原创 实用型模块化成像光谱仪

实用型模块化成像光谱仪
摘要赍绍研制的一种先进的光机扫描光谱成像但，即实1乇型模块化成像光谱慢(OMIS)．它具有128十波段，覆 盖了从可见光到热红外的光谱范围，可应用于地质、农业、林业和海洋等领域全面舟韶了OMIS的系统设计及其 整体性能，简要给出了该OMIS进行的多玻遥感飞行作业情况． 引言 2O多年来，人们通过各种遥感手段观察地球，其 中，成像光谱技术在人类对地观测领域显示出了突出 的优势 成像光谱仪将传统的二维成像遥感技术与 光谱仪技术有机地结合在一起，在获取观测对象二维 空间信息的同时，在连续光谱波段上对同一地物分光 谱成像．风速计| 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计| 红外线测温仪| 温湿度仪| 红外线温度计| 露点仪| 亮度计| 温度记录仪| 温湿度记录仪| 光功率计| 粒子计数器| 粉尘计由于光谱图像数据中每一像元含有与被观 测物体组分有关的光谱信息，能直接反映出物体的光 谱特征，从而可以揭示各种地物的光谱特性、存在状 况以及物质成分，使得从空间直接识别地球表面物质 成为可能．
自1970年以来，我们研制了多种类型的通 用及专用航空扫描仪l1 J，其光谱范围覆盖从紫外到热 红外的各个大气窗口，波段数从单一波段发展到了 60多个波段．但随着成像光谱遥感应用技术的研究 和发展，对于仪器光谱分辨率的要求越来越高，从多 光谱向高光谱发展成为成像光谱仪的一大趋势．另 外，越来越多的遥感应用对于遥感仪器的实用化和可 操作性也提出了更高的要求为此，在以往工作的基 *国家863计螂(批准号863．308．10-01(1))资助项目 藕件收到日期2001．10 15，修改稿收到日期2001 10 29 础上_2J，我们在近几年中开展了实用型模块化成像光 谱仪的研制工作 本文全面介绍了OMIS的系统设计 及其整体性能，简要给出了fXVIIS研制以来所进行的 多次遥感飞行作业情况．

1 系统设计
1．1 光谱波段选择 大量的统计数据表明，各类地物的特征光谱分 布如图1所示．从图1地物特征光谱段的综合分布 情况中可以看出：(1)特征光谱段在o．4／ml-12,urn 光谱区，除大气吸收带外，近乎连续分布；(2)在0．4 ～ 12 m光谱区，根据中介体类型，各类特征光谱段 分布的密集程度及其对应的应用领域，可划分出3 个自然区段，即0．4～1Ⅲ ，1．3～2 5ttm 及3～ 12fire区段；(3)现有的研究成果表明：在0．4-ltml 及1 3～2．5Ⅲ 区段，具有判别价值的特征光谱吸 收峰带宽多在20nm以下． 因此，实用型模块化成像光谱仪在光谱区间选 择、模块划分及光谱分辨率确定等方面的技术指标 植筏 水体 - I：111 r物 岩石 热萌体 ●■■■●●■●■■一 ■●■■● ●■■■●●■●■■一 I l ● l l l l l l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12 图1 典型地物特征光谱段分布图 Fig 1 The distributkm nf typical gromd obiect spectrtma 应该符合上述3个特征．OMIS成像光谱仪设计了2 种工作模式：OMISI型自可见光至热红外区域划分 为5个光谱段，总共128个波段：0 46～1 1“m 64 个波段，光谱分辨率10rim；1 06～1 70 1TI 16个波 段，光谱分辨率60nm；2．0-2．5tan 32个波段，光谱 分辨率15rim；3～5tan 8个波段，光谱分辨率 250nm；8-12．5tan 8个波段，光谱分辨率500nm． OMISII型共有68个波段，0．46～1 1 m 64个波 段，光谱分辨率10nm；1 55～1 75tan、2．08～2．35 m、3～5 m、8～12．5 m各1个波段
1．2 光电探测器 系统选用的焦平面探测器，在可见与近红外波 段为硅线列器件，元数为64元，短波红外I为铟镓 砷线列器件，元数为16，短波红外II和中红外波段 为锑化铟线列器件，元数分别为16和32，热红外波 段选用碲镉汞线列器件，元数为8．
1．3 成像光学系统 实用型模块化成像光谱仪系统采用线列探测器 一光机扫描型方案在系统的总体设计中，光谱分辨 率、空间分辨率、灵敏度和体积重量之间是相互制约 的．由于成像光谱遥感技术是被动遥感技术，地面辐 射和反射的能量是相对恒定的，光谱通道的增多和 光谱分辨率的提高使每个波段的探测能量变弱．因 此加大光学系统的通光口径是必然的．从性能指标 和实现可能考虑，确定了200mm的大通光口径．光 机扫描系统采用斜45度镜结构，具有通光面积大， 转动稳定可靠的特点．为减小整机的体积重量，对系 统的光学结构布局作了精心设计． 成像光谱仪的探测光谱范围在0．4～12 5tan． 总共128个波段，按大气窗口和光电探测器类型分 为5个光谱段：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 器光谱性能的限制，必须将成像系统的入射光路分 为两部分成像光学系统的主光路采用牛顿式系统， 使光机结构简单且稳定性较好．在主光路系统的次 镜前面放置一块45。平面反射镜，次镜所遮挡的光 由45。平面反射镜从主光路系统反射出，作为辅光 路，在I型配置中构成短波红外1．06～1．70Frn独 立的望远镜一分光计分系统这一巧妙的设计不但解 决了光谱段1与光谱段2的分光难题，而且采用具 有较高光学效率的反射系统，避免了选择光学材料 的困难．其它光谱段以级联方式用分光镜逐级分离 光谱，共用牛顿式望远镜的视场光阑，都采用平面光 栅色散、透镜组会聚的方式两路视场光阑的空间配 准在光校时予以保证．I型配置相应的5个分光计， 分上下两层布局．红外探测器杜瓦瓶集中在上层， 便于工作时灌注液氮．整体结构紧凑，布局合理 在II型配置中，所有光学元件都在一个平面上 展开，固定在同一基板上0．46-1 1“m、3～5tan、8 - 12．5pm光谱段通过主光阚与成像系统耦合，可 见／近红外分光计采用平面光栅色散、透镜组会聚的 方式．在si线列探测器前，加入一个特殊设计制作 的滤光片，以截止二级光谱的干扰．中红外和热红外 波段使用InSb／HgCATe双色探测器，由一块抛物面 反射镜即可完成这两个波段的会聚．短波红外的两 个单元探测器通道放置在辅光路中，设计在分光镜 位置上，直接放置2．08～2 35tan的一块带通分色 滤光片，要求它的通带内有高的透过率，通带外有高 的反射率．在它的反射光路中1 55～1．75tLrn的带 通滤光片及探测器安置于此．这一设计具有简洁高 教的特点，此时，探测器光敏面即为视场光阑
1．4 光机头部结构 仪器的光机扫描头部Eh成像光学系统、承重平 板和光谱仪组件三大部分组成．两种光谱仪配置，即 128波段OMISI型光谱仪和68波段OMISII型光 谱仪与各自的承重平板结合为两大模块．成像光学 系统和光谱仪的级联，光学上以视场光阑为界面，机 械上采用平面定位连接结构，通过更换不同承重平 楹实现光谱仪的不同配置，从而达到模块化组合的 功能．承重平板即光谱仪的基板，承重平板的下方吊 装成像光学系统，上方安装各分光计及探测器前放． 光阑及光阑固定盘均安装在承重平板上．不同的空 间分辨率通过可置换光阑实现．仪器在装机使用时 通过承重平板与陀螺稳定平台连接．成像光学系统 与扫描镜、驱动电机一编码器组件集合成一个独立模 块，I型光谱仪和II型光谱仪的成像光学系统是公 用的．
1．5 成象光谱仪运行系统配置
1．5．1 系统特色及组成 成像光谱仪系统总体配置的设计思想突出了系 统的实用性，从机上遥感数据采集到地面用户需要 的格式化图像数据产品，形成了一个完整的工作流 程．系统具有以下特色：(1)波段覆盖全，系统从0． 4 m到12．5 1的所有大气窗口上设置探测渡段， 以适合不同要求的综合遥感应用要求；(2)工作效率 高，采用7(】。以上的扫描视场，提高实用化作业效 率；(3)采样波段多，工作波段为128，具有和目前国 际上最先进的实用化机载成像光谱仪相当的光谱采 样渡段数；(4)模块化结构，扫描系统、成像系统和各 光谱仪系统设计为独立模块，通过一定的机械结构 相连，以便得到不同要求的光谱波段、光谱分辨率组 合和不同空间分辨率的组合；(5)扩展能力强，在设 计中充分考虑今后的技术发展和多传感器复合使用 的可能性；(6)实用化要求，系统充分考虑可操作性， 相关的技术人员只要经过一定训练就可以具备操作 本系统的能力；(7)定量化数据，通过同步研制的实 验室辐射和光谱定标装置、机上实时定标装置，使系 统具备提供定量化成像光谱数据的能力成像光谱 仪运行系统包括机载和地面两大部分，系统组成如 图2所示．
1．5 2 机上系统 成像光谱仪的机上系统由光机头部、机上实时定 标系统、机上电子学系统、宴时数据记录和监视系统、 陀螺稳定平台、GPS定位系统等组成．机上电子学系 统包括综合数据采集系统(采集图像数据和有关的辅 助数据，如GPS数据、姿态数据、黑体温控数据等)； 电机驱动和机上供电系统；机上实时定标系统(主要 是为仪器提供定量化数据的参考标准)．可见至短渡 红外渡段采用标准灯作为参考源，热红外采用高低温 黑体实时数据记录系统基于l6位ISA总线和大容 量可移动硬盘的高性能工业控制机设计，每个硬盘记 录容量可达40GB，最小记录时间240rain(20 scan／s， I 定标系统Il I l定标系统I Il 地 检查系统 I1 I 圈 软件 理HI I 微机系统I l 牛 H H H t十t l 菩通道前置放大器}·—— 菩波段线列探测器。 l 标准化光谱仪模块 (Olv~ I型12g波段·0M2811型68波段) 介 标准化机械接口 机上 接G收PS机 I广 介 电及源 I 『 辅助 主光学成像系统和光机扫描系绕I机上辑射定标系统 — 系统 I 陀螺稳定平台及飞机姿态测量系统 图2 OMIS系统结构图 128全波段)．监视系统由9”Ⅱ 640×480 I』D 构 成，提供536~400的实时连续滚动的可视图像．以便 操作人员对飞行状况作充分的了解．机上定位采用 GPS系统，定位系统的动态精度可达到m级．为确保 成像光谱仪的图像获取质量，机上引入陀螺稳定平 台，以确保仪器的姿态稳定．陀螺稳定平台的负重为 150奴，稳定精度小于1个像元．
1 5．3 地面数据回放及格式化系统 地面数据回放及格式化系统主要实现如下功 能：GPS数据的处理与复合、定标处理、坏行修补、 像元配准、直方图计算、对比度拉伸、区域放大、光谱 曲线显示、图像截取、图像数据格式转换等图像数据 的预处理，并实现图像数据的连续滚动回放． 机上实时记录采用BIP格式高密度记录形式， 事后由高性能微机和专用软件将其转换为B9Q格 式，提供给用户．另外提供给用户的数据还有同步记 录的辅助数据，辅助数据包含有GPS定位数据、平 台姿态数据、高低温黑体温控数据，以及扫描率、增 益、偏置等仪器参数数据．
1．5．4 实验室定标及辅助设施 表1 各波段定标要求 Table1 The requirement of calibrationfor each band 表2 系统主要技术指标 Table 2 Th emain specifications ofthe st,stem OMISI型(128涟段) 光谱范 嚣 OMISH型(68波段) 光谱范 墓 0 46～ 1 1“m l 06～l 7t,m 2 0～2 5um 8～ l2 5Ⅱm 瞬时视场 行像元散 总视场 扫描速率 数据编码 记录及显示 探测器 陀螺稳定平台 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 硬盘，实时移动窗显示 硅．铂镓砷，锑化铟．碲镉汞线列 150 kg载重量，稳定精度忧于=4 实验室定标系统主要是为成像光谱仪进行光谱 定标和辐射定标 由单色仪和准直系统组成光谱定 标系统，用积分球作为辐射定标的标准源．根据实用 化要求，光谱定标的准确度、辐射定标的灵敏度和信 噪比如表1所示 同时，为确保成像光谱仪的实用化 运行，配置相应的检测装置，特别是光学检测装置， 能使仪器每经过一段时问的运行后，进行一次全面 的检测，以确保仪器的运行精度．

2 主要技术指标及系统探测灵敏度
2．1 主要技术指标 系统主要技术指标如表2所示
2．2 系统探测灵敏度 探测灵敏度是衡量仪器性能的一个很重要指标 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 图3 可见／近红外波段信噤比曲线 Fig．3The SNR curxe-e ofVNIR hand ． △ ～ 一 LI L2 L 3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 2C ，uIn 囤4 短液红外波段I信噪比曲线 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 图5 短渡红外波段II信噪比曲线 FIg 5 1k SNR Cll1％ne ofSWIRII ba【1d ^，山Ⅱ 图6 中红外渡段噪声等效温差曲线 图7 热红外波段噪声等效温差曲线 Fig．7 The NEDT curve of LW IR hand 对于可见／近红外(O．46～1．1btm)、短波红外I(1．06 ～ 1 7蛐 )、短波红外II(2．0～2．5Url1)等太阳反射 波段，可以用信噪比(SNR)来表征各个波段的探测 灵敏度．对于中红外(3-5pm)、热红外(8～12 5pm) 等地球辐射波段，各个波段的探测灵敏度可以由噪声 等效温差CqEDT)来表征．图3～7表示出了整个系统 各个波段的探测灵敏度情况．

3 OMIS在遥感领域的应用 OMIS系统从2000年到现在先后成功执行了10 项以上遥感飞行作业任务(见表3)，总作业面积约 5000kin2、总数据量超过150GB其中2001年8月到9 月在日本名古屋进行的中日联合遥感试验中，OMIS 在名古屋、东京等地进行了若干架次的遥感作业，获 得了高质量的遥感数据，取得了很好的国际声誉 图8～11(参见彩色插页4)是OMIS遥感飞行获 得的一些3波段合成图像．

4 结语 0lM玛在国内外多次成功进行的遥感作业任务 充分验证了OMIS成像光谱仪系统在技术设计上的 合理陲，特别是在提高光谱分辨率、拓宽光谱覆盖、提 高信噪比以及成像光谱数据定量化等关键技术研究 方面取得的技术进步OMIS全波段连续的光谱覆盖 以及较高的光谱分辨率等先进的性能指标，使它在地 质、农业、林业、海洋和城市等遥感领域有着广阔的应 用前景．另外，我们将对OMIS作一些改进工作，以进 一步提高OMIS的实用化水平，特别是使短波红外 (2．0-2 5pm)32个通道的探测灵敏度得到明显的改 善．