航天超光谱成像仪原理分析

航天超光谱成像仪原理分析
摘要介绍了国内外航天超光谱成像仪的研制概况，主要分析介绍了光栅型超光谱成像仪和干涉型超 光谱成像仪的原理，并指出了需要进一步研讨的问题。

1 前言
超光谱成像仪(Hyper—Spectnzn Imc’tger)是国际 上一种新型的航天遥感器，它以精细光谱分辨能力 (优于5 nn1)获取地表图像，对于探测地表构成及其 变化具有特殊的识别能力。很多谱段数目的组合应 用可以为不同需求用户提供大量的遥感图像产品。 航天超光谱成像仪主要用于水体污染管理、城 市规划、土地分类利用、土地沙化、植被分类和测绘、 农业估产、病虫害分析、干旱分析、洪涝分析、火灾分 析、地质分析、矿产调查、海岸带和海洋生态研究、大 收稿日期：2001—09—01 气探测等。它对自然灾害、环境污染、危及人类的危 险事故等的预报、发生、评估等将起着重要作用。 目前，国际上航天超光谱成像仪的种类较多，按 照分光方式的不同可以分成光栅型、干涉型、楔型滤 光片型、棱镜型等超光谱成像仪。这些分光方法都 可以获得目标的精细光谱图像，但无论哪种分光方 式在工程上都存在较明显的缺陷。 中国从20世纪8O年代开始，跟踪了国外多种 可供星载成像仪使用的先进分光技术和专用面阵 CCD器件成像技术。迄今为止，光栅型超光谱成像 仪和干涉型超光谱成像仪相对成熟，在理论上、工程 研制上取得了较大进展，可能成为未来中国遥感卫 星的新型光学有效载荷之一。 文章将就这两种航天超光谱成像仪的原理进行 分析与评述，为中国选择第一台民用星载超光谱成 像仪提供参考。

2 国外航天超光谱成像仪的发展
20世纪7O年代初，国外开始发展机载光栅型 超光谱成像仪，通过20多年的努力，其工程化研制 技术日趋成熟。在1997年8月发射的Lewis卫星上 就载有1台TRW公司研制的TRWISⅢ 光栅型超光 谱成像仪，但因发射失败卫星未能人轨工作。 国外对星载干涉成像光谱技术的研究最早是从 2O世纪8o年代中后期开始的。当时大多采用基于 迈克尔逊干涉仪的动镜扫描干涉型超光谱成像仪。 2O世纪8o年代末9o年代初，随着面阵探测器 阵列制造技术的不断提高，国外不少机构开始研究 无动镜干涉成像光谱技术，如美国的喷气推进实验 室(肌)、美国空军PHnJ,~ 实验室、夏威夷大学、 佛罗里达工学院、华盛顿大学、密执安大学等，还有 法国空间局，欧洲空间局以及加拿大、日本等国家的 一些单位。 美国NASA研制了数字阵列扫描干涉型超光谱 成像仪DASI，有关文章最早于1993年发表。DASI波 段范围是O．4～1．0 和1．1～2．2 ，光谱分辨率为 300咖_1(对应可见光／近红外波段的谱段数5o个，短 波红外可分辨谱段数约为15个)，视场角5。，体积400 r姗×150 ITnTI×100 r舯。在地面进行了多次不同谱段 的测量实验，结果表明DASI具有很多优点，非常适合 遥感使用。1994年DASI进行了机载试验，获得了农 田的多光谱图像。法国国家空间研究中心在1987年 提出一种无动镜干涉成像光谱系统ISIS，光谱范围 0．45～1．0 ，探测器为144×208元面阵。1995年 Kes缸d公司与佛罗里达工学院等单位合作，在美国空 军支持下，对前期研制的空间调制干涉型成像仪 SM~IS进行改进提高，研制了机载傅里叶变换超光 谱成像仪ITfI~I，光谱范围O．44～1．1脚，波段数 2．56，视场角为0．26 rad，瞬时视场角为0．8 mrad，采用 了1024×1024元面阵CCD器件，两行两列相加为一 行一列(bim 模式)。~NI-tSI的成功使用，使此类 干涉型超光谱成像仪受到了国际的关注。2001)年7 月19日美国在加州范登堡空军基地发射了“强力小 卫星(Migh哆sat)”，其主要有效载荷是一台傅里叶变换 超光谱成像仪嗍，也就是一台星载干涉型超光谱 成像仪。表1给出了一些国家研制的部分超光谱成 像仪的一些参数。 表1 部分国外航天超光谱成像仪及其主要技术参数 仪器名称 A P】硼 HsI FIHsI HY1 盈ION COIS／PIC 国家／机构 澳大利亚 欧空局 美国 美国 美国 美国 谱段 VNm O．4～1．1 0．45～0．95 O．4～1．O 0．47～1．cl5 O．4～1．O O．4～1．O ／pm SWm 2 ． O～2．5 O．9～2．5 1．O～2．5 O．9～2．5 1．O～2．5 通道 VN】吸 32 6o(190) l28 15o 60 数目 22O S咖 32 140 256 15o 空间分 VN】吸 30 5O 30 28 30 30 辨率／m S咖 30 5O 30 30 30 光谱分 VN】吸 21．9 10(3) 5～6 g6(~m～ ) lO 辨率／ lO rim SWⅢ 15．7 lO 5．8 lO 刈宽／km 15 50 7．68 15 7．5 30 分光 无 P】 SM 光栅 逆傅立叶 凸型 光栅 滤光片 变换 光栅 VN】吸 ≥ 6OO 30 ～ 974 ≥ 6OO ≥ 6OO 信噪比 @0．6 ttm @0．6岫 @0．6啪 >2oo t>400 ≥ 6OO ≥ 6OO S呱 @2 19～132=2 ． 1岫 @ 1．25 姗 @ 1．225 Ⅱm 轨道高度／kin 50o 丁72 523 55O 705 605 瞬时视场／mrad 0．06 0．065 0．Q57 0． 0．O43 0． 质量 23 20 61

3 中国航天超光谱成像仪研制现状
中国目前研制的星载超光谱成像仪仅限于光栅 型超光谱成像仪和干涉型超光谱成像仪。 光栅型超光谱仪用光栅作为分光部件，能得到 较均匀分布的不同光谱的动态推扫图像。中国目前 已经掌握了光栅对光谱精细分光的技术，研制了原 理样机，在分光设计、焦面驱动、信号处理、定标、数 据编码等技术上都取得了突破性进展。至2000年 已研制出了机载64波段超光谱成像仪(MAIS)，并 进行了校飞，对不同的地物目标进行了实际拍摄，获 得了大量一手数据，并被邀请到日本、澳大利亚等国 家进行技术交流和实地拍摄，同时，还开始了128波 段超光谱成像仪(Oh虹s)的研制工作。已成功研制 了244谱段超光谱成像仪PHI，该仪器已在新疆塔 里木盆地、广西北海、江西鄱阳湖以及江苏常州地区 进行了多次航空飞行试验，取得了较好的图像和应 用效果。当然，对中国即将研制发射的亚太地区空 间技术与应用多边合作小卫星(s )上将使用的 超光谱成像仪，现有技术还需要作较大改进，如：光 栅的研制、信号处理电路、星载定标灯技术等。下表 给出中国目前机载光栅型超光谱成像仪的主要技术 指标(见表2)。 为研制实用型超光谱分辨率成像光谱仪，探索 了面阵探测器的应用方法和特点，掌握了系统设计 的关键技术打下了坚实的基础。 表2 中国机载光栅型超光谱成像仪的主要技术指标 光谱范围 400～850砌 波段数 244 光谱间隔 1．8砌 光谱分辨率 <5 hill 总视场 21。 空间采样元数 376 pixels／line 空间分辨率 1 mrad 量化等级 12 bit 扫描率 60 FI／s 干涉型超光谱成像仪也是中国20世纪9o年代 初期开始发宸的新型成像仪技术。在过去的十几年 中，中国研究完成了干涉型超光谱成像仪的理论研 究和技术研究，完成了原理样机和原型样机的研制， 研制出了具有自主知识产权的横向剪切干涉仪，在 快速光谱反演算法的研究上取得了突破性进展，实 现了外场成像。从理论上讲，干涉型超光谱成像仪 与其它类型的超光谱成像仪相比具有一定的优点， 它可以获得目标反射光的相对的高通量和较高的信 噪比，可以获得较高的空间分辨率 ，具有较小的体积 和质量，节约星上资源，这也是今后星载超光谱成像 仪发展的趋势。但是，干涉型超光谱成像仪目前的 工程化研究还不完善，距离用户提出的实际要求还 有一定差距，有些问题需要在研制中逐步解决。

4 航天超光谱成像仪的原理
4．1 光栅型超光谱仪 光栅型超光谱成像仪的主要组成有光学系统 (包括前置望远镜、准直镜、分光光栅、会聚镜以及相 应的校正镜系统)、指向镜、电子学系统和机械结构 等，系统基本框图见图1。地物信号经前置望远镜 系统汇聚到视场光阑，由视场光阑确定系统的地面 分辨率和消除杂散光，然后经过准直镜照射到光栅， 光栅分色后经会聚镜会聚到探测器件上，探测器件 将光信号转变成模拟电信号，经放大、滤波、A／D转 换得到数字图像信号，最后由格式器送给数传和星 上固态存储器。 昔 指向镜H H 蔷H准直镜 H鼋 }．___{会聚镜H 光栅 星务 控制器H 茎蘑H数传和固 图1 系统基本框图

1)光学系统 在超光谱成像仪中采用闪耀反射光栅分光的办 法。经过分析计算和借鉴TRWIS的成功经验，认为 采用反射和透射混合式光学系统较好。混合式系统 是指物镜采用透射式，而准直镜和成像镜采用反射 式构成的系统。在光学效率和色散方面，反射式系 统均较好，从理论上讲，反射系统几乎不存在色差， 反射率波长的变化也很小，缺点是其像质较透射系统 差，但在仪器中，由于总视场较小，为4．4。，经过精心 设计是可以达到要求的。光学系统如下图2所示： 图2 光栅型超光谱成像仪光路示意图 其中闪耀反射光栅的示意图如： l 入射光 i 图3 闪耀反射光栅示意图 2)结构系统 结构系统的主要设计要求如下： (1)选用刚度高、热变形小的结构材料，以保证 光学系统的稳定性； (2)结构件加工精度要求较高，可以实现高精 度定位； (3)从结构考虑，CCD探测器件具有二维调节 机构，并能锁定； (4)整机装配时采取结构件装配与光学校装配 合进行； (5)进行小型化、轻量化设计，以适应小卫星平 台的需要； (6)对零件进行有效的表面处理，以有利于杂 光控制和热控的需要。 3)电子学系统 电子学系统包括CCD驱动控制电路、信号处理 电路、波段和光谱的选择、编码器电路、中央控制电 路、指向镜控制电路等。原理框图如图4所示。 图4 电子学系统原理框图

4．2 干涉型超光谱成像仪 由于干涉型超光谱仪在CCD器件上成的像是 带有干涉条纹的图像，而不是最终的图像，所以经过 傅立叶变换成像后下传，或将干涉条纹图直接下传。 理论上干涉型超光谱仪的谱分辨率更高，能量较充 足，可以获得较高的SNR，传输带有干涉条纹的图像 比传输最终的图像包含更为丰富的信息。 干涉型超光谱成像仪的光学系统是在一个宽谱 段光学成像系统中加入横向剪切干涉仪实现的。它 有以下几部分组成：前置物镜、横向剪切干涉仪和准 直成像镜组(由富氏透镜和柱面镜组组成)，后面是 信号采集系统和图像处理系统。目标光束首先被前 置物镜会聚于其前置焦面，在焦面处放置视场光阑， 同时消除杂光。光束经光阑后进入横向剪切干涉 仪，视场光阑被沿垂直于光轴的方向剪切成两个虚 光阑，然后进入准直成像镜组。准直成像镜把已经 带有干涉信息的光束成像到最终像面上。其系统组 成如图5所示。 图5 干涉型超光谱成像仪系统组成 图6是横向剪切仪的光路示意图。 图6 横向剪切仪的光路不意图 I)光学系统 干涉型超光谱成像仪光学系统由前置物镜、干 涉仪、准直成像系统组成。在CCD器件上得到正交 的一维干涉条纹和一维空间图像，通过推扫可以得 到另一维空间图像。原理框图如图7所示。 2)电子学系统 电子学系统是为实时获取高帧频的干涉光谱图 像而设计的，它的主要功能是：完成与星务的通讯， 接受各种指令，实现干涉成像光谱图像信息的采集， 并通过星上软件进行实时处理。电子学原理框图和 星上软件处理流程图见图8和图9。 干涉仪 傅氏透镜 图7 干涉型超光谱成像仪光学系统不意图 3)定标系统 干涉型超光谱成像仪的实验室绝对定标装置由 单色积分球、聚光镜、准直镜及微功率计等组成。单 色积分球有标准光源、单色仪、积分球以及聚光镜组 成。为确保定标的准确性，在定标前需对标准光源、 单色仪和微功率计进行标定。由单色积分球出口处 辐射的是均匀、稳定的单色光。通过这套装置将对 干涉型超光谱成像仪进行定标。如图1O所示。 图8 电子学原理框图 干涉图 甘 相位修正 ——— 逆傅里叶 甘 最终图 变 像 换 图9 星上软件处理流程图 标准光

5 需要进一步研讨的问题
SMNS卫星是1颗小卫星，整星质量约为 500 kg，体积为1．2 m×1．2 r／l×0．98 r／l，星上供给有 效载荷的资源较为紧张，所以航天超光谱成像仪还 必须适应卫星的现有条件，有针对性地进行适应性 改进。下面就目前超光谱成像仪上星需进一步研讨 的主要问题进行分析。

5．1 光栅型超光谱成像仪需研讨的问题 光栅型超光谱成像仪的分光原理较为传统，在 工程研制上相对成熟，但目前的水平与上星要求还 有一定的距离： 1)光栅型超光谱成像仪的体积和质量较大，目 前中国较为成熟的机载光栅型超光谱成像仪的体积 太大，外形与SI~IS整星相近。若要上SMMS星，与 机载超光谱成像仪相比，体积要缩小到1／4左右，质 量要小于原来的1／2。 图1O 干涉型超光谱成像仪定标不意图 2)需要解决光谱混叠的问题，在光栅衍射的主 基础上获得较高的信噪比。但相对孔径的增大又受 极大和各级次极大的级数的选择上要适当，否则会 到其它条件的制约。 引起较大的谱段混叠，即所获得的光谱不纯，包含其 5．2 干涉型超光谱成像仪需研讨的主要问题 它谱段的光能量。 干涉型超光谱成像仪在中国已经研制出原理样 3)必须解决像面的弯曲即色散图像的中心和 机，正在准备飞行实验，它的特点是体积小、质量轻， 两端不处于一条直线上而是具有一定弧度的弯曲的 在相同的相对孔径下可以获得较高的光通量，可以 问题。由于CCD器件是面阵的，所以必须采取相应 节约有限的星上资源。但干涉型超光谱成像仪与上 措施，消除焦面的弯曲。 星要求也有相当的距离： 4)提高信噪比的问题，由于分光方式是将入射 1)星上处理的数据量较大，需要中心处理器的 光逐一分光到各谱段，所以各谱段获得的能量较弱， 主频约是5 GHz，或多台并行处理。中国目前星上 一般是提高相对孔径以得到较为充足的能量，在此 的电子技术手段无法实现。所以考虑到工程的可行 性，简化星上设备，可以下传带有干涉条纹的图像。 2)下传的数据量较大，中国目前的数传传输能 力不能满足传输无压缩数据的要求，所以必须进行 数据压缩，压缩比大于4：1。 3)干涉条纹与选择CCD器件列数的问题，为了 获得较好的复原图像，须将干涉条纹取得越细越好， 但付出的代价是数据量的成倍增加，所以需要在数 据量与图像复原程度之间权衡，选择最佳方案。 4)提高信噪比的问题，虽然利用干涉条纹可以 获得相对较高的信噪比，但在相对孔径受限制的前 提下，如何确定能量与信噪比关系的最佳值还须深 入探讨。 5)光学装调的问题，干涉型超光谱成像仪运用 傅立叶光学的理论，须把CCD器件放置在后焦面 上，对这种光学系统的装调工艺还须谨慎对待。电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪

6 结束语 超光谱成像仪是20世纪末发展起来的一种新 型遥感成像仪器，目前在轨运营的为数不多，中国在 光学遥感器领域紧跟世界先进潮流，有针对性地研 究了超光谱成像的理论，并在多个重要研制环节取 得了重大突破，成功地研制了光栅型超光谱成像仪 和干涉型超光谱成像仪，其应用领域远远超出现有 可见光遥感器的范围。尽管目前超光谱成像技术的 水平有限，但距离实际应用已为时不远。中国计划 于2005年发射的SMMS卫星和首颗月球探测器上 将采用超光谱成像遥感技术，这标志着中国航天光 学遥感的发展又向前迈进了一大步。