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超光譜成像儀
閱讀�4044�(shí)間:2018-06-28 09:44:56

美國(guó)著名的trw公司研制的超光譜成像儀代號(hào)為trwis-3,它是該公司的一種成像光譜儀。由于trwis-3的波段范圍很�,從0.4μm�2.5μm,具�384�(gè)連續(xù)光譜通道,且可見光近紅外帶寬僅為5nm,短波紅外也只有6.25nm,信噪比又很�(幾百�1),顯�,它不論在軍事上還是在民用方面都有極高的�(yīng)用價(jià)值�

�(jiǎn)�

  由于軍事和國(guó)民經(jīng)�(jì)的需�,近年來空間(�(duì)�)光學(xué)遙感技�(shù)取得迅猛地發(fā)�,各種各樣的光學(xué)遙感器應(yīng)�(yùn)而生,并且技�(shù)性能也飛快的得到提高和完�。成像光譜儀的發(fā)展就是其中明顯的例子之一�
  常用的“空間分辨率”法是利用物�(zhì)的形�(tài)特征來區(qū)分它們。這�(gè)方法以前、現(xiàn)在和將來仍然是識(shí)別物�(zhì)的非常重要的手段,但它不總是高效率的。例�,對(duì)海水中葉綠素濃度的測(cè)量單靠形�(tài)�(xué)的特�,其�(cè)量精度往往是很低的。然而若利用物質(zhì)光譜特征法來解決,便可得到人們極其滿意的�(jié)果�
  眾所周知,任何兩種不同的物質(zhì)決不�(huì)有完全相同的光譜特性曲�。反之,任何一種物�(zhì)也決不會(huì)有兩種不同的光譜特性曲�。也就是說物�(zhì)的光譜特性曲線是�。于是,人們把光譜分辨率和空間分辨率結(jié)合起�,便具有了更高的探測(cè)和識(shí)別物�(zhì)的能�。因�,成像光譜儀的產(chǎn)生及其飛速發(fā)展是顯而易見的�
  利用光譜圖像�(shù)�(jù)可以�(shí)別和區(qū)分地面物�(zhì),但在工程實(shí)施上其光譜“采樣”問題還必須滿足下述3條基本要求:
  采樣的光譜波段必須窄到足以分辨物�(zhì)狹窄的特征峰。顯然波段越窄對(duì)物質(zhì)的分辨能力越�(qiáng)�
  具有足夠�(shù)量的光譜波段且各波段盡量相互鄰接�
  還應(yīng)具有一定寬的光譜范圍以�(shí)�(xiàn)光譜圖線的整體性�
  上述3條基本要求是相對(duì)的以任務(wù)需求而定�,但�(duì)trwis-3來講,�3頂指�(biāo)均已�(dá)到很高的水平�
  trw公司�,他�?cè)O(shè)�(jì)trwis-3的目的有兩�(gè):,作為研究分類的儀�,使它能夠在400nm�2500nm的波�(zhǎng)范圍�(nèi)建立精確的超光譜�(shù)�(jù)�(kù);第二,作為研制�(shí)用型超光譜儀器的件商�。它是一�(tái)高性能儀�,除極高的信噪比(snr)和所有的光譜通道能同�(shí)工作�,其還有g(shù)ps定位�(shù)�(jù),精確的輻射定標(biāo)可搭載提供高�(zhì)量的照片。該儀器已接近研制完成,可適應(yīng)多�(gè)平臺(tái)使用�

系統(tǒng)�(shè)�(jì)

  trwis-3包括一�(gè)含有一�(duì)視軸相互平行的光柵光譜儀的傳感器和兩�(gè)電氣�??梢�?近紅�(vnir)光譜儀的波段范圍是400nm�1000nm,短波紅�(swir)光譜儀的波段范圍是900nm�2500nm。每�(gè)光譜儀都含有一套將景物成像到狹縫的折射式前置光�(xué)系統(tǒng)。通過狹縫的光被一�(gè)平面光柵在狹縫垂直的方向�(jìn)行色�,然后成像在一�(gè)兩維焦平面陣列上。沿狹縫方向的陣列提供空間景物信�,另一方向的陣�(狹縫光沿此陣列方向色�)提供光譜信息。沿垂直狹縫的方向推掃狹縫的像并依次存儲(chǔ)焦面陣列(fpa’s)所收集的空�/光譜信息,就可以�(chǎn)生一�(gè)2維的每�(gè)像素�384�(gè)譜段的空間影像。對(duì)vnir光譜儀,波段寬5nm;對(duì)swir光譜儀,波段寬�6.25nm,trwis-3的主要性能參數(shù)列于�1�
  �1trwis-3性能�
  參數(shù)性能
  �(zhì)�(傳感器探�)/kg<39
  電源(28v直流)/w<800
  瞬時(shí)視場(chǎng)/mrad0.9
  全視�(chǎng)/(°)13.1(256橫向像素)
  光譜通道�(shù)384
  波長(zhǎng)范圍/nm400�2500
  光譜波段寬度/nm5(vnir)�6.25(swir)
  光譜波段純度<24%(相鄰?fù)ǖ?�<3%(隔兩�(gè)通道)�<2%(隔三�(gè)通道或更�(yuǎn))
  橫跡光譜誤差/nm<1.0(vnir)�<1.3
  光譜通道的空間配�(zhǔn)小于瞬時(shí)視場(chǎng)�20%
  幀速率/hz15�30�60
  位置/m<5(�(dāng)可得到差分信�(hào)�(shí))
  指向/μrad<100(滾動(dòng)、傾斜和偏航)
  輻射�(cè)量精�<5%(1σ)
  光譜�(biāo)定精�/nm<1.0
  像素-像素相對(duì)定標(biāo)<2%
  量化/bit12
  �(shù)�(jù)存儲(chǔ)能量/gb16
  trwis-3的整套設(shè)備包括飛行時(shí)�(duì)vnir和swir光譜儀�(jìn)行定�(biāo)的定�(biāo)�(ifcs)、星載“全球定位系�(tǒng)�(gps)、用于確定指向慣�、儀器控制和高速數(shù)�(jù)存儲(chǔ)器以及微�(jī)(一�(tái))�

�-�(jī)�(shè)�(jì)

  vnir和swir光譜儀在光�(xué)�(jié)�(gòu)上是相似�。它們都有多�(gè)零件的折射式前置光學(xué)系統(tǒng),該光學(xué)系統(tǒng)將景物成像在光譜儀的入射狹縫上。通過狹縫的光被一�(gè)離軸非球面零件反射到一�(gè)平面閃耀光柵�,光被光柵色散。從光柵反射的光被第二�(gè)離軸非球面零件反射并成像到焦面陣列上(fpa)。為使視�(chǎng)畸變最�,在狹縫后和焦面陣列前各放了一�(gè)折射式校正透鏡。如果不校正這種畸變,將�(dǎo)致光譜通道的空間配�(zhǔn)超出要求和橫跡光譜誤�。為了消除級(jí)次重疊,將一�(gè)�(jí)次選擇濾光片直接放在每�(gè)焦面陣列的前��
  光學(xué)和焦面部件安裝在特制的支架上,該支架能�(jìn)行精確調(diào)整校�(zhǔn)。當(dāng)�(diào)整校�(zhǔn)好之后,每次安裝都用�(huán)氧樹脂固定住或銷子銷�,形成一�(gè)非常牢固的部�。為減小儀器對(duì)溫度變化的敏感�,將支架連接到用銦鋼制的公用基板�。一�(gè)罩子連到基板上使光學(xué)系統(tǒng)與外面環(huán)境密封隔離起�。為使雜光的影響最�,所有支架和�(nèi)部表面被漆成黑色�
  每�(gè)焦面陣列的模擬信�(hào)處理�(asp)電子�(xué)線路安裝在罩子的外面。對(duì)swir光譜儀,用于冷卻焦面陣列的壓縮�(jī)安裝在基板的外面。慣性傳感器安裝在vnir光譜儀�(nèi)的基板上。一旦裝配、定位和定標(biāo)完畢,通過墊片將兩�(tái)光譜儀連接到基板上且校成視軸平�。swir光譜儀的前置光�(xué)系統(tǒng)具有較小的變焦能力以使vnir和swir的視�(chǎng)匹配�

焦面陣列

  vnir光譜儀的焦面組件用的是仙童公司制造的硅ccd成像傳感�。ccd是一�(gè)以分幅結(jié)�(gòu)�(gòu)成的三相器件,在分幅傳送過程中要使拖影最�。基本像素尺寸是20μm,像幅是768×384像素。該裝置�4�(gè)輸出�,每�(gè)口讀出一�(gè)器件的像限。一旦讀出的像素?cái)?shù)�3×3,將得到充滿60μm像素的一�256×128的像面陣列。包裝箱蓋上裝有一�(gè)�(jí)次選擇濾光片。ccd的封裝后面裝有一塊線路板,該板上裝有前置放大、高速時(shí)鐘驅(qū)�(dòng)電路,該板還為陣列提供各種偏置電壓。通過一根電纜將線路板連接到vnir的模擬信�(hào)處理�
  swis光譜儀的焦面是常用的洛克威爾公司制造的碲鎘汞光二級(jí)管陣列和cmos多路�(diào)制器。陣列幅面是�60μm2�256×256�(gè)像素。正常的工作溫度�115k。陣列被裝在一�(gè)杜瓦瓶上并被一�(gè)斯特林致冷器致冷�
  通過4�(gè)端口收集swir陣列的信�(hào)。探�(cè)器陣列上的每�(gè)像素耦合到cmos倍增器上相應(yīng)的容性阻抗傳輸放大器(ctia)上加以放�,然后通過開關(guān)fets連到裝置�4�(gè)輸出緩沖器中�1�(gè)。多路混合器裝在陶瓷基片�,該混合器旁通環(huán)路可將輸出到電纜的信�(hào)蹤跡去掉,此電纜連接swir的模擬信�(hào)組件。陶瓷基片裝在杜瓦瓶?jī)?nèi)的冷指端部。緊接著這�(gè)陣列的前面是一�(gè)�(chǎng)�,場(chǎng)鏡的第二平面上鍍有級(jí)次選擇濾光膜。用一�(gè)冷屏包圍�(chǎng)鏡和陣列表面,目的是限制探測(cè)器的視場(chǎng)以使熱背景最��

電子線路

  trwis-3的電子線路用來控制vnir和swir相機(jī),記錄圖像和�(dǎo)航數(shù)�(jù),提供使用者控制儀器和�(shù)�(jù)流的接口,它還調(diào)節(jié)儀器電源。通過各自的模擬信�(hào)處理�,trwis控制線路(tce)控制每臺(tái)相機(jī)以及兩�(gè)焦面陣列的同�。模擬信�(hào)處理器接收焦面陣列的像元�(shù)�(jù)、提供總增益和補(bǔ)償量,提供對(duì)swir焦面陣列積分�(shí)間的�(diào)�,提供對(duì)vnir焦面陣列的補(bǔ)償量�(diào)整,并且�12bit的分辨率將數(shù)�(jù)�(shù)字化。一旦數(shù)字化后的影像�(shù)�(jù)被傳送到trwis-3控制線路,每�(gè)相機(jī)的一幅照片就在那里被緩沖。在送到高速數(shù)�(jù)記錄器存�(chǔ)之前,緩沖器將各�(gè)口來的相�(jī)�(shù)�(jù)�(jìn)行組織整理。緩沖器還提供波段選�,使之能夠除�384�(gè)波段中的任何幾�(gè)以使多余�(shù)�(jù)最��
  通過一�(gè)畫幅捕捉器將圖像�(shù)�(jù)寫入高速數(shù)�(jù)記錄�。在圖像通過捕捉器的同時(shí),兩類圖像幾乎實(shí)�(shí)顯示在監(jiān)視器��1�(tái)�(jiān)視器直接顯示焦面陣列的圖�,另1�(tái)顯示空間維數(shù)和其它光�。第1�(tái)�(jiān)示器用于顯示每一焦面陣列的狀�(tài)。第2�(tái)�(jiān)視器以假彩色顯示每�(gè)光譜儀所選的3�(gè)譜段暫時(shí)的抽樣圖��.
  �2�(tái)�(jiān)示器提供景物的兩�(一幅vnir,一幅swir)、二維、假彩色圖像。操作者看著這臺(tái)�(jiān)視器,就可以確認(rèn)景物特�,并可以保證在飛行中獲得適當(dāng)?shù)膱D像�
  該儀器通過微電腦和trwis-3控制線路微處理器之間的接口mil-std-1553b�(duì)儀器�(jìn)行控制。這�(gè)接口用于裝定swir增益、補(bǔ)償量和積分時(shí)間以及根�(jù)逐口的原則裝定vnir�(bǔ)償量。它也用于波段選�,用于控制從儀器向總數(shù)�(jù)存儲(chǔ)器傳輸數(shù)�(jù)的開始與停止。通過這�(gè)接口,將�(duì)swir和vnir焦面陣列的溫度遙�(cè)�(jié)果記錄在微機(jī)的硬盤上�
  高速數(shù)�(jù)記錄器的�(nèi)存為16gb,能存儲(chǔ)大約80000幅照片的�(shù)�(jù)(包括所有光譜通道)。這相�(dāng)于在幀�(60hz)�(shí)22分鐘或幀�(15hz)�(shí)88分鐘所收集的數(shù)�(jù)�。在分辨率為10m�(shí),一次飛行可以存�(chǔ)2000多平方千米區(qū)域的�(shù)�(jù)。高速記錄器存滿�(shù)�(jù)�(shí),該批數(shù)�(jù)將被下載到一�(gè)可拆卸的、容量為20gb的數(shù)字線性磁帶機(jī)中存�。在下載過程中,影像�(shù)�(jù)和導(dǎo)航數(shù)�(jù)被同步結(jié)合起來下載之�,數(shù)�(jù)被存檔在trw’sdominguezhills�(shù)�(jù)中心?,F(xiàn)正在研制一�(gè)自動(dòng)軟件�,用于將�(shù)�(jù)處理成空間尺寸為256×420像素�384�(gè)光譜色的立體�。在將圖像轉(zhuǎn)換成與研究系�(tǒng)公司研制的圖像處理軟件包相容的格式envitm的同�(shí),該自動(dòng)軟件包還能�(jìn)行輻射校�、地球定位和校正以及圖像�(zhì)量評(píng)定。通過cdrom分配處理過的圖像,每�(gè)cd最多能存儲(chǔ)6幅立體圖像�

�(dǎo)�

  �(jī)載導(dǎo)航設(shè)備包括差分gps接收器和慣性敏感器。gps為微�(jī)提供�(shí)間和位置�(shù)�(jù)(地球中心為心的固定坐�(biāo)),微�(jī)將數(shù)�(jù)記錄在硬盤上。這些�(shù)�(jù)�1hz的速率更新并以60hz的速率�(nèi)�。為便于�(dǎo)航數(shù)�(jù)與圖像同步,將gps來的一�(gè)硬標(biāo)志以1hz的速率插入圖像�(shù)�(jù)�。當(dāng)可得到差分信�(hào)�(shí),gps和慣性敏感器�(jié)合將提供精度小于10m的位置信��
  慣性敏感器提供�3�(gè)旋轉(zhuǎn)軸的指向精度小于100μrad。這�(gè)敏感器的信號(hào)與提供給vnir和swir相機(jī)的幀同步信號(hào)同步。這�(gè)�(shù)�(jù)�(shí)�(shí)與gps�(shù)�(jù)�(jié)合且記錄在微�(jī)上的�(dǎo)航文件中,形成的�(dǎo)航文件含有與圖像的每條線相關(guān)�(lián)的數(shù)�(jù)�。每�(gè)塊包括慣性敏感器�6�(gè)軸數(shù)�(jù)(3�(gè)旋轉(zhuǎn)速度�3�(gè)直線加速度)�1�(gè)�(shí)間標(biāo)�、慣性敏感器溫度(用于漂移�(bǔ)�)�3�(gè)位置坐標(biāo)。在下載到數(shù)字線性磁帶存檔的同時(shí),用卡爾曼濾波將�(dǎo)航數(shù)�(jù)平滑�

儀器和�(biāo)�

  trwis-3的測(cè)試和定標(biāo)過程將能夠核�(shí)該型�(hào)敏感器的性能。使用飛行時(shí)定標(biāo)用的光源�(jìn)行飛行前的測(cè)�、定�(biāo)及定�(biāo)更新。使用專門研制的trw多光譜檢�(cè)試驗(yàn)�(tái)(mstb)�(jìn)行起飛前的測(cè)試和定標(biāo)。mstb能為trwis-3的光譜儀提供�(wěn)定的、均勻的、已知光譜輻射的光譜-空間的靈活光�。這�(gè)光源用于表征和定�(biāo)�(cè)�,包括最終校�(zhǔn)、單色mtf、偏振敏感度、信噪比、線性度、動(dòng)�(tài)范圍、光譜范圍、光譜波段純�、光譜配�(zhǔn)�(cè)�、光譜定�(biāo)和輻射測(cè)量定�(biāo)
  trwis-3的定�(biāo)方法是:先觀察mstb�(duì)儀器�(jìn)行光譜輻射定�(biāo),然后將儀器轉(zhuǎn)到定�(biāo)光源來觀察飛行光�。兩�(gè)光源(一�(gè)用于vnir光譜儀,另一�(gè)用于swir光譜儀)包括一�(gè)安裝在黑色不漏光裝置上的石英鹵鎢燈。該裝置裝在平動(dòng)�(tái)�,可以根�(jù)指令將燈放在入射光孔徑處�(jìn)行定�(biāo),這樣能在飛行定標(biāo)中測(cè)量整�(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光通量和焦面陣列的響應(yīng)。這�(gè)光源能在trwis-3的入射孔徑處提供寬帶輻射,在儀器使用的幾�(gè)月中,這�(gè)輻射的重�(fù)誤差�2%。關(guān)閉燈�(shí),定�(biāo)光源提供了一�(gè)零輻射參考以消除由于儀器零�(diǎn)漂移所�(chǎn)生的誤差
  在飛行之前和之后,直接用定標(biāo)光源�(duì)儀器�(jìn)行零�(diǎn)�(cè)量以完成定標(biāo)。在這種模式�,定�(biāo)光源覆蓋儀器孔徑,而定�(biāo)光源燈關(guān)�。當(dāng)?shù)玫搅泓c(diǎn)�(shù)�(jù)�,打開每�(gè)燈且�(duì)�(zhǔn)所選的兩組�(diǎn)�30�。注意,這種定標(biāo)技�(shù)提供了可重復(fù)的定�(biāo)整�(gè)trwis-3光學(xué)系統(tǒng)的方��

�(jié)束語(yǔ)

  �(jù)trw的技�(shù)人員介紹,trwis-3是在該公司多種成像光譜儀的基�(chǔ)上多次改�(jìn)而成�。工程樣�(jī)已作過初步試�(yàn),結(jié)果表明這種具有384�(gè)連續(xù)波段的超光譜成像儀有極�(qiáng)的目�(biāo)鑒別能力,它所獲得的高光譜分辨�(典型值在5nm�10nm范圍�(nèi))�(shù)�(jù)使人們利用光譜特征能搜索背景與目�(biāo)在光譜特征上的細(xì)微差�。顯然,這對(duì)遙感�(yīng)�(例如地質(zhì)定型和測(cè)�、農(nóng)�(yè)管理與優(yōu)化、環(huán)境破壞評(píng)估和森林觀�(cè)�)和軍事應(yīng)�(�(shí)別偽�、分辨敵�、目�(biāo)定類和地雷探�(cè)�)來講,這種�(qiáng)大的分辨能力是非常重要的。所�,該儀器具有很高的�(yīng)用價(jià)值和極廣的發(fā)展前�!

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