實(shí)用型模塊化成像光譜儀
摘要赍紹研制的一種先進(jìn)的光機掃描光譜成像但，即實(shí)1乇型模塊化成像光譜慢(OMIS)．它具有128十波段，覆 蓋了從可見(jiàn)光到熱紅外的光譜范圍，可應用于地質(zhì)、農業(yè)、林業(yè)和海洋等領(lǐng)域全面舟韶了OMIS的系統設計及其 整體性能，簡(jiǎn)要給出了該OMIS進(jìn)行的多玻遙感飛行作業(yè)情況． 引言 2O多年來(lái)，人們通過(guò)各種遙感手段觀(guān)察地球，其 中，成像光譜技術(shù)在人類(lèi)對地觀(guān)測領(lǐng)域顯示出了突出 的優(yōu)勢 成像光譜儀將傳統的二維成像遙感技術(shù)與 光譜儀技術(shù)有機地結合在一起，在獲取觀(guān)測對象二維 空間信息的同時(shí)，在連續光譜波段上對同一地物分光 譜成像．風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線(xiàn)測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線(xiàn)溫度計| 露點(diǎn)儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀| 光功率計| 粒子計數器| 粉塵計由于光譜圖像數據中每一像元含有與被觀(guān) 測物體組分有關(guān)的光譜信息，能直接反映出物體的光 譜特征，從而可以揭示各種地物的光譜特性、存在狀 況以及物質(zhì)成分，使得從空間直接識別地球表面物質(zhì) 成為可能．
自1970年以來(lái)，我們研制了多種類(lèi)型的通 用及專(zhuān)用航空掃描儀l1 J，其光譜范圍覆蓋從紫外到熱 紅外的各個(gè)大氣窗口，波段數從單一波段發(fā)展到了 60多個(gè)波段．但隨著(zhù)成像光譜遙感應用技術(shù)的研究 和發(fā)展，對于儀器光譜分辨率的要求越來(lái)越高，從多 光譜向高光譜發(fā)展成為成像光譜儀的一大趨勢．另 外，越來(lái)越多的遙感應用對于遙感儀器的實(shí)用化和可 操作性也提出了更高的要求為此，在以往工作的基 *國家863計螂(批準號863．308．10-01(1))資助項目 藕件收到日期2001．10 15，修改稿收到日期2001 10 29 礎上_2J，我們在近幾年中開(kāi)展了實(shí)用型模塊化成像光 譜儀的研制工作 本文全面介紹了OMIS的系統設計 及其整體性能，簡(jiǎn)要給出了fXVIIS研制以來(lái)所進(jìn)行的 多次遙感飛行作業(yè)情況．

1 系統設計
1．1 光譜波段選擇 大量的統計數據表明，各類(lèi)地物的特征光譜分 布如圖1所示．從圖1地物特征光譜段的綜合分布 情況中可以看出：(1)特征光譜段在o．4／ml-12,urn 光譜區，除大氣吸收帶外，近乎連續分布；(2)在0．4 ～ 12 m光譜區，根據中介體類(lèi)型，各類(lèi)特征光譜段 分布的密集程度及其對應的應用領(lǐng)域，可劃分出3 個(gè)自然區段，即0．4～1Ⅲ ，1．3～2 5ttm 及3～ 12fire區段；(3)現有的研究成果表明：在0．4-ltml 及1 3～2．5Ⅲ 區段，具有判別價(jià)值的特征光譜吸 收峰帶寬多在20nm以下． 因此，實(shí)用型模塊化成像光譜儀在光譜區間選 擇、模塊劃分及光譜分辨率確定等方面的技術(shù)指標 植筏 水體 - I：111 r物 巖石 熱萌體 ●■■■●●■●■■一 ■●■■● ●■■■●●■●■■一 I l ● l l l l l l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12 圖1 典型地物特征光譜段分布圖 Fig 1 The distributkm nf typical gromd obiect spectrtma 應該符合上述3個(gè)特征．OMIS成像光譜儀設計了2 種工作模式：OMISI型自可見(jiàn)光至熱紅外區域劃分 為5個(gè)光譜段，總共128個(gè)波段：0 46～1 1“m 64 個(gè)波段，光譜分辨率10rim；1 06～1 70 1TI 16個(gè)波 段，光譜分辨率60nm；2．0-2．5tan 32個(gè)波段，光譜 分辨率15rim；3～5tan 8個(gè)波段，光譜分辨率 250nm；8-12．5tan 8個(gè)波段，光譜分辨率500nm． OMISII型共有68個(gè)波段，0．46～1 1 m 64個(gè)波 段，光譜分辨率10nm；1 55～1 75tan、2．08～2．35 m、3～5 m、8～12．5 m各1個(gè)波段
1．2 光電探測器 系統選用的焦平面探測器，在可見(jiàn)與近紅外波 段為硅線(xiàn)列器件，元數為64元，短波紅外I為銦鎵 砷線(xiàn)列器件，元數為16，短波紅外II和中紅外波段 為銻化銦線(xiàn)列器件，元數分別為16和32，熱紅外波 段選用碲鎘汞線(xiàn)列器件，元數為8．
1．3 成像光學(xué)系統 實(shí)用型模塊化成像光譜儀系統采用線(xiàn)列探測器 一光機掃描型方案在系統的總體設計中，光譜分辨 率、空間分辨率、靈敏度和體積重量之間是相互制約 的．由于成像光譜遙感技術(shù)是被動(dòng)遙感技術(shù)，地面輻 射和反射的能量是相對恒定的，光譜通道的增多和 光譜分辨率的提高使每個(gè)波段的探測能量變弱．因 此加大光學(xué)系統的通光口徑是必然的．從性能指標 和實(shí)現可能考慮，確定了200mm的大通光口徑．光 機掃描系統采用斜45度鏡結構，具有通光面積大， 轉動(dòng)穩定可靠的特點(diǎn)．為減小整機的體積重量，對系 統的光學(xué)結構布局作了精心設計． 成像光譜儀的探測光譜范圍在0．4～12 5tan． 總共128個(gè)波段，按大氣窗口和光電探測器類(lèi)型分 為5個(gè)光譜段：即0．46～1．1 1TI、1．06～1 70Um、 2．0～2．5 m、3．0～5．0tan、8 0～12．5 m 由于分色 器光譜性能的限制，必須將成像系統的入射光路分 為兩部分成像光學(xué)系統的主光路采用牛頓式系統， 使光機結構簡(jiǎn)單且穩定性較好．在主光路系統的次 鏡前面放置一塊45。平面反射鏡，次鏡所遮擋的光 由45。平面反射鏡從主光路系統反射出，作為輔光 路，在I型配置中構成短波紅外1．06～1．70Frn獨 立的望遠鏡一分光計分系統這一巧妙的設計不但解 決了光譜段1與光譜段2的分光難題，而且采用具 有較高光學(xué)效率的反射系統，避免了選擇光學(xué)材料 的困難．其它光譜段以級聯(lián)方式用分光鏡逐級分離 光譜，共用牛頓式望遠鏡的視場(chǎng)光闌，都采用平面光 柵色散、透鏡組會(huì )聚的方式兩路視場(chǎng)光闌的空間配 準在光校時(shí)予以保證．I型配置相應的5個(gè)分光計， 分上下兩層布局．紅外探測器杜瓦瓶集中在上層， 便于工作時(shí)灌注液氮．整體結構緊湊，布局合理 在II型配置中，所有光學(xué)元件都在一個(gè)平面上 展開(kāi)，固定在同一基板上0．46-1 1“m、3～5tan、8 - 12．5pm光譜段通過(guò)主光闞與成像系統耦合，可 見(jiàn)／近紅外分光計采用平面光柵色散、透鏡組會(huì )聚的 方式．在si線(xiàn)列探測器前，加入一個(gè)特殊設計制作 的濾光片，以截止二級光譜的干擾．中紅外和熱紅外 波段使用InSb／HgCATe雙色探測器，由一塊拋物面 反射鏡即可完成這兩個(gè)波段的會(huì )聚．短波紅外的兩 個(gè)單元探測器通道放置在輔光路中，設計在分光鏡 位置上，直接放置2．08～2 35tan的一塊帶通分色 濾光片，要求它的通帶內有高的透過(guò)率，通帶外有高 的反射率．在它的反射光路中1 55～1．75tLrn的帶 通濾光片及探測器安置于此．這一設計具有簡(jiǎn)潔高 教的特點(diǎn)，此時(shí)，探測器光敏面即為視場(chǎng)光闌
1．4 光機頭部結構 儀器的光機掃描頭部Eh成像光學(xué)系統、承重平 板和光譜儀組件三大部分組成．兩種光譜儀配置，即 128波段OMISI型光譜儀和68波段OMISII型光 譜儀與各自的承重平板結合為兩大模塊．成像光學(xué) 系統和光譜儀的級聯(lián)，光學(xué)上以視場(chǎng)光闌為界面，機 械上采用平面定位連接結構，通過(guò)更換不同承重平 楹實(shí)現光譜儀的不同配置，從而達到模塊化組合的 功能．承重平板即光譜儀的基板，承重平板的下方吊 裝成像光學(xué)系統，上方安裝各分光計及探測器前放． 光闌及光闌固定盤(pán)均安裝在承重平板上．不同的空 間分辨率通過(guò)可置換光闌實(shí)現．儀器在裝機使用時(shí) 通過(guò)承重平板與陀螺穩定平臺連接．成像光學(xué)系統 與掃描鏡、驅動(dòng)電機一編碼器組件集合成一個(gè)獨立模 塊，I型光譜儀和II型光譜儀的成像光學(xué)系統是公 用的．
1．5 成象光譜儀運行系統配置
1．5．1 系統特色及組成 成像光譜儀系統總體配置的設計思想突出了系 統的實(shí)用性，從機上遙感數據采集到地面用戶(hù)需要 的格式化圖像數據產(chǎn)品，形成了一個(gè)完整的工作流 程．系統具有以下特色：(1)波段覆蓋全，系統從0． 4 m到12．5 1的所有大氣窗口上設置探測渡段， 以適合不同要求的綜合遙感應用要求；(2)工作效率 高，采用7(】。以上的掃描視場(chǎng)，提高實(shí)用化作業(yè)效 率；(3)采樣波段多，工作波段為128，具有和目前國 際上最先進(jìn)的實(shí)用化機載成像光譜儀相當的光譜采 樣渡段數；(4)模塊化結構，掃描系統、成像系統和各 光譜儀系統設計為獨立模塊，通過(guò)一定的機械結構 相連，以便得到不同要求的光譜波段、光譜分辨率組 合和不同空間分辨率的組合；(5)擴展能力強，在設 計中充分考慮今后的技術(shù)發(fā)展和多傳感器復合使用 的可能性；(6)實(shí)用化要求，系統充分考慮可操作性， 相關(guān)的技術(shù)人員只要經(jīng)過(guò)一定訓練就可以具備操作 本系統的能力；(7)定量化數據，通過(guò)同步研制的實(shí) 驗室輻射和光譜定標裝置、機上實(shí)時(shí)定標裝置，使系 統具備提供定量化成像光譜數據的能力成像光譜 儀運行系統包括機載和地面兩大部分，系統組成如 圖2所示．
1．5 2 機上系統 成像光譜儀的機上系統由光機頭部、機上實(shí)時(shí)定 標系統、機上電子學(xué)系統、宴時(shí)數據記錄和監視系統、 陀螺穩定平臺、GPS定位系統等組成．機上電子學(xué)系 統包括綜合數據采集系統(采集圖像數據和有關(guān)的輔 助數據，如GPS數據、姿態(tài)數據、黑體溫控數據等)； 電機驅動(dòng)和機上供電系統；機上實(shí)時(shí)定標系統(主要 是為儀器提供定量化數據的參考標準)．可見(jiàn)至短渡 紅外渡段采用標準燈作為參考源，熱紅外采用高低溫 黑體實(shí)時(shí)數據記錄系統基于l6位ISA總線(xiàn)和大容 量可移動(dòng)硬盤(pán)的高性能工業(yè)控制機設計，每個(gè)硬盤(pán)記 錄容量可達40GB，最小記錄時(shí)間240rain(20 scan／s， I 定標系統Il I l定標系統I Il 地 檢查系統 I1 I 圈 軟件 理HI I 微機系統I l 牛 H H H t十t l 菩通道前置放大器}·—— 菩波段線(xiàn)列探測器。 l 標準化光譜儀模塊 (Olv~ I型12g波段·0M2811型68波段) 介 標準化機械接口 機上 接G收PS機 I廣 介 電及源 I 『 輔助 主光學(xué)成像系統和光機掃描系繞I機上輯射定標系統 — 系統 I 陀螺穩定平臺及飛機姿態(tài)測量系統 圖2 OMIS系統結構圖 128全波段)．監視系統由9”Ⅱ 640×480 I』D 構 成，提供536~400的實(shí)時(shí)連續滾動(dòng)的可視圖像．以便 操作人員對飛行狀況作充分的了解．機上定位采用 GPS系統，定位系統的動(dòng)態(tài)精度可達到m級．為確保 成像光譜儀的圖像獲取質(zhì)量，機上引入陀螺穩定平 臺，以確保儀器的姿態(tài)穩定．陀螺穩定平臺的負重為 150奴，穩定精度小于1個(gè)像元．
1 5．3 地面數據回放及格式化系統 地面數據回放及格式化系統主要實(shí)現如下功 能：GPS數據的處理與復合、定標處理、壞行修補、 像元配準、直方圖計算、對比度拉伸、區域放大、光譜 曲線(xiàn)顯示、圖像截取、圖像數據格式轉換等圖像數據 的預處理，并實(shí)現圖像數據的連續滾動(dòng)回放． 機上實(shí)時(shí)記錄采用BIP格式高密度記錄形式， 事后由高性能微機和專(zhuān)用軟件將其轉換為B9Q格 式，提供給用戶(hù)．另外提供給用戶(hù)的數據還有同步記 錄的輔助數據，輔助數據包含有GPS定位數據、平 臺姿態(tài)數據、高低溫黑體溫控數據，以及掃描率、增 益、偏置等儀器參數數據．
1．5．4 實(shí)驗室定標及輔助設施 表1 各波段定標要求 Table1 The requirement of calibrationfor each band 表2 系統主要技術(shù)指標 Table 2 Th emain specifications ofthe st,stem OMISI型(128漣段) 光譜范 囂 OMISH型(68波段) 光譜范 墓 0 46～ 1 1“m l 06～l 7t,m 2 0～2 5um 8～ l2 5Ⅱm 瞬時(shí)視場(chǎng) 行像元散 總視場(chǎng) 掃描速率 數據編碼 記錄及顯示 探測器 陀螺穩定平臺 10rim／64 0 46～ 1 1 10tml／’N 40rim／16 1 55～ 1 75#m 200rim／1 15nnl／32 2 -2 35m 270rim／1 250rim／8 3-Spin1 20O0nm／1 500nm／8 8～ 12 5 45013nm／l 3 mrad 3／I 5㈣d 512 512／【024 >70 5，10，15．20 sc~rls／s 12bit 硬盤(pán)，實(shí)時(shí)移動(dòng)窗顯示 硅．鉑鎵砷，銻化銦．碲鎘汞線(xiàn)列 150 kg載重量，穩定精度憂(yōu)于=4 實(shí)驗室定標系統主要是為成像光譜儀進(jìn)行光譜 定標和輻射定標 由單色儀和準直系統組成光譜定 標系統，用積分球作為輻射定標的標準源．根據實(shí)用 化要求，光譜定標的準確度、輻射定標的靈敏度和信 噪比如表1所示 同時(shí)，為確保成像光譜儀的實(shí)用化 運行，配置相應的檢測裝置，特別是光學(xué)檢測裝置， 能使儀器每經(jīng)過(guò)一段時(shí)問(wèn)的運行后，進(jìn)行一次全面 的檢測，以確保儀器的運行精度．

2 主要技術(shù)指標及系統探測靈敏度
2．1 主要技術(shù)指標 系統主要技術(shù)指標如表2所示
2．2 系統探測靈敏度 探測靈敏度是衡量?jì)x器性能的一個(gè)很重要指標 300 100 i1．4 0．5 0 6 0．7 0 8 0 9 l_0 1．1 ，um 50O 300 ∞ l00 160 壁so ∞ 0 圖3 可見(jiàn)／近紅外波段信噤比曲線(xiàn) Fig．3The SNR curxe-e ofVNIR hand ． △ ～ 一 LI L2 L 3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 2C ，uIn 囤4 短液紅外波段I信噪比曲線(xiàn) Fig 4 The SNR ell1．Xc~e of SW IRI band 2O 2 06 互12 2 18 2 24 2 3D 2 36 0 42 2 48 』llma 圖5 短渡紅外波段II信噪比曲線(xiàn) FIg 5 1k SNR Cll1％ne ofSWIRII ba【1d ^，山Ⅱ 圖6 中紅外渡段噪聲等效溫差曲線(xiàn) 圖7 熱紅外波段噪聲等效溫差曲線(xiàn) Fig．7 The NEDT curve of LW IR hand 對于可見(jiàn)／近紅外(O．46～1．1btm)、短波紅外I(1．06 ～ 1 7蛐 )、短波紅外II(2．0～2．5Url1)等太陽(yáng)反射 波段，可以用信噪比(SNR)來(lái)表征各個(gè)波段的探測 靈敏度．對于中紅外(3-5pm)、熱紅外(8～12 5pm) 等地球輻射波段，各個(gè)波段的探測靈敏度可以由噪聲 等效溫差CqEDT)來(lái)表征．圖3～7表示出了整個(gè)系統 各個(gè)波段的探測靈敏度情況．

3 OMIS在遙感領(lǐng)域的應用 OMIS系統從2000年到現在先后成功執行了10 項以上遙感飛行作業(yè)任務(wù)(見(jiàn)表3)，總作業(yè)面積約 5000kin2、總數據量超過(guò)150GB其中2001年8月到9 月在日本名古屋進(jìn)行的中日聯(lián)合遙感試驗中，OMIS 在名古屋、東京等地進(jìn)行了若干架次的遙感作業(yè)，獲 得了高質(zhì)量的遙感數據，取得了很好的國際聲譽(yù) 圖8～11(參見(jiàn)彩色插頁(yè)4)是OMIS遙感飛行獲 得的一些3波段合成圖像．

4 結語(yǔ) 0lM瑪在國內外多次成功進(jìn)行的遙感作業(yè)任務(wù) 充分驗證了OMIS成像光譜儀系統在技術(shù)設計上的 合理陲，特別是在提高光譜分辨率、拓寬光譜覆蓋、提 高信噪比以及成像光譜數據定量化等關(guān)鍵技術(shù)研究 方面取得的技術(shù)進(jìn)步OMIS全波段連續的光譜覆蓋 以及較高的光譜分辨率等先進(jìn)的性能指標，使它在地 質(zhì)、農業(yè)、林業(yè)、海洋和城市等遙感領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應 用前景．另外，我們將對OMIS作一些改進(jìn)工作，以進(jìn) 一步提高OMIS的實(shí)用化水平，特別是使短波紅外 (2．0-2 5pm)32個(gè)通道的探測靈敏度得到明顯的改 善．