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超光譜成像儀
閱讀�4050時間�2018-06-28 09:44:56

美國著名的trw公司研制的超光譜成像儀代號為trwis-3,它是該公司的一種成像光譜儀。由于trwis-3的波段范圍很寬,�0.4μm�2.5μm,具�384個連續(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��

簡介

  由于軍事和國民經(jīng)濟的需�,近年來空間(對地)光學(xué)遙感技�(shù)取得迅猛地發(fā)展,各種各樣的光�(xué)遙感器應(yīng)運而生,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�。這個方法以前、現(xiàn)在和將來仍然是識別物�(zhì)的非常重要的手段,但它不總是高效率的。例�,對海水中葉綠素濃度的測量單靠形�(tài)�(xué)的特�,其測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)決不會有完全相同的光譜特性曲線。反�,任何一種物�(zhì)也決不會有兩種不同的光譜特性曲線。也就是說物�(zhì)的光譜特性曲線是�。于�,人們把光譜分辨率和空間分辨率結(jié)合起來,便具有了更高的探測和識別物質(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)可以識別和區(qū)分地面物�(zhì),但在工程實施上其光譜“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。顯然波段越窄對物質(zhì)的分辨能力越��
  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實現(xiàn)光譜圖線的整體��
  上述3條基本要求是相對的以任務(wù)需求而定�,但對trwis-3來講,�3頂指�(biāo)均已�(dá)到很高的水平�
  trw公司�,他們設(shè)計trwis-3的目的有兩個:,作為研究分類的儀�,使它能夠在400nm�2500nm的波長范圍內(nèi)建立精確的超光譜�(shù)�(jù)�;第�,作為研制實用型超光譜儀器的件商�。它是一臺高性能儀�,除極高的信噪比(snr)和所有的光譜通道能同時工作外,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)多個平臺使用�

系統(tǒng)�(shè)�

  trwis-3包括一個含有一對視軸相互平行的光柵光譜儀的傳感器和兩個電氣盒??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。每個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)。通過狹縫的光被一個平面光柵在狹縫垂直的方向�(jìn)行色�,然后成像在一個兩維焦平面陣列�。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焦面陣列(fpa’s)所收集的空�/光譜信息,就可以�(chǎn)生一�2維的每個像素有384個譜段的空間影像。對vnir光譜儀,波段寬5nm;對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
  瞬時視場/mrad0.9
  全視�/(°)13.1(256橫向像素)
  光譜通道�(shù)384
  波長范圍/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%(隔兩個通道)�<2%(隔三個通道或更�(yuǎn))
  橫跡光譜誤差/nm<1.0(vnir)�<1.3
  光譜通道的空間配�(zhǔn)小于瞬時視場�20%
  幀速率/hz15�30�60
  位置/m<5(�(dāng)可得到差分信號時)
  指向/μrad<100(滾動、傾斜和偏航)
  輻射測量精度<5%(1σ)
  光譜�(biāo)定精�/nm<1.0
  像素-像素相對定標(biāo)<2%
  量化/bit12
  �(shù)�(jù)存儲能量/gb16
  trwis-3的整套設(shè)備包括飛行時對vnir和swir光譜儀�(jìn)行定�(biāo)的定�(biāo)�(ifcs)、星載“全球定位系�(tǒng)�(gps)、用于確定指向慣性、儀器控制和高速數(shù)�(jù)存儲器以及微�(一�)�

�-機設(shè)�

  vnir和swir光譜儀在光�(xué)�(jié)�(gòu)上是相似的。它們都有多個零件的折射式前置光�(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。通過狹縫的光被一個離軸非球面零件反射到一個平面閃耀光柵�,光被光柵色�。從光柵反射的光被第二個離軸非球面零件反射并成像到焦面陣列�(fpa)。為使視場畸變最�,在狹縫后和焦面陣列前各放了一個折射式校正透鏡。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�。為了消除級次重�,將一個級次選擇濾光片直接放在每個焦面陣列的前面�
  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�,每次安裝都用環(huán)氧樹脂固定住或銷子銷住,形成一個非常牢固的部件。為減小儀器對溫度變化的敏感�,將支架連接到用銦鋼制的公用基板�。一個罩子連到基板上使光學(xué)系統(tǒng)與外面環(huán)境密封隔離起來。為使雜光的影響最�,所有支架和�(nèi)部表面被漆成黑色�
  每個焦面陣列的模擬信號處理�(asp)電子�(xué)線路安裝在罩子的外面。對swir光譜儀,用于冷卻焦面陣列的壓縮機安裝在基板的外靀慣性傳感器安裝在vnir光譜儀�(nèi)的基板上。一旦裝�、定位和定標(biāo)完畢,通過墊片將兩臺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的視場匹��

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是一個以分幅�(jié)�(gòu)�(gòu)成的三相器件,在分幅傳送過程中要使拖影最�?;鞠袼爻叽�?0μm,像幅是768×384像素。該裝置�4個輸出口,每個口讀出一個器件的像限。一旦讀出的像素�(shù)�3×3,將得到充滿60μm像素的一�256×128的像面陣�。包裝箱蓋上裝有一個級次選擇濾光片。ccd的封裝后面裝有一塊線路板,該板上裝有前置放大、高速時鐘驅(qū)動電�,該板還為陣列提供各種偏置電�。通過一根電纜將線路板連接到vnir的模擬信號處理器
  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管陣列和cmos多路�(diào)制器。陣列幅面是�60μm2�256×256個像�。正常的工作溫度�115k。陣列被裝在一個杜瓦瓶上并被一個斯特林致冷器致��
  通過4個端口收集swir陣列的信號。探測器陣列上的每個像素耦合到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個輸出緩沖器中的1�。多路混合器裝在陶瓷基片上,該混合器旁通環(huán)路可將輸出到電纜的信號蹤跡去掉,此電纜連接swir的模擬信號組�。陶瓷基片裝在杜瓦瓶�(nèi)的冷指端�。緊接著這個陣列的前面是一個場�,場鏡的第二平面上鍍有級次選擇濾光膜。用一個冷屏包圍場鏡和陣列表面,目的是限制探測器的視場以使熱背景最��

電子線路

  trwis-3的電子線路用來控制vnir和swir相機,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�。通過各自的模擬信號處理器,trwis控制線路(tce)控制每臺相機以及兩個焦面陣列的同步。模擬信號處理器接收焦面陣列的像元數(shù)�(jù)、提供總增益和補償量,提供對swir焦面陣列積分時間的調(diào)�,提供對vnir焦面陣列的補償量�(diào)�,并且以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,每個相機的一幅照片就在那里被緩沖。在送到高速數(shù)�(jù)記錄器存儲之�,緩沖器將各個口來的相機�(shù)�(jù)�(jìn)行組織整理。緩沖器還提供波段選�,使之能夠除�384個波段中的任何幾個以使多余數(shù)�(jù)最��
  通過一個畫幅捕捉器將圖像數(shù)�(jù)寫入高速數(shù)�(jù)記錄�。在圖像通過捕捉器的同時,兩類圖像幾乎實時顯示在�(jiān)視器上�1臺監(jiān)視器直接顯示焦面陣列的圖�,另1臺顯示空間維�(shù)和其它光譜。第1臺監(jiān)示器用于顯示每一焦面陣列的狀�(tài)。第2臺監(jiān)視器以假彩色顯示每個光譜儀所選的3個譜段暫時的抽樣圖像�.
  �2臺監(jiān)示器提供景物的兩�(一幅vnir,一幅swir)、二�、假彩色圖像。操作者看著這臺�(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��
  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對儀器�(jìn)行控�。這個接口用于裝定swir增益、補償量和積分時間以及根�(jù)逐口的原則裝定vnir補償�。它也用于波段選擇,用于控制從儀器向總數(shù)�(jù)存儲器傳輸數(shù)�(jù)的開始與停止。通過這個接口,將對swir和vnir焦面陣列的溫度遙測結(jié)果記錄在微機的硬盤上�
  高速數(shù)�(jù)記錄器的�(nèi)存為16gb,能存儲大約80000幅照片的�(shù)�(jù)(包括所有光譜通道)。這相�(dāng)于在幀�(60hz)�22分鐘或幀�(15hz)�88分鐘所收集的數(shù)�(jù)量。在分辨率為10m�,一次飛行可以存�2000多平方千米區(qū)域的�(shù)�(jù)。高速記錄器存滿�(shù)�(jù)�,該批數(shù)�(jù)將被下載到一個可拆卸�、容量為20gb的數(shù)字線性磁帶機中存�。在下載過程�,影像數(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。現(xiàn)正在研制一個自動軟件包,用于將�(shù)�(jù)處理成空間尺寸為256×420像素�384個光譜色的立體像。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�,該自動軟件包還能�(jìn)行輻射校正、地球定位和校正以及圖像�(zhì)量評�。通過cdrom分配處理過的圖像,每個cd最多能存儲6幅立體圖��

�(dǎo)�

  機載�(dǎo)航設(shè)備包括差分gps接收器和慣性敏感器。gps為微機提供時間和位置�(shù)�(jù)(地球中心為心的固定坐�(biāo)),微機將�(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�,將gps來的一個硬�(biāo)志以1hz的速率插入圖像�(shù)�(jù)�。當(dāng)可得到差分信號時,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個旋�(zhuǎn)軸的指向精度小于100μrad。這個敏感器的信號與提供給vnir和swir相機的幀同步信號同步。這個數(shù)�(jù)實時與gps�(shù)�(jù)�(jié)合且記錄在微機上的導(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)塊。每個塊包括慣性敏感器�6個軸�(shù)�(jù)(3個旋�(zhuǎn)速度�3個直線加速度)�1個時間標(biāo)�、慣性敏感器溫度(用于漂移補償)�3個位置坐�(biāo)。在下載到數(shù)字線性磁帶存檔的同時,用卡爾曼濾波將�(dǎo)航數(shù)�(jù)平滑�

儀器和�(biāo)�

  trwis-3的測試和定標(biāo)過程將能夠核實該型號敏感器的性能。使用飛行時定標(biāo)用的光源�(jìn)行飛行前的測�、定�(biāo)及定�(biāo)更新。使用專門研制的trw多光譜檢測試驗臺(mstb)�(jìn)行起飛前的測試和定標(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�。這個光源用于表征和定標(biāo)測量,包括最終校�(zhǔn)、單色mtf、偏振敏感度、信噪比、線性度、動�(tài)范圍、光譜范�、光譜波段純度、光譜配�(zhǔn)測量、光譜定�(biāo)和輻射測量定�(biāo)
  trwis-3的定�(biāo)方法是:先觀察mstb對儀器�(jìn)行光譜輻射定�(biāo),然后將儀器轉(zhuǎn)到定�(biāo)光源來觀察飛行光源。兩個光�(一個用于vnir光譜儀,另一個用于swir光譜儀)包括一個安裝在黑色不漏光裝置上的石英鹵鎢燈。該裝置裝在平動臺上,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)中測量整個光�(xué)系統(tǒng)的光通量和焦面陣列的響應(yīng)。這個光源能在trwis-3的入射孔徑處提供寬帶輻射,在儀器使用的幾個月中,這個輻射的重復(fù)誤差�2%。關(guān)閉燈時,定標(biāo)光源提供了一個零輻射參考以消除由于儀器零點漂移所�(chǎn)生的誤差
  在飛行之前和之后,直接用定標(biāo)光源對儀器�(jìn)行零點測量以完成定標(biāo)。在這種模式下,定標(biāo)光源覆蓋儀器孔�,而定�(biāo)光源燈關(guān)閉。當(dāng)?shù)玫搅泓c�(shù)�(jù)�,打開每個燈且對�(zhǔn)所選的兩組點各30�。注�,這種定標(biāo)技�(shù)提供了可重復(fù)的定�(biāo)整個trwis-3光學(xué)系統(tǒng)的方��

�(jié)束語

  �(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�。工程樣機已作過初步試驗,結(jié)果表明這種具有384個連續(xù)波段的超光譜成像儀有極強的目標(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,這對遙感�(yīng)�(例如地質(zhì)定型和測量、農(nóng)�(yè)管理與優(yōu)�、環(huán)境破壞評估和森林觀測等)和軍事應(yīng)�(識別偽裝、分辨敵�、目�(biāo)定類和地雷探測等)來講,這種強大的分辨能力是非常重要�。所�,該儀器具有很高的�(yīng)用價值和極廣的發(fā)展前�!

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