表示的 點(diǎn)沿光譜軸延伸，從而構(gòu)建了一個(gè)三維的數(shù)據(jù)立方 體，這個(gè)數(shù)據(jù)立方體中包含著豐富的信息，能用于多 學(xué)科的研究和應(yīng)用。成像光譜技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)高光 譜到超光譜遙感的主要手段。 投入航天應(yīng)用的成像光譜儀主要是色散型和干 涉型的L1]，它們的光學(xué)系統(tǒng)基本相同，主要包括五個(gè) 部分：前置望遠(yuǎn)鏡、入射狹縫、分光元件(棱鏡、光柵 或干涉儀)、收集鏡和探測(cè)器�；�于空間線性可變?yōu)V 波器的成像光譜儀(SVFIS)是我們?cè)谛ㄐ螢V波器成 像光譜儀(WlS) ]的啟發(fā)下提出來(lái)的。SVFIS在設(shè) 計(jì)上非常簡(jiǎn)單，只是對(duì)CMOS APD相機(jī)的像面進(jìn) 行了一些改造(改造方法在工藝上是可行的)，而幾 乎沒(méi)有增加相機(jī)的體積和重量。相對(duì)于傳統(tǒng)的色散 型和干涉型成像光譜儀來(lái)說(shuō)，SVFIS的最大優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性非常高，特別 適合在航天環(huán)境下使用。

1 SVFIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 衛(wèi)星平臺(tái)的主要參數(shù) SVFIS是為納型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的高光譜遙感系統(tǒng)。 納型衛(wèi)星的重量通常在10公斤左右，是體積非常 小、功能密度非常高的系統(tǒng)，因此，一般要求有效載 荷有較高的集成度。 假設(shè)SVFIS的納星平臺(tái)的軌道高度為：H 一 800 km；繞地球飛行的速度約為： 一√ 一 √V 6370×10睪0+ 800×100 一⋯4 s km／s
1．2 圖像傳感器 考慮到相機(jī)的體積和功耗，圖像傳感器采用了 CMOS APD 微型相機(jī)。 鏡頭焦距為：廠一70 mm，孔徑為：D一2O mm，F(xiàn) 數(shù)為3．5；CMOS探測(cè)器的像元尺寸為：5。一10 m ×10 m，像元數(shù)為：N。一1024×1024，光譜響應(yīng)范 圍為： 一0．4～1．1 m。因此成像光譜儀的空間分 辨率(用GSD，Ground Strip Distance表示)為：GSD ^ ， 一÷H≈114．3 m，視場(chǎng)角：2tan 一 ，2 一8。，視 j J 場(chǎng)為：W 一(N *GSD)。一117 km×117 km。 1．3 空間線性可變?yōu)V波器(SVF) 將CMOS探測(cè)器平分為兩個(gè)區(qū)域，如圖1，其 中第1～512行作為圖像探測(cè)區(qū)，第513～1024行作 為光譜探測(cè)區(qū)。光譜探測(cè)區(qū)由兩個(gè)濾波器組成，分別 響應(yīng)在可見(jiàn)光波段和近紅外波段。濾波器是由線性 可變干涉濾光片直接耦合在探測(cè)器的光敏面上構(gòu)成 的，我們稱之為空間線性可變?yōu)V波器(SVF)。 Im~ er Fl F’2 圖1 探測(cè)器表面結(jié)構(gòu) 線性可變干涉濾光片是美國(guó)OCLI公司的專利 產(chǎn)品Ⅲ ，如圖2，隨著膜層厚度沿長(zhǎng)度方向線性變 化，干涉濾光膜的透射波長(zhǎng)也在沿長(zhǎng)度方向上線性 變化，使得探測(cè)器的不同行成為不同波長(zhǎng)的光譜通 道。根據(jù)所選濾光片的參數(shù)，得到SVFIS的光譜特 圖2 線性可變干涉濾波片 thlcknesss~ 性如表1。 表1 SVFIS光譜特性

2 SVFIS的工作原理 假設(shè)探測(cè)器掃描一幀圖像的時(shí)間為T，當(dāng)它開(kāi) 始掃描下一幀圖像時(shí)，衛(wèi)星正好飛過(guò)一個(gè)GSD，則 探測(cè)器的幀掃描時(shí)間應(yīng)為T-G 弋 b —廠 D 一15．34 ms。 如圖3，建立一個(gè)高光譜數(shù)據(jù)立方體的原理如 下：
(1)假設(shè)衛(wèi)星在S。位置時(shí)，對(duì)應(yīng)地面視場(chǎng)中的 一半景物O。成像在探測(cè)器的圖像區(qū)I，而另一半 景物O 的輻射則被探測(cè)器的光譜區(qū)F所采集。當(dāng) 衛(wèi)星飛行到S 位置時(shí)，星下點(diǎn)正好穿過(guò)了O。，這期 間S。位置星下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的GSD依次經(jīng)歷了F中的所 有光譜通道，從而得到這個(gè)GSD 中1024個(gè)目標(biāo)元 的光譜圖；同時(shí)，F(xiàn)中的入 通道也依次掃描了O。中 的所有GSD，從而得到了O。在入 下的單色圖。顯 然，這時(shí)O 的所有GSD 已被F中的每一光譜通道 所掃描，這樣就得到了O 中每一目標(biāo)元的光譜圖 和它在每一光譜通道下的單色圖。 f； ／ | ／ ＼pmjecte(1 p J 士／ ． 一 l 一。 — — Ol 圖3 SVFIS的工作原理
(2)當(dāng)衛(wèi)星飛行到S。位置時(shí)，o。中的每一GSD 均經(jīng)歷了F的所有光譜通道，而F的每一通道也掃 描了Oz的所有GSD，因而也得到了O。中每一目標(biāo) 元的光譜圖和它在每一光譜通道下的單色圖。這樣， 當(dāng)衛(wèi)星平臺(tái)飛過(guò)整個(gè)視場(chǎng)時(shí)就建立了一幅景物的高 光譜數(shù)據(jù)立方體，如圖4所示。 y 圖4 高光譜數(shù)據(jù)立方體

3 SVFIS高光譜數(shù)據(jù)特點(diǎn) 由圖3不難看出，建立一個(gè)數(shù)據(jù)立方體需要的 時(shí)間是NT=15．7 S。這種延時(shí)性在一定程度上會(huì)影 響系統(tǒng)的功能，因?yàn)榉菍?shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集不利于觀測(cè) 物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)快速變化的目標(biāo)。由于延時(shí)的 大小依賴于系統(tǒng)的幀頻，因此對(duì)于特定的應(yīng)用，可以 通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)使延時(shí)的影響忽略不計(jì)。 一幀圖像(Ⅳ ×Ⅳ)，除第1行外，其余第2～ Ⅳ 行是前一幅圖像的第1～Ⅳ 一1行的重復(fù)，因此包含 了大量的冗余信息。大量冗余信息的存在會(huì)降低數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)和處理的效率，對(duì)此常常需要用一些統(tǒng)計(jì)工 具和壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪和壓縮。 冗余性和延時(shí)性是SVFIS高光譜數(shù)據(jù)的顯著 特點(diǎn)。雖然這個(gè)特點(diǎn)有它不利的一面，但也給系統(tǒng) 帶來(lái)了傳統(tǒng)成像光譜儀所不具有的功能。因?yàn)樵谶@ 些非實(shí)時(shí)性，大量冗余的數(shù)據(jù)中，包含著有關(guān)目標(biāo)高 度、速度和飛行平臺(tái)姿態(tài)變化的信息 ]。在SVFIS 方案中，我們將探測(cè)器分為圖象區(qū)和光譜區(qū)，一個(gè)重 要的原因就是要利用圖像區(qū)的冗余數(shù)據(jù)來(lái)判斷地勢(shì) 的起伏、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和平臺(tái)的姿態(tài)變化，并修正 由于這些因素引起的光譜區(qū)的測(cè)量誤差。

4 總結(jié) SVFIS是專為納型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的高光譜遙感系 統(tǒng)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。相對(duì)于目 前應(yīng)用最多的色散型和干涉型成像光譜儀來(lái)說(shuō)，基 于SVF的方案降低了航天遙感器熱設(shè)計(jì)的難度，提 高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 SVFIS高光譜圖像數(shù)據(jù)具有延時(shí)性和冗余性 的特點(diǎn)，雖然有它不利的一面，但其影響程度依賴于 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，SVFIS數(shù)據(jù)中還包含著地勢(shì)起伏、 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)姿態(tài)變化的信息。SVFIS圖像區(qū)的 數(shù)據(jù)，為研究這些信息提供了重要參考。對(duì)像面進(jìn)行 分區(qū)，同時(shí)接收不同的信息，是SVFIS的另一個(gè)特 點(diǎn)。