納型衛星高光譜遙感系統一基于空間線(xiàn)性可變?yōu)V波器的成像光譜儀(SVFIS)
摘要：基于空間線(xiàn)性可變?yōu)V波器的成像光譜儀SVFIS是為納型衛星設計的高光譜遙感系統，它的最大優(yōu)點(diǎn) 是結構簡(jiǎn)單，因而機械穩定性和熱穩定性非常高，特別適合在航天環(huán)境下使用。本文簡(jiǎn)要介紹了航天高光譜遙感 和成像光譜儀，重點(diǎn)介紹SVFIS的系統結構并闡明它的工作原理。SVFIS的數據具有冗余性和延時(shí)性的特點(diǎn)，雖 然有它不利的一面，但其影響程度依賴(lài)于系統設計。由于SVFIS數據中包含著(zhù)地勢起伏、目標運動(dòng)和平臺姿態(tài)變 化的信息，為研究這些信息，我們對像面進(jìn)行了特殊的設計，這是SVFIS的另一顯著(zhù)特點(diǎn)。

0 引言 地球表面大多數自然物質(zhì)在0．4 ～2．4 反射 窗口都有可判斷的吸收特征，其吸收帶寬為20～40 nm，甚至更小。因此，用足夠高的分辨率對光譜進(jìn)行 采樣，就有可能直接識別對反射光譜有明顯吸收特 征的地表物質(zhì)。由于典型的特征吸收譜帶都很窄，多 光譜傳感器探測不到，而高光譜系統和超光譜系統 卻能以足夠高的光譜分辨率區分出具有診斷性光譜 特征的地表物質(zhì)來(lái)。 20世紀80年代建立的成像光譜技術(shù)，能夠在 紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區域，獲得大量窄波 段連續光譜的圖像數據。成像光譜儀為每個(gè)像元提 供數十到數百個(gè)窄波段(通常波段寬度< 10 nm)的 光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續的光譜曲線(xiàn)�；蛘� 說(shuō)，成像光譜儀能夠將視場(chǎng)中觀(guān)測到的各種地物以 完整的光譜曲線(xiàn)記錄下來(lái)，將二維空間信息表示的 點(diǎn)沿光譜軸延伸，從而構建了一個(gè)三維的數據立方 體，這個(gè)數據立方體中包含著(zhù)豐富的信息，能用于多 學(xué)科的研究和應用。成像光譜技術(shù)是目前實(shí)現高光 譜到超光譜遙感的主要手段。 投入航天應用的成像光譜儀主要是色散型和干 涉型的L1]，它們的光學(xué)系統基本相同，主要包括五個(gè) 部分：前置望遠鏡、入射狹縫、分光元件(棱鏡、光柵 或干涉儀)、收集鏡和探測器�；�于空間線(xiàn)性可變?yōu)V 波器的成像光譜儀(SVFIS)是我們在楔形濾波器成 像光譜儀(WlS) ]的啟發(fā)下提出來(lái)的。SVFIS在設 計上非常簡(jiǎn)單，只是對CMOS APD相機的像面進(jìn) 行了一些改造(改造方法在工藝上是可行的)，而幾 乎沒(méi)有增加相機的體積和重量。相對于傳統的色散 型和干涉型成像光譜儀來(lái)說(shuō)，SVFIS的最大優(yōu)點(diǎn)是 結構簡(jiǎn)單，因而機械穩定性和熱穩定性非常高，特別 適合在航天環(huán)境下使用。

1 SVFIS系統結構
1．1 衛星平臺的主要參數 SVFIS是為納型衛星設計的高光譜遙感系統。 納型衛星的重量通常在10公斤左右，是體積非常 小、功能密度非常高的系統，因此，一般要求有效載 荷有較高的集成度。 假設SVFIS的納星平臺的軌道高度為：H 一 800 km；繞地球飛行的速度約為： 一√ 一 √V 6370×10睪0+ 800×100 一⋯4 s km／s
1．2 圖像傳感器 考慮到相機的體積和功耗，圖像傳感器采用了 CMOS APD 微型相機。 鏡頭焦距為：廠(chǎng)一70 mm，孔徑為：D一2O mm，F 數為3．5；CMOS探測器的像元尺寸為：5。一10 m ×10 m，像元數為：N。一1024×1024，光譜響應范 圍為： 一0．4～1．1 m。因此成像光譜儀的空間分 辨率(用GSD，Ground Strip Distance表示)為：GSD ^ ， 一÷H≈114．3 m，視場(chǎng)角：2tan 一 ，2 一8。，視 j J 場(chǎng)為：W 一(N *GSD)。一117 km×117 km。 1．3 空間線(xiàn)性可變?yōu)V波器(SVF) 將CMOS探測器平分為兩個(gè)區域，如圖1，其 中第1～512行作為圖像探測區，第513～1024行作 為光譜探測區。光譜探測區由兩個(gè)濾波器組成，分別 響應在可見(jiàn)光波段和近紅外波段。濾波器是由線(xiàn)性 可變干涉濾光片直接耦合在探測器的光敏面上構成 的，我們稱(chēng)之為空間線(xiàn)性可變?yōu)V波器(SVF)。 Im~ er Fl F’2 圖1 探測器表面結構 線(xiàn)性可變干涉濾光片是美國OCLI公司的專(zhuān)利 產(chǎn)品Ⅲ ，如圖2，隨著(zhù)膜層厚度沿長(cháng)度方向線(xiàn)性變 化，干涉濾光膜的透射波長(cháng)也在沿長(cháng)度方向上線(xiàn)性 變化，使得探測器的不同行成為不同波長(cháng)的光譜通 道。根據所選濾光片的參數，得到SVFIS的光譜特 圖2 線(xiàn)性可變干涉濾波片 thlcknesss~ 性如表1。 表1 SVFIS光譜特性

2 SVFIS的工作原理 假設探測器掃描一幀圖像的時(shí)間為T(mén)，當它開(kāi) 始掃描下一幀圖像時(shí)，衛星正好飛過(guò)一個(gè)GSD，則 探測器的幀掃描時(shí)間應為T(mén)-G 弋 b —廠(chǎng) D 一15．34 ms。 如圖3，建立一個(gè)高光譜數據立方體的原理如 下：
(1)假設衛星在S。位置時(shí)，對應地面視場(chǎng)中的 一半景物O。成像在探測器的圖像區I，而另一半 景物O 的輻射則被探測器的光譜區F所采集。當 衛星飛行到S 位置時(shí)，星下點(diǎn)正好穿過(guò)了O。，這期 間S。位置星下點(diǎn)對應的GSD依次經(jīng)歷了F中的所 有光譜通道，從而得到這個(gè)GSD 中1024個(gè)目標元 的光譜圖；同時(shí)，F中的入 通道也依次掃描了O。中 的所有GSD，從而得到了O。在入 下的單色圖。顯 然，這時(shí)O 的所有GSD 已被F中的每一光譜通道 所掃描，這樣就得到了O 中每一目標元的光譜圖 和它在每一光譜通道下的單色圖。 f； ／ | ／ ＼pmjecte(1 p J 士／ ． 一 l 一。 — — Ol 圖3 SVFIS的工作原理
(2)當衛星飛行到S。位置時(shí)，o。中的每一GSD 均經(jīng)歷了F的所有光譜通道，而F的每一通道也掃 描了Oz的所有GSD，因而也得到了O。中每一目標 元的光譜圖和它在每一光譜通道下的單色圖。這樣， 當衛星平臺飛過(guò)整個(gè)視場(chǎng)時(shí)就建立了一幅景物的高 光譜數據立方體，如圖4所示。 y 圖4 高光譜數據立方體

3 SVFIS高光譜數據特點(diǎn) 由圖3不難看出，建立一個(gè)數據立方體需要的 時(shí)間是NT=15．7 S。這種延時(shí)性在一定程度上會(huì )影 響系統的功能，因為非實(shí)時(shí)的數據采集不利于觀(guān)測 物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)快速變化的目標。由于延時(shí)的 大小依賴(lài)于系統的幀頻，因此對于特定的應用，可以 通過(guò)適當的電路設計使延時(shí)的影響忽略不計。 一幀圖像(Ⅳ ×Ⅳ)，除第1行外，其余第2～ Ⅳ 行是前一幅圖像的第1～Ⅳ 一1行的重復，因此包含 了大量的冗余信息。大量冗余信息的存在會(huì )降低數 據存儲和處理的效率，對此常常需要用一些統計工 具和壓縮算法對數據進(jìn)行裁剪和壓縮。 冗余性和延時(shí)性是SVFIS高光譜數據的顯著(zhù) 特點(diǎn)。雖然這個(gè)特點(diǎn)有它不利的一面，但也給系統 帶來(lái)了傳統成像光譜儀所不具有的功能。因為在這 些非實(shí)時(shí)性，大量冗余的數據中，包含著(zhù)有關(guān)目標高 度、速度和飛行平臺姿態(tài)變化的信息 ]。在SVFIS 方案中，我們將探測器分為圖象區和光譜區，一個(gè)重 要的原因就是要利用圖像區的冗余數據來(lái)判斷地勢 的起伏、目標的運動(dòng)速度和平臺的姿態(tài)變化，并修正 由于這些因素引起的光譜區的測量誤差。

4 總結 SVFIS是專(zhuān)為納型衛星設計的高光譜遙感系 統，具有體積小、重量輕、結構緊湊的特點(diǎn)。相對于目 前應用最多的色散型和干涉型成像光譜儀來(lái)說(shuō)，基 于SVF的方案降低了航天遙感器熱設計的難度，提 高了系統的穩定性。 SVFIS高光譜圖像數據具有延時(shí)性和冗余性 的特點(diǎn)，雖然有它不利的一面，但其影響程度依賴(lài)于 系統設計。此外，SVFIS數據中還包含著(zhù)地勢起伏、 目標運動(dòng)和平臺姿態(tài)變化的信息。SVFIS圖像區的 數據，為研究這些信息提供了重要參考。對像面進(jìn)行 分區，同時(shí)接收不同的信息，是SVFIS的另一個(gè)特 點(diǎn)。