纳型卫星高光谱遥感系统一基于空间线性可变滤波器的成像光谱仪(SVFIS)

纳型卫星高光谱遥感系统一基于空间线性可变滤波器的成像光谱仪(SVFIS)
摘要：基于空间线性可变滤波器的成像光谱仪SVFIS是为纳型卫星设计的高光谱遥感系统，它的最大优点 是结构简单，因而机械稳定性和热稳定性非常高，特别适合在航天环境下使用。本文简要介绍了航天高光谱遥感 和成像光谱仪，重点介绍SVFIS的系统结构并阐明它的工作原理。SVFIS的数据具有冗余性和延时性的特点，虽 然有它不利的一面，但其影响程度依赖于系统设计。由于SVFIS数据中包含着地势起伏、目标运动和平台姿态变 化的信息，为研究这些信息，我们对像面进行了特殊的设计，这是SVFIS的另一显著特点。

0 引言 地球表面大多数自然物质在0．4 ～2．4 反射 窗口都有可判断的吸收特征，其吸收带宽为20～40 nm，甚至更小。因此，用足够高的分辨率对光谱进行 采样，就有可能直接识别对反射光谱有明显吸收特 征的地表物质。由于典型的特征吸收谱带都很窄，多 光谱传感器探测不到，而高光谱系统和超光谱系统 却能以足够高的光谱分辨率区分出具有诊断性光谱 特征的地表物质来。 20世纪80年代建立的成像光谱技术，能够在 紫外、可见光、近红外和中红外区域，获得大量窄波 段连续光谱的图像数据。成像光谱仪为每个像元提 供数十到数百个窄波段(通常波段宽度< 10 nm)的 光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。或者 说，成像光谱仪能够将视场中观测到的各种地物以 完整的光谱曲线记录下来，将二维空间信息表示的 点沿光谱轴延伸，从而构建了一个三维的数据立方 体，这个数据立方体中包含着丰富的信息，能用于多 学科的研究和应用。成像光谱技术是目前实现高光 谱到超光谱遥感的主要手段。 投入航天应用的成像光谱仪主要是色散型和干 涉型的L1]，它们的光学系统基本相同，主要包括五个 部分：前置望远镜、入射狭缝、分光元件(棱镜、光栅 或干涉仪)、收集镜和探测器。基于空间线性可变滤 波器的成像光谱仪(SVFIS)是我们在楔形滤波器成 像光谱仪(WlS) ]的启发下提出来的。SVFIS在设 计上非常简单，只是对CMOS APD相机的像面进 行了一些改造(改造方法在工艺上是可行的)，而几 乎没有增加相机的体积和重量。相对于传统的色散 型和干涉型成像光谱仪来说，SVFIS的最大优点是 结构简单，因而机械稳定性和热稳定性非常高，特别 适合在航天环境下使用。

1 SVFIS系统结构
1．1 卫星平台的主要参数 SVFIS是为纳型卫星设计的高光谱遥感系统。 纳型卫星的重量通常在10公斤左右，是体积非常 小、功能密度非常高的系统，因此，一般要求有效载 荷有较高的集成度。 假设SVFIS的纳星平台的轨道高度为：H 一 800 km；绕地球飞行的速度约为： 一√ 一 √V 6370×10睾0+ 800×100 一⋯4 s km／s
1．2 图像传感器 考虑到相机的体积和功耗，图像传感器采用了 CMOS APD 微型相机。 镜头焦距为：厂一70 mm，孔径为：D一2O mm，F 数为3．5；CMOS探测器的像元尺寸为：5。一10 m ×10 m，像元数为：N。一1024×1024，光谱响应范 围为： 一0．4～1．1 m。因此成像光谱仪的空间分 辨率(用GSD，Ground Strip Distance表示)为：GSD ^ ， 一÷H≈114．3 m，视场角：2tan 一 ，2 一8。，视 j J 场为：W 一(N *GSD)。一117 km×117 km。 1．3 空间线性可变滤波器(SVF) 将CMOS探测器平分为两个区域，如图1，其 中第1～512行作为图像探测区，第513～1024行作 为光谱探测区。光谱探测区由两个滤波器组成，分别 响应在可见光波段和近红外波段。滤波器是由线性 可变干涉滤光片直接耦合在探测器的光敏面上构成 的，我们称之为空间线性可变滤波器(SVF)。 Im~ er Fl F’2 图1 探测器表面结构 线性可变干涉滤光片是美国OCLI公司的专利 产品Ⅲ ，如图2，随着膜层厚度沿长度方向线性变 化，干涉滤光膜的透射波长也在沿长度方向上线性 变化，使得探测器的不同行成为不同波长的光谱通 道。根据所选滤光片的参数，得到SVFIS的光谱特 图2 线性可变干涉滤波片 thlcknesss~ 性如表1。 表1 SVFIS光谱特性

2 SVFIS的工作原理 假设探测器扫描一帧图像的时间为T，当它开 始扫描下一帧图像时，卫星正好飞过一个GSD，则 探测器的帧扫描时间应为T-G 弋 b —厂 D 一15．34 ms。 如图3，建立一个高光谱数据立方体的原理如 下：
(1)假设卫星在S。位置时，对应地面视场中的 一半景物O。成像在探测器的图像区I，而另一半 景物O 的辐射则被探测器的光谱区F所采集。当 卫星飞行到S 位置时，星下点正好穿过了O。，这期 间S。位置星下点对应的GSD依次经历了F中的所 有光谱通道，从而得到这个GSD 中1024个目标元 的光谱图；同时，F中的入 通道也依次扫描了O。中 的所有GSD，从而得到了O。在入 下的单色图。显 然，这时O 的所有GSD 已被F中的每一光谱通道 所扫描，这样就得到了O 中每一目标元的光谱图 和它在每一光谱通道下的单色图。 f； ／ | ／ ＼pmjecte(1 p J 士／ ． 一 l 一。 — — Ol 图3 SVFIS的工作原理
(2)当卫星飞行到S。位置时，o。中的每一GSD 均经历了F的所有光谱通道，而F的每一通道也扫 描了Oz的所有GSD，因而也得到了O。中每一目标 元的光谱图和它在每一光谱通道下的单色图。这样， 当卫星平台飞过整个视场时就建立了一幅景物的高 光谱数据立方体，如图4所示。 y 图4 高光谱数据立方体

3 SVFIS高光谱数据特点 由图3不难看出，建立一个数据立方体需要的 时间是NT=15．7 S。这种延时性在一定程度上会影 响系统的功能，因为非实时的数据采集不利于观测 物理性质或化学性质快速变化的目标。由于延时的 大小依赖于系统的帧频，因此对于特定的应用，可以 通过适当的电路设计使延时的影响忽略不计。 一帧图像(Ⅳ ×Ⅳ)，除第1行外，其余第2～ Ⅳ 行是前一幅图像的第1～Ⅳ 一1行的重复，因此包含 了大量的冗余信息。大量冗余信息的存在会降低数 据存储和处理的效率，对此常常需要用一些统计工 具和压缩算法对数据进行裁剪和压缩。 冗余性和延时性是SVFIS高光谱数据的显著 特点。虽然这个特点有它不利的一面，但也给系统 带来了传统成像光谱仪所不具有的功能。因为在这 些非实时性，大量冗余的数据中，包含着有关目标高 度、速度和飞行平台姿态变化的信息 ]。在SVFIS 方案中，我们将探测器分为图象区和光谱区，一个重 要的原因就是要利用图像区的冗余数据来判断地势 的起伏、目标的运动速度和平台的姿态变化，并修正 由于这些因素引起的光谱区的测量误差。

4 总结 SVFIS是专为纳型卫星设计的高光谱遥感系 统，具有体积小、重量轻、结构紧凑的特点。相对于目 前应用最多的色散型和干涉型成像光谱仪来说，基 于SVF的方案降低了航天遥感器热设计的难度，提 高了系统的稳定性。 SVFIS高光谱图像数据具有延时性和冗余性 的特点，虽然有它不利的一面，但其影响程度依赖于 系统设计。此外，SVFIS数据中还包含着地势起伏、 目标运动和平台姿态变化的信息。SVFIS图像区的 数据，为研究这些信息提供了重要参考。对像面进行 分区，同时接收不同的信息，是SVFIS的另一个特 点。