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超光谱成像仪
阅读:551时间:2018-06-28 09:44:56

美国着名的trw公司研制的超光谱成像仪代号为trwis-3,它是该公司最新的一种成像光谱仪。由于trwis-3的波段范围很宽,从0.4μm到2.5μm,具有384个连续光谱通道,且可见光近红外带宽仅为5nm,短波红外也只有6.25nm,信噪比又很高(几百比1),显然,它不论在军事上还是在民用方面都有极高的应用价值。

简介

  由于军事和国民经济的需要,近年来空间(对地)光学遥感技术取得迅猛地发展,各种各样的光学遥感器应运而生,并且技术性能也飞快的得到提高和完善。成像光谱仪的发展就是其中明显的例子之一。
  常用的“空间分辨率”法是利用物质的形态特征来区分它们。这个方法以前、现在和将来仍然是识别物质的非常重要的手段,但它不总是高效率的。例如,对海水中叶绿素浓度的测量单靠形态学的特征,其测量精度往往是很低的。然而若利用物质光谱特征法来解决,便可得到人们极其满意的结果。
  众所周知,任何两种不同的物质决不会有完全相同的光谱特性曲线。反之,任何一种物质也决不会有两种不同的光谱特性曲线。也就是说物质的光谱特性曲线是唯一的。于是,人们把光谱分辨率和空间分辨率结合起来,便具有了更高的探测和识别物质的能力。因此,成像光谱仪的产生及其飞速发展是显而易见的。
  利用光谱图像数据可以识别和区分地面物质,但在工程实施上其光谱“采样”问题还必须满足下述3条基本要求:
  采样的光谱波段必须窄到足以分辨物质狭窄的特征峰。显然波段越窄对物质的分辨能力越强;
  具有足够数量的光谱波段且各波段尽量相互邻接;
  还应具有一定宽的光谱范围以实现光谱图线的整体性。
  上述3条基本要求是相对的以任务需求而定的,但对trwis-3来讲,这3顶指标均已达到很高的水平。
  trw公司讲,他们设计trwis-3的目的有两个:第一,作为研究分类的仪器,使它能够在400nm~2500nm的波长范围内建立精确的超光谱数据库;第二,作为研制实用型超光谱仪器的第一件商品。它是一台高性能仪器,除极高的信噪比(snr)和所有的光谱通道能同时工作外,其还有gps定位数据,精确的辐射定标可搭载提供高质量的照片。该仪器已接近研制完成,可适应多个平台使用。

系统设计

  trwis-3包括一个含有一对视轴相互平行的光栅光谱仪的传感器和两个电气盒。可见光/近红外(vnir)光谱仪的波段范围是400nm~1000nm,短波红外(swir)光谱仪的波段范围是900nm~2500nm。每个光谱仪都含有一套将景物成像到狭缝的折射式前置光学系统。通过狭缝的光被一个平面光栅在狭缝垂直的方向进行色散,然后成像在一个两维焦平面阵列上。沿狭缝方向的阵列提供空间景物信息,另一方向的阵列(狭缝光沿此阵列方向色散)提供光谱信息。沿垂直狭缝的方向推扫狭缝的像并依次存储焦面阵列(fpa’s)所收集的空间/光谱信息,就可以产生一个2维的每个像素有384个谱段的空间影像。对vnir光谱仪,波段宽5nm;对swir光谱仪,波段宽度6.25nm,trwis-3的主要性能参数列于表1。
  表1trwis-3性能表
  参数性能
  质量(传感器探头)/kg<39
  电源(28v直流)/w<800
  瞬时视场/mrad0.9
  全视场/(°)13.1(256横向像素)
  光谱通道数384
  波长范围/nm400~2500
  光谱波段宽度/nm5(vnir),6.25(swir)
  光谱波段纯度<24%(相邻通道),<3%(隔两个通道),<2%(隔三个通道或更远)
  横迹光谱误差/nm<1.0(vnir),<1.3
  光谱通道的空间配准小于瞬时视场的20%
  帧速率/hz15,30或60
  位置/m<5(当可得到差分信号时)
  指向/μrad<100(滚动、倾斜和偏航)
  绝对辐射测量精度<5%(1σ)
  光谱标定精度/nm<1.0
  像素-像素相对定标<2%
  量化/bit12
  数据存储能量/gb16
  trwis-3的整套设备包括飞行时对vnir和swir光谱仪进行定标的定标源(ifcs)、星载“全球定位系统”(gps)、用于确定指向惯性、仪器控制和高速数据存储器以及微机(一台)。

光-机设计

  vnir和swir光谱仪在光学结构上是相似的。它们都有多个零件的折射式前置光学系统,该光学系统将景物成像在光谱仪的入射狭缝上。通过狭缝的光被一个离轴非球面零件反射到一个平面闪耀光栅上,光被光栅色散。从光栅反射的光被第二个离轴非球面零件反射并成像到焦面阵列上(fpa)。为使视场畸变最小,在狭缝后和焦面阵列前各放了一个折射式校正透镜。如果不校正这种畸变,将导致光谱通道的空间配准超出要求和横迹光谱误差。为了消除级次重叠,将一个级次选择滤光片直接放在每个焦面阵列的前面。
  光学和焦面部件安装在特制的支架上,该支架能进行精确调整校准。当调整校准好之后,每次安装都用环氧树脂固定住或销子销住,形成一个非常牢固的部件。为减小仪器对温度变化的敏感性,将支架连接到用铟钢制的公用基板上。一个罩子连到基板上使光学系统与外面环境密封隔离起来。为使杂光的影响最小,所有支架和内部表面被漆成黑色。
  每个焦面阵列的模拟信号处理器(asp)电子学线路安装在罩子的外面。对swir光谱仪,用于冷却焦面阵列的压缩机安装在基板的外面。惯性传感器安装在vnir光谱仪内的基板上。一旦装配、定位和定标完毕,通过垫片将两台光谱仪连接到基板上且校成视轴平行。swir光谱仪的前置光学系统具有较小的变焦能力以使vnir和swir的视场匹配。

焦面阵列

  vnir光谱仪的焦面组件用的是仙童公司制造的硅ccd成像传感器。ccd是一个以分幅结构构成的三相器件,在分幅传送过程中要使拖影最小。基本像素尺寸是20μm,像幅是768×384像素。该装置有4个输出口,每个口读出一个器件的像限。一旦读出的像素数为3×3,将得到充满60μm像素的一幅256×128的像面阵列。包装箱盖上装有一个级次选择滤光片。ccd的封装后面装有一块线路板,该板上装有前置放大、高速时钟驱动电路,该板还为阵列提供各种偏置电压。通过一根电缆将线路板连接到vnir的模拟信号处理器
  swis光谱仪的焦面是常用的洛克威尔公司制造的碲镉汞光二级管阵列和cmos多路调制器。阵列幅面是每60μm2有256×256个像素。正常的工作温度是115k。阵列被装在一个杜瓦瓶上并被一个斯特林致冷器致冷。
  通过4个端口收集swir阵列的信号。探测器阵列上的每个像素耦合到cmos倍增器上相应的容性阻抗传输放大器(ctia)上加以放大,然后通过开关fets连到装置中4个输出缓冲器中的1个。多路混合器装在陶瓷基片上,该混合器旁通环路可将输出到电缆的信号踪迹去掉,此电缆连接swir的模拟信号组件。陶瓷基片装在杜瓦瓶内的冷指端部。紧接着这个阵列的前面是一个场镜,场镜的第二平面上镀有级次选择滤光膜。用一个冷屏包围场镜和阵列表面,目的是限制探测器的视场以使热背景最小。

电子线路

  trwis-3的电子线路用来控制vnir和swir相机,记录图像和导航数据,提供使用者控制仪器和数据流的接口,它还调节仪器电源。通过各自的模拟信号处理器,trwis控制线路(tce)控制每台相机以及两个焦面阵列的同步。模拟信号处理器接收焦面阵列的像元数据、提供总增益和补偿量,提供对swir焦面阵列积分时间的调整,提供对vnir焦面阵列的补偿量调整,并且以12bit的分辨率将数据数字化。一旦数字化后的影像数据被传送到trwis-3控制线路,每个相机的一幅照片就在那里被缓冲。在送到高速数据记录器存储之前,缓冲器将各个口来的相机数据进行组织整理。缓冲器还提供波段选择,使之能够除去384个波段中的任何几个以使多余数据最少。
  通过一个画幅捕捉器将图像数据写入高速数据记录器。在图像通过捕捉器的同时,两类图像几乎实时显示在监视器上。1台监视器直接显示焦面阵列的图像,另1台显示空间维数和其它光谱。第1台监示器用于显示每一焦面阵列的状态。第2台监视器以假彩色显示每个光谱仪所选的3个谱段暂时的抽样图像。.
  第2台监示器提供景物的两幅(一幅vnir,一幅swir)、二维、假彩色图像。操作者看着这台监视器,就可以确认景物特性,并可以保证在飞行中获得适当的图像。
  该仪器通过微电脑和trwis-3控制线路微处理器之间的接口mil-std-1553b对仪器进行控制。这个接口用于装定swir增益、补偿量和积分时间以及根据逐口的原则装定vnir补偿量。它也用于波段选择,用于控制从仪器向总数据存储器传输数据的开始与停止。通过这个接口,将对swir和vnir焦面阵列的温度遥测结果记录在微机的硬盘上。
  高速数据记录器的内存为16gb,能存储大约80000幅照片的数据(包括所有光谱通道)。这相当于在最高帧速(60hz)时22分钟或最低帧速(15hz)时88分钟所收集的数据量。在分辨率为10m时,一次飞行可以存储2000多平方千米区域的数据。高速记录器存满数据时,该批数据将被下载到一个可拆卸的、容量为20gb的数字线性磁带机中存档。在下载过程中,影像数据和导航数据被同步结合起来下载之后,数据被存档在trw’sdominguezhills数据中心。现正在研制一个自动软件包,用于将数据处理成空间尺寸为256×420像素和384个光谱色的立体像。在将图像转换成与研究系统公司研制的图像处理软件包相容的格式envitm的同时,该自动软件包还能进行辐射校正、地球定位和校正以及图像质量评定。通过cdrom分配处理过的图像,每个cd最多能存储6幅立体图像。

导航

  机载导航设备包括差分gps接收器和惯性敏感器。gps为微机提供时间和位置数据(地球中心为心的固定坐标),微机将数据记录在硬盘上。这些数据以1hz的速率更新并以60hz的速率内插。为便于导航数据与图像同步,将gps来的一个硬标志以1hz的速率插入图像数据流。当可得到差分信号时,gps和惯性敏感器结合将提供精度小于10m的位置信息。
  惯性敏感器提供的3个旋转轴的指向精度小于100μrad。这个敏感器的信号与提供给vnir和swir相机的帧同步信号同步。这个数据实时与gps数据结合且记录在微机上的导航文件中,形成的导航文件含有与图像的每条线相关联的数据块。每个块包括惯性敏感器的6个轴数据(3个旋转速度,3个直线加速度)、1个时间标志、惯性敏感器温度(用于漂移补偿)和3个位置坐标。在下载到数字线性磁带存档的同时,用卡尔曼滤波将导航数据平滑。

仪器和标定

  trwis-3的测试和定标过程将能够核实该型号敏感器的性能。使用飞行时定标用的光源进行飞行前的测试、定标及定标更新。使用专门研制的trw多光谱检测试验台(mstb)进行起飞前的测试和定标。mstb能为trwis-3的光谱仪提供稳定的、均匀的、已知光谱辐射的光谱-空间的灵活光源。这个光源用于表征和定标测量,包括最终校准、单色mtf、偏振敏感度、信噪比、线性度、动态范围、光谱范围、光谱波段纯度、光谱配准测量、光谱定标和绝对辐射测量定标
  trwis-3的定标方法是:先观察mstb对仪器进行光谱辐射绝对定标,然后将仪器转到定标光源来观察飞行光源。两个光源(一个用于vnir光谱仪,另一个用于swir光谱仪)包括一个安装在黑色不漏光装置上的石英卤钨灯。该装置装在平动台上,可以根据指令将灯放在入射光孔径处进行定标,这样能在飞行定标中测量整个光学系统的光通量和焦面阵列的响应。这个光源能在trwis-3的入射孔径处提供宽带辐射,在仪器使用的几个月中,这个辐射的重复误差为2%。关闭灯时,定标光源提供了一个零辐射参考以消除由于仪器零点漂移所产生的误差
  在飞行之前和之后,直接用定标光源对仪器进行零点测量以完成定标。在这种模式下,定标光源覆盖仪器孔径,而定标光源灯关闭。当得到零点数据后,打开每个灯且对准所选的两组点各30秒。注意,这种定标技术提供了可重复的定标整个trwis-3光学系统的方法。

结束语

  据trw的技术人员介绍,trwis-3是在该公司多种成像光谱仪的基础上多次改进而成的。工程样机已作过初步试验,结果表明这种具有384个连续波段的超光谱成像仪有极强的目标鉴别能力,它所获得的高光谱分辨率(典型值在5nm~10nm范围内)数据使人们利用光谱特征能搜索背景与目标在光谱特征上的细微差别。显然,这对遥感应用(例如地质定型和测量、农业管理与优化、环境破坏评估和森林观测等)和军事应用(识别伪装、分辨敌友、目标定类和地雷探测等)来讲,这种强大的分辨能力是非常重要的。所以,该仪器具有很高的应用价值和极广的发展前景!

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