超光譜成像儀

由於軍事和國民經濟的需要，近年來空間(對地)光學遙感技術取得迅猛地發展，各種各樣的光學遙感器應運而生，並且技術性能也飛快的得到提高和完善。成像光譜儀的發展就是其中明顯的例子之一。

常用的“空間解析度”法是利用物質的形態特徵來區分它們。這個方法以前、現在和將來仍然是識別物質的非常重要的手段，但它不總是高效率的。例如，對海水中葉綠素濃度的測量單靠形態學的特徵，其測量精度往往是很低的。然而若利用物質光譜特徵法來解決，便可得到人們極其滿意的結果。

眾所周知，任何兩種不同的物質決不會有完全相同的光譜特性曲線。反之，任何一種物質也決不會有兩種不同的光譜特性曲線。也就是說物質的光譜特性曲線是唯一的。於是，人們把光譜解析度和空間解析度結合起來，便具有了更高的探測和識別物質的能力。因此，成像光譜儀的產生及其飛速發展是顯而易見的。

利用光譜圖像數據可以識別和區分地面物質，但在工程實施上其光譜“採樣”問題還必須滿足下述3條基本要求：

採樣的光譜波段必須窄到足以分辨物質狹窄的特徵峰。顯然波段越窄對物質的分辨能力越強；

具有足夠數量的光譜波段且各波段盡量相互鄰接；

還應具有一定寬的光譜範圍以實現光譜圖線的整體性。

上述3條基本要求是相對的以任務需求而定的，但對trwis-3來講，這3頂指標均已達到很高的水平。

trw公司講，他們設計trwis-3的目的有兩個：第一，作為研究分類的儀器，使它能夠在400nm～2500nm的波長範圍內建立精確的超光譜資料庫；第二，作為研製實用型超光譜儀器的第一件商品。它是一台高性能儀器，除極高的信噪比(snr)和所有的光譜通道能同時工作外，其還有gps定位數據，精確的輻射定標可搭載提供高質量的照片。該儀器已接近研製完成，可適應多個平台使用。

trwis-3包括一個含有一對視軸相互平行的光柵光譜儀的感測器和兩個電氣盒。可見光/近紅外(vnir)光譜儀的波段範圍是400nm～1000nm，短波紅外(swir)光譜儀的波段範圍是900nm～2500nm。每個光譜儀都含有一套將景物成像到狹縫的折射式前置光學系統。通過狹縫的光被一個平面光柵在狹縫垂直的方向進行色散，然後成像在一個兩維焦平面陣列上。沿狹縫方向的陣列提供空間景物信息，另一方向的陣列(狹縫光沿此陣列方向色散)提供光譜信息。沿垂直狹縫的方向推掃狹縫的像並依次存儲焦面陣列(fpa’s)所收集的空間/光譜信息，就可以產生一個2維的每個像素有384個譜段的空間影像。對vnir光譜儀，波段寬5nm；對swir光譜儀，波段寬度6.25nm ，trwis-3的主要性能參數列於表1。

表1 trwis-3性能表

參 數 性 能

質量(感測器探頭)/kg <39

電源(28v直流)/w <800

瞬時視場/mrad 0.9

全視場/(°) 13.1(256橫向像素)

光譜通道數 384

波長範圍/nm 400～2 500

光譜波段寬度/nm 5(vnir)，6.25(swir)

光譜波段純度 <24%(相鄰通道)，<3%(隔兩個通道)， <2%(隔三個通道或更遠)

橫跡光譜誤差/nm <1.0(vnir)，<1.3

光譜通道的空間配准 小於瞬時視場的20%

幀速率/hz 15，30或60

位置/m <5(當可得到差分信號時)

指向/μrad <100(滾動、傾斜和偏航)

絕對輻射測量精度 <5%(1σ)

光譜標定精度/nm <1.0

像素-像素相對定標 <2%

量化/bit 12

數據存儲能量/gb 16

trwis-3的整套設備包括飛行時對vnir和swir光譜儀進行定標的定標源(ifcs)、星載“全球定位系統”(gps)、用於確定指向慣性、儀器控制和高速數據存儲器以及微機(一台)。

vnir和swir光譜儀在光學結構上是相似的。它們都有多個零件的折射式前置光學系統，該光學系統將景物成像在光譜儀的入射狹縫上。通過狹縫的光被一個離軸非球面零件反射到一個平面閃耀光柵上，光被光柵色散。從光柵反射的光被第二個離軸非球面零件反射並成像到焦面陣列上(fpa)。為使視場畸變最小，在狹縫后和焦面陣列前各放了一個折射式校正透鏡。如果不校正這種畸變，將導致光譜通道的空間配准超出要求和橫跡光譜誤差。為了消除級次重疊，將一個級次選擇濾光片直接放在每個焦面陣列的前面。

光學和焦面部件安裝在特製的支架上，該支架能進行精確調整校準。當調整校準好之後，每次安裝都用環氧樹脂固定住或銷子銷住，形成一個非常牢固的部件。為減小儀器對溫度變化的敏感性，將支架連接到用銦鋼製的公用基板上。一個罩子連到基板上使光學系統與外面環境密封隔離起來。為使雜光的影響最小，所有支架和內部表面被漆成黑色。

每個焦面陣列的模擬信號處理器(asp)電子學線路安裝在罩子的外面。對swir光譜儀，用於冷卻焦面陣列的壓縮機安裝在基板的外面。慣性感測器安裝在vnir光譜儀內的基板上。一旦裝配、定位和定標完畢，通過墊片將兩台光譜儀連接到基板上且校成視軸平行。swir光譜儀的前置光學系統具有較小的變焦能力以使vnir和swir的視場匹配。

vnir光譜儀的焦面組件用的是仙童公司製造的硅ccd成像感測器。ccd是一個以分幅結構構成的三相器件，在分幅傳送過程中要使拖影最小。基本像素尺寸是20μm，像幅是768×384像素。該裝置有4個輸出口，每個口讀出一個器件的像限。一旦讀出的像素數為3×3，將得到充滿60μm像素的一幅256×128的像面陣列。包裝箱蓋上裝有一個級次選擇濾光片。ccd的封裝後面裝有一塊線路板，該板上裝有前置放大、高速時鐘驅動電路，該板還為陣列提供各種偏置電壓。通過一根電纜將線路板連接到vnir的模擬信號處理器

swis光譜儀的焦面是常用的洛克威爾公司製造的碲鎘汞光二級管陣列和cmos多路調製器。陣列幅面是每60μm2有256×256個像素。正常的工作溫度是115k。陣列被裝在一個杜瓦瓶上並被一個斯特林致冷器致冷。

通過4個埠收集swir陣列的信號。探測器陣列上的每個像素耦合到cmos倍增器上相應的容性阻抗傳輸放大器(ctia)上加以放大，然後通過開關fets連到裝置中4個輸出緩衝器中的1個。多路混合器裝在陶瓷基片上，該混合器旁通環路可將輸出到電纜的信號蹤跡去掉，此電纜連接swir的模擬信號組件。陶瓷基片裝在杜瓦瓶內的冷指端部。緊接著這個陣列的前面是一個場鏡，場鏡的第二平面上鍍有級次選擇濾光膜。用一個冷屏包圍場鏡和陣列表面，目的是限制探測器的視場以使熱背景最小。

trwis-3的電子線路用來控制vnir和swir相機，記錄圖像和導航數據，提供使用者控制儀器和數據流的介面，它還調節儀器電源。通過各自的模擬信號處理器，trwis控制線路(tce)控制每台相機以及兩個焦面陣列的同步。模擬信號處理器接收焦面陣列的像元數據、提供總增益和補償量，提供對swir焦面陣列積分時間的調整，提供對vnir焦面陣列的補償量調整，並且以12bit的解析度將數據數字化。一旦數字化后的影像數據被傳送到trwis-3控制線路，每個相機的一幅照片就在那裡被緩衝。在送到高速數據記錄器存儲之前，緩衝器將各個口來的相機數據進行組織整理。緩衝器還提供波段選擇，使之能夠除去384個波段中的任何幾個以使多餘數據最少。

通過一個畫幅捕捉器將圖像數據寫入高速數據記錄器。在圖像通過捕捉器的同時，兩類圖像幾乎實時顯示在監視器上。1台監視器直接顯示焦面陣列的圖像，另1台顯示空間維數和其它光譜。第1台監示器用於顯示每一焦面陣列的狀態。第2台監視器以假彩色顯示每個光譜儀所選的3個譜段暫時的抽樣圖像。.

第2台監示器提供景物的兩幅(一幅vnir，一幅swir)、二維、假彩色圖像。操作者看著這台監視器，就可以確認景物特性，並可以保證在飛行中獲得適當的圖像。

該儀器通過微電腦和trwis-3控制線路微處理器之間的介面mil-std-1553b對儀器進行控制。這個介面用於裝定swir增益、補償量和積分時間以及根據逐口的原則裝定vnir補償量。它也用于波段選擇，用於控制從儀器向總數據存儲器傳輸數據的開始與停止。通過這個介面，將對swir和vnir焦面陣列的溫度遙測結果記錄在微機的硬碟上。

高速數據記錄器的內存為16gb，能存儲大約80000幅照片的數據(包括所有光譜通道)。這相當於在最高幀速(60hz)時22分鐘或最低幀速(15hz)時88分鐘所收集的數據量。在解析度為10m時，一次飛行可以存儲2000多平方千米區域的數據。高速記錄器存滿數據時，該批數據將被下載到一個可拆卸的、容量為20gb的數字線性磁帶機中存檔。在下載過程中，影像數據和導航數據被同步結合起來下載之後，數據被存檔在trw’s dominguez hills數據中心。現正在研製一個自動軟體包，用於將數據處理成空間尺寸為256×420像素和384個光譜色的立體像。在將圖像轉換成與研究系統公司研製的圖像處理軟體包相容的格式envitm的同時，該自動軟體包還能進行輻射校正、地球定位和校正以及圖像質量評定。通過cdrom分配處理過的圖像，每個cd最多能存儲6幅立體圖像。

機載導航設備包括差分gps接收器和慣性敏感器。gps為微機提供時間和位置數據(地球中心為心的固定坐標)，微機將數據記錄在硬碟上。這些數據以1hz的速率更新並以60hz的速率內插。為便於導航數據與圖像同步，將gps來的一個硬標誌以1hz的速率插入圖像數據流。當可得到差分信號時，gps和慣性敏感器結合將提供精度小於10m的位置信息。

慣性敏感器提供的3個旋轉軸的指向精度小於100μrad。這個敏感器的信號與提供給vnir和swir相機的幀同步信號同步。這個數據實時與gps數據結合且記錄在微機上的導航文件中，形成的導航文件含有與圖像的每條線相關聯的數據塊。每個塊包括慣性敏感器的6個軸數據(3個旋轉速度，3個直線加速度)、1個時間標誌、慣性敏感器溫度(用於漂移補償)和3個位置坐標。在下載到數字線性磁帶存檔的同時，用卡爾曼濾波將導航數據平滑。

trwis-3的測試和定標過程將能夠核實該型號敏感器的性能。使用飛行時定標用的光源進行飛行前的測試、定標及定標更新。使用專門研製的trw多光譜檢測試驗台(mstb)進行起飛前的測試和定標。mstb能為trwis-3的光譜儀提供穩定的、均勻的、已知光譜輻射的光譜-空間的靈活光源。這個光源用於表徵和定標測量，包括最終校準、單色mtf、偏振敏感度、信噪比、線性度、動態範圍、光譜範圍、光譜波段純度、光譜配准測量、光譜定標和絕對輻射測量定標

trwis-3的定標方法是：先觀察mstb對儀器進行光譜輻射絕對定標，然後將儀器轉到定標光源來觀察飛行光源。兩個光源(一個用於vnir光譜儀，另一個用於swir光譜儀)包括一個安裝在黑色不漏光裝置上的石英鹵鎢燈。該裝置裝在平動台上，可以根據指令將燈放在入射光孔徑處進行定標，這樣能在飛行定標中測量整個光學系統的光通量和焦面陣列的響應。這個光源能在trwis-3的入射孔徑處提供寬頻輻射，在儀器使用的幾個月中，這個輻射的重複誤差為2%。關閉燈時，定標光源提供了一個零輻射參考以消除由於儀器零點漂移所產生的誤差

在飛行之前和之後，直接用定標光源對儀器進行零點測量以完成定標。在這種模式下，定標光源覆蓋儀器孔徑，而定標光源燈關閉。當得到零點數據后，打開每個燈且對準所選的兩組點各30秒。注意，這種定標技術提供了可重複的定標整個trwis-3光學系統的方法。

據trw的技術人員介紹，trwis-3是在該公司多種成像光譜儀的基礎上多次改進而成的。工程樣機已作過初步試驗，結果表明這種具有384個連續波段的超光譜成像儀有極強的目標鑒別能力，它所獲得的高光譜解析度(典型值在5nm～10nm範圍內)數據使人們利用光譜特徵能搜索背景與目標在光譜特徵上的細微差別。顯然，這對遙感應用(例如地質定型和測量、農業管理與優化、環境破壞評估和森林觀測等)和軍事應用(識別偽裝、分辨敵友、目標定類和地雷探測等)來講，這種強大的分辨能力是非常重要的。所以，該儀器具有很高的應用價值和極廣的發展前景!