【文章內(nèi)容簡介】 是獲取更為清晰的圖像，而且要 求 在復(fù)雜背景下獲得特定目標(biāo)的特征 光譜 信息 。因此，將多光譜技術(shù)和二維成像技術(shù)結(jié)合在一起形成的多光譜成像技術(shù)成為新一代光學(xué)成像遙感儀器的發(fā)展趨勢，也為遙感應(yīng)用水平的提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 3 多光譜成像與紅外探測傳感器總體技術(shù)方案 研究目標(biāo)和主要技術(shù)指標(biāo)要求 隨 著我國衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)用戶對應(yīng)用衛(wèi)星的日益增長的需求，在軍用、民用大衛(wèi)星及其有效載荷發(fā)展較快的同時，小衛(wèi)星平臺和微小衛(wèi)星平臺及其有效載荷的發(fā)展也非常迅速，成為今后衛(wèi)星和有效載荷研制的一種趨勢。由于小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星的研制具有重量輕、成本低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將在國防、民用等領(lǐng)域發(fā)展中起著越來越重要的作用。小衛(wèi)星平臺的應(yīng)用迫切需要遙感儀器也朝著小型化、輕量化和微型化的方向發(fā)展?；谝陨蠎?yīng)用背景和需求，本文提出研制適用于小衛(wèi)星平臺的多光譜成像和紅外探測傳感器技術(shù)方案。 多光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)要求： 1) 小衛(wèi) 星軌道高度為 600km～ 700km； 2) 波段數(shù)大于 32 個； 3) 重量小于 50kg； 4) 地面分辨率小于 100m。 系統(tǒng)總體技術(shù)方案 系統(tǒng)組成 多光譜成像儀 由光學(xué)系統(tǒng)、定標(biāo)源、探測器組件與前端電子學(xué)系統(tǒng)和后端信息處理與控制系統(tǒng)等五個部分組成。 多 光譜成像儀的系統(tǒng)功能 框 圖 如圖 8 所示。 14 圖 8 系統(tǒng)功能示意圖 系統(tǒng)工作原理 光學(xué)系統(tǒng)由反射鏡、透射鏡、分光元件和光機(jī)結(jié)構(gòu)等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)接收來自目標(biāo)和背景的光輻射信號。 采用面陣探測器推掃技術(shù)獲得目標(biāo)二維圖像信息，同時通過分光元件、濾光片和面陣探測器獲得目標(biāo)的光譜信息。探 測器組件 采用 可見光面陣 CCD 和紅外焦平面器件，探測器安裝在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，將目標(biāo)光輻射信號轉(zhuǎn)化為模擬電信號；前端電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生探測器信號讀出和 A/D 轉(zhuǎn)換控制時序、探測器偏置電壓，對探測器輸出的模擬信號放大、 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字化目標(biāo)光輻射信號。 后端信息處理與控制系統(tǒng)將不同光譜波段獲取的圖像信息按照規(guī)定的格式進(jìn)行處理，加入其它與 系統(tǒng)工作 狀態(tài) 有關(guān)的參數(shù)信息 ，與圖像信息進(jìn)行編排，形成所要求的信息 碼流 ，發(fā)送 至衛(wèi)星 數(shù) 管 /數(shù)傳系統(tǒng)記錄 或下傳 地面。 同時，完成對指向鏡機(jī)構(gòu)的檢測與控制、探測器制冷機(jī)控制、遙控遙測及數(shù)據(jù) 通信等測控功能。 定標(biāo)源由 可見 /近紅外定標(biāo)器 、 紅外輻射黑體 組成，可見 /近紅外定標(biāo)器以太陽作為輻射光源，紅外輻射黑體可以用標(biāo)準(zhǔn)黑體完成定標(biāo) 。利用定標(biāo)源可以獲得探測通道 的 定量化的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。 成像會聚透鏡成像會聚透鏡成像會聚透鏡可見光CCD面陣探測器短波紅外面陣探測器長波紅外面陣探測器前端電子學(xué)系統(tǒng) 1前端電子學(xué)系統(tǒng) 2前端電子學(xué)系統(tǒng) 3光譜波段分光濾光光譜波段分光濾光光譜波段分光濾光可見光近紅外長波紅外短波紅外全波段折返式光學(xué)系統(tǒng)定標(biāo)器目標(biāo)光輻射A / D轉(zhuǎn)換器圖像信息處理圖像數(shù)據(jù)存儲測量數(shù)據(jù)輸出邏輯時序控制二次電源系統(tǒng)測量控制通訊 15 光譜范圍和波段選擇 光譜范圍 大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，各類地物目標(biāo)（如植物、水體、土壤、物礦、巖石和熱源體等）的特征光譜主要分布在 400nm～ 1100nm 的可見光 /近紅外波段、 m～ m 短波紅外波段和 m～ μ m 長波紅外波段。從技術(shù)可行性和應(yīng)用需求方面考慮，多光譜成像儀的光譜范圍選擇 405nm～ 1030nm 的可見光 /近紅外波段、 m～ m 的短波紅外波段和 m～ m 的長波紅外波段，如表 5所示。 表 5 光譜 范圍選擇 波 段 光譜范圍（ ?m） 探測通道數(shù) 可見 光 ～ 12 近紅外 ～ 8 短波紅外 ～ 8 長 波紅外 ～ 8 波段數(shù) 波段數(shù)的選取主要根據(jù)探測器的光譜維像元數(shù)的多少及其像元合并而定，一般沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。已有的研究成果表明，特征光譜吸收峰的帶寬大多小于 20。根據(jù)多光譜成像儀對技術(shù)方案的指標(biāo)要求，選取 36 個波段，其中包括 12 個可見光波段、 8 個近紅外波段、8 個短波紅外波段和 8 個長波紅外波段。各個波段中心波長和相應(yīng)的光譜帶寬的基本分布狀態(tài)如表 6 所示。 表 6 光譜波段分布狀態(tài) 通道名稱 中心波長 (nm) 光譜帶寬 (nm) 焦平面探測器 16 1 415 10 可見 2 436 10 可見 3 462 10 可見 4 484 10 可見 5 505 12 可見 6 532 12 可見 7 555 12 可見 8 580 12 可見 9 607 14 可見 10 626 14 可見 11 642 14 可見 12 654 14 可見 13 732 20 近紅外 14 760 20 近紅外 15 785 20 近紅外 16 802 30 近紅外 17 825 30 近紅外 18 842 30 近紅外 19 865 30 近紅外 20 882 30 近紅外 21 1130 50 短波紅外 22 1280 50 短波紅外 23 1440 50 短波紅外 24 1610 50 短波紅外 25 1780 50 短波紅外 17 26 1950 70 短波紅外 27 2110 70 短波紅外 28 2250 70 短波紅外 29 7860 400 長波紅外 30 8140 400 長波紅外 31 8350 400 長波紅外 32 8660 400 長波紅外 33 9020 500 長波紅外 34 9370 500 長波紅外 35 9760 600 長波紅外 36 10130 600 長波紅外 探測器選擇 可見光 /近紅外焦平面探測器 可見 /近紅外 CCD 探測器的主要參數(shù)指標(biāo)如表 7 所示。 表 7 可見 /近紅外 CCD 探測器 項(xiàng)目 指標(biāo) 波段 (nm) 400～ 900 像元 數(shù) 1024179。 1024 像元尺寸 (?m) 179。 光學(xué)填充因子 100％ 光學(xué)尺寸 (mm) 179。 響應(yīng)率 (mV/lux178。 s) 450 動態(tài)范圍（ dB） ＞ 60 幀頻 (fps) 30 18 工作溫度 (℃ ) － 40～＋ 60 可見 /近紅外 CCD探測器的響應(yīng)波段涵蓋了可見光波段和近紅外波段，探測器在 560nm 處的量子轉(zhuǎn)換效率最高，如圖 9 所示。 圖 9 可見 /近紅外 CCD 探測器量子轉(zhuǎn)換效率與波長關(guān)系曲線 短波紅外焦平面探測器 短波紅外焦平面探測器的主要參數(shù)指標(biāo)如表 8 所示。 表 8 短波紅 外焦平面探測器主要技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 波段 (?m) ～ 像元數(shù) 320179。 256 像元尺寸 (?m) 30179。 30 冷屏 F 數(shù) 平均峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) ＞ 179。 1012 19 平均 NETD(mK) 40 工作溫度 (K) 250 重量 (g) ＜ 150 功耗 (W) 2（ 250K） 長波紅外焦平面探測器 長波紅外焦平面探測器的主要參數(shù)指標(biāo)如表 9 所示。 表 9 長波紅外焦平面探測器主要技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) 波段 (?m) ～ 冷屏 F 數(shù) 1 平均峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) 9179。 1010 最低峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) 3179。 1010 平均 NETD(mK) 25 預(yù)冷時間 (分鐘 ) 6 工作溫度 (K) 90 制冷量 (W) 重量 (g) 650 功耗 (W) 11（ 90K） 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光學(xué)系統(tǒng)選型 光學(xué)系統(tǒng)選型要綜合考慮光譜分辨率、空間分辨率、探測靈敏度和體積重量之間相互制約的因素。在地面輻射和反射的能量相對穩(wěn)定的情況下，增加光譜通道和提高光譜分辨率將會降低每個通道的探測能量，因此必須增加光學(xué)系統(tǒng)的有效通光口徑。 20 反射 式系統(tǒng)、折射式系統(tǒng)和折反射系統(tǒng)各自具有不同的優(yōu)勢和適用范圍。反射式物鏡在紅外系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，缺點(diǎn)是反射式物鏡往往不能滿足大視場大孔徑成像時的像質(zhì)要求；折反射鏡系統(tǒng)體積大、加工難、成本高、系統(tǒng)中間擋光部分會造成透射光能量降低。 通過比較反射式系統(tǒng)、折射式系統(tǒng)和折反射系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮多光譜成像儀的技術(shù)指標(biāo)要求，本方案選擇采用指向鏡機(jī)構(gòu)的同軸折反式光學(xué)系統(tǒng)，前端的全波段雙反射鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光路可折疊，有效地縮短了光學(xué)系統(tǒng)的長度。通過增大反射鏡的口徑，可以有效提高接收到的目標(biāo)輻射能量，有助于改善系統(tǒng)信噪比 。后端的折射透鏡將目標(biāo)光束會聚到焦平面探測器上形成目標(biāo)圖像。折射透鏡采用非球面設(shè)計(jì)可以減少透鏡數(shù)量，提高光學(xué)系統(tǒng)的能量傳輸效率。 多光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)光路如圖 10 所示。 短波紅外焦平面探測器長波紅外焦平面探測器可見 / 近紅外焦平面探測器可見 / 近紅外定標(biāo)源長波紅外定標(biāo)源指向鏡機(jī)構(gòu)圖 10 多光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)光路圖 光譜分光方法 光譜分光是 多 /高 /超光譜技術(shù)中的核心技術(shù)之一 。 傳統(tǒng)的 光譜 21 分光方式主要 包括 光柵 分光 、棱鏡 分光 和干涉 分光，還有聲光可調(diào)諧濾光片、液晶可調(diào)諧濾光片、漸變?yōu)V光片、二元光學(xué)元件等其他光譜分光方法。