多光譜與紅外探測(cè)器技術(shù)方案

1、多光譜成像與紅外探測(cè)傳感器技術(shù)方案報(bào)告中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所2006年7月目錄1 引言12 多光譜成像技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r12. 1 多光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)13. 2 多光譜成像遙感儀器23多光譜成像與紅外探測(cè)傳感器總體技術(shù)方案133. 1研究目標(biāo)和主要技術(shù)指標(biāo)要求 133. 2 系統(tǒng)總體技術(shù)方案133. 2. 1系統(tǒng)組成133. 2.2系統(tǒng)工作原理 143. 3 光譜范圍和波段選擇153. 3. 1光譜范圍153. 3. 2波段數(shù) 153.4 探測(cè)器選擇173.4.1 可見光/近紅外焦平面探測(cè)器.173.4.2 短波紅外焦平面探測(cè)器 183.4.3 長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器 193. 5光學(xué)系統(tǒng)設(shè)

2、計(jì)193. 5.1光學(xué)系統(tǒng)選型193. 5.2光譜分光方法 203. 5. 3光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 223.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)233.7 前端電子學(xué)系統(tǒng)243.8 后端信息處理與控制系統(tǒng)264. 9系統(tǒng)探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍294.1.1 1可見/近紅外、短波紅外通道.294.1.2 長(zhǎng)波紅外通道 304.1.3 探測(cè)通道的動(dòng)態(tài)范圍 303. 10系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)314關(guān)鍵技術(shù)分析334. 1 紅外焦平面探測(cè)器及其空間應(yīng)用技術(shù)334. 2 集成濾光片技術(shù)334.3 指向機(jī)構(gòu)的空間適應(yīng)性 334.4 輕量化寬波段成像光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)345系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試方法345. 1光譜分辨率測(cè)試345. 2空間分辨率測(cè)

3、試355. 3探測(cè)靈敏度測(cè)試351 .4外場(chǎng)成像試驗(yàn)356結(jié)論361引言在遙感技術(shù)中，光譜分析技術(shù)儀以獲得被觀測(cè)目標(biāo)的光譜信息為目標(biāo)，具 有較高的光譜分辨率；二維成像技術(shù)以獲取被觀測(cè)目標(biāo)的二維空間信息為目標(biāo), 具有較高的空間分辨率。隨著遙感技術(shù)和 應(yīng)用的發(fā)展，開發(fā)高空間分辨率和高 光譜分辨率的“圖譜合一”的遙感技術(shù)成為必然趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代出現(xiàn) 的光譜成像技術(shù)正是這種全新的光電遙感技術(shù)，光譜成像技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將二維 成像遙感技術(shù)和光譜分析技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，在實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行二維 形態(tài)成像的同時(shí)，可以獲取觀測(cè)目標(biāo)的連續(xù)光譜信息。利用光譜成像技術(shù)獲取 的遙感信息中，既包含觀測(cè)目標(biāo)的二維空間

4、信息，也包含觀測(cè)目標(biāo)豐富的光譜 特征信息。光譜成像技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，技術(shù)水平日趨成熟，在航空航 天遙感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，世界各國(guó)都非常重視成像光譜技術(shù)的發(fā)展。2多光譜成像技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r2 . 1多光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)利用多光譜成像技術(shù)能夠?qū)τ^測(cè)目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，獲得高靈敏度、高分 辨率的信息，技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1）波段多光譜成像技術(shù)基本上屬于多光譜掃描技術(shù)的范疇，不同之處在于光譜成 像技術(shù)掃面的波段數(shù)目大大增加，在可見光和近紅外光譜區(qū)間內(nèi)一般可以有幾 十甚至數(shù)百個(gè)波段，在每一個(gè)通道上，按照波長(zhǎng)排列順序都可以得到該波段被 觀測(cè)目標(biāo)的光譜曲線和圖像。如果對(duì)每個(gè)波段成像時(shí)的時(shí)間信息進(jìn)

5、行測(cè)量，那 么每一個(gè)通道的像元就可得到一個(gè)影像光譜曲面。2）光譜分辨率高采用光譜成像技術(shù)對(duì)光譜進(jìn)行掃描時(shí)，光譜間隔一般優(yōu)于20nmo光譜 間隔越小，光譜分辨率越高；精細(xì)的光譜分辨率可以反映被測(cè)目標(biāo)光譜的細(xì)微 特征，使得在光譜域內(nèi)進(jìn)行遙感定量分析和研究被測(cè)目標(biāo)的化學(xué)成分成為可3)圖像和光譜合二為一在獲取被觀測(cè)對(duì)象二維空間信息的同時(shí)，在連續(xù)光譜段上對(duì)同一被觀測(cè) 目標(biāo)進(jìn)行分光譜成像。光譜圖像數(shù)據(jù)中每一個(gè)像元含有與被觀測(cè)目標(biāo)組分有關(guān) 的光譜信息，能直接反映出目標(biāo)的光譜特征，使得圖像信息和光譜信息二者有 機(jī)地結(jié)合在一起。光譜波段選擇、光譜定位精度和通道帶寬可以根據(jù)應(yīng)用目標(biāo) 確定，提高應(yīng)用目標(biāo)的針對(duì)性和準(zhǔn)

6、確性。由于多光譜成像技術(shù)具有波段多、光譜分辨率高、圖像和光譜相結(jié)合等 特點(diǎn)，在人類對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中顯示出了突出的優(yōu)勢(shì)，成為許多對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星遙 感有效載荷的核心技術(shù)之一，已逐漸應(yīng)用于大 氣、海洋、環(huán)境等變化的觀測(cè)， 受到各國(guó)的極大重視。2. 2多光譜成像遙感儀器光學(xué)成像遙感儀器的發(fā)展歷程如圖1所示。圖1遙感儀器成像技術(shù)發(fā)展概況rtclectar AruyCdtinuJofOlMrir AjKirtureSci* Mkn wScsn Mirror地 r 你 £： rjtech-afrun 15 A3 n(cgrrnrHManrv if <31 i H ica J Ima "

7、inf SpvctnmfVr £CBHT£flU(atotH)1 -D IJrtcctor Array fl-ifih» DkpKcihanging(ipropuW, firxfSaiy US Ehcpjjjniffli uf B«tr* 咫抑枚采用單元探測(cè)器和掃描系統(tǒng)的光學(xué)成像遙感儀器是光學(xué)成像技術(shù)在空間Tedliun湍火 e日I f 應(yīng)用的開始階段。比較典型的代表產(chǎn)品為可見紅外掃描輻 射計(jì)。應(yīng)用于美國(guó) NOAM星的掃描輻射計(jì)Adva need Very HighResolution Radiometer (AVHRr具有可見、近紅外、中紅外、熱紅外波

8、段探測(cè)能力，可見光至近紅外波段較寬，分為1個(gè)可見光通道和1個(gè) 近紅外通道，另外還有1個(gè)中紅外通道和2個(gè)熱紅外通道。采用同軸光學(xué) 系統(tǒng)，用45。掃描鏡獲取地面圖像，地面分辨率為1. 1km。我國(guó)風(fēng)云一號(hào)氣 象衛(wèi)星的十通道掃描輻射計(jì)采用同軸共焦雙拋物面反射式望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)、輻 射制冷硅鎘汞探測(cè)器和掃描鏡機(jī) 構(gòu)獲取目標(biāo)圖像，在870kHi軌道高度上對(duì)應(yīng) 的地面分辨率為1. 1km。光譜分析儀經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，研究對(duì)象擴(kuò)展到各種物質(zhì)層次和物 態(tài)：從離子、原子、分子到凝聚態(tài)，從氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)到等離子體，從遙遠(yuǎn) 的天體到顯微鏡下的DNA在光譜分析方法上也已多樣化，除了發(fā)射、吸收、 反射、熒光、散射光

9、譜方法外，還有偏振、旋光、光聲、光熱、光導(dǎo)等光譜方 法，以及微分光譜、調(diào)制光譜、富立葉變換、哈特瑪變換光譜、干涉分光、相 關(guān)光譜法等?，F(xiàn)在的光譜分析儀波段寬：長(zhǎng)波方向與毫米波相連，短波方向與 軟射線（100埃）相連；光譜分析儀的光譜分辨率、靈敏度、高精確度、高 重復(fù)性和穩(wěn)定性都得到了顯著提高。隨著線列陣和面陣探測(cè)器的出現(xiàn)，以中分辨率成像光譜儀為代 表的、采 用線列陣或面陣探測(cè)器推掃、并掃或凝視成像的新型光學(xué)成像遙感儀器得到發(fā) 展。 MEdiumResolution Imaging Spectrometer instrument （ MERIS 是歐空局研制、安裝在運(yùn)行高度為824km的歐 洲極

10、軌環(huán)境衛(wèi)星Envisat-l上 的中分辨率成像光譜儀。MERIS主要用于測(cè)量海洋向上輻射部分的光譜特性、 陸地變化監(jiān)測(cè)和收集大氣狀 況的數(shù)據(jù)。MERIS在400nnT 1050nm的波長(zhǎng)范圍 內(nèi)至少有10個(gè)光譜段，最高光譜分辨率為1.25 nm,譜段、譜段寬度和空間分 辨率可以通過遙控指令在軌道上進(jìn)行調(diào)整。MERIS的總視場(chǎng)為82。，覆蓋區(qū) 寬度為1500km每?jī)商旄采w全球一次；具備指向功能，通過遙控指令可使其視 場(chǎng)沿軌跡方向移動(dòng)，從而可以消除太陽反輝區(qū)效應(yīng)。MERIS采用推掃方式成 像，有2種空間分辨率模式，高分辨率模式下的星下點(diǎn)空間分辨率為300m壓 縮模式下為1200mMERIS的光學(xué)系

11、統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)（如圖2所示），總視場(chǎng)82。分配給 六個(gè)光學(xué)艙，每個(gè)光學(xué)艙的視場(chǎng)為14。，相鄰兩個(gè)光學(xué)艙的視場(chǎng)具有一定的 重疊，可以進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。六個(gè)光學(xué)艙按扇形排歹U,使進(jìn)入艙內(nèi)的光束在裝置 外部交于一點(diǎn)。每個(gè)光學(xué)艙內(nèi)配置一組透鏡和一只CCD探測(cè)器，通過公共的指 向棱鏡來觀測(cè)地球。圖2 MERIS成像示意圖光學(xué)艙由一個(gè)地面成像透鏡、一個(gè)狹縫和一個(gè)采用凹面光柵的光譜儀組 成。目標(biāo)能量通過光柵光譜儀的狹縫在穿軌方向成像一個(gè)條帶。狹縫被成像在 一個(gè)兩維的CCD陣列上從而獲得光譜和空間的瞬時(shí)信息。每個(gè)光學(xué)艙內(nèi)部采 用離軸折反射光學(xué)系統(tǒng)，焦距71mm狹縫寬度22. 5 Pm光學(xué)艙內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)如圖3所

12、示。MERIS的最大特點(diǎn)是探測(cè)通道的光譜位置和寬度可以編程控制，在 400nm- 1050nm范圍內(nèi)設(shè)置并下傳15個(gè)光譜通道信息，譜段寬度1.25 30nm MERIS在壽命期內(nèi)可以根據(jù)任務(wù)目的和優(yōu)先權(quán)而改變光 譜通道的中心波 長(zhǎng)、帶寬和增益。四面折朗無任-圖3 MERIS光學(xué)艙內(nèi)光路圖我國(guó)自行研制第一臺(tái)中分辨率成像光譜儀于2002年3月25日隨“神舟三號(hào)”飛船發(fā)射并成功運(yùn)行。這臺(tái)儀器工作在 343km高度 的非太陽同步軌道，共有34個(gè)波段，光譜范圍覆蓋可見光到熱紅外，地面景 象分辨率為500nl溫度分辨率0. 2K,采用22元并行掃描、雙面掃描反射鏡、 凹面光柵分光、20x 22元Si面陣探

13、測(cè)器、4波段 帶短波讀出電路的4x22元 HgTeCc紅外焦平面組件、雙驅(qū)動(dòng)對(duì)置式Stirli ng制冷機(jī)、實(shí)時(shí)響應(yīng)非均勻 性校正處理等技術(shù)，促進(jìn)了我國(guó)成像光譜遙感儀器的發(fā)展。中分辨率成像光譜 儀的主要技術(shù)指標(biāo)如 表1所示。表1 “神舟三號(hào)”飛船中分辨率成像光譜儀主要技術(shù)性能光譜范圍（|J m可見光近紅外短波紅外長(zhǎng)波紅外0. 403 -0. 8030. 823 1.0232. 15 2. 2510. 3 -11. 38.4 8.911. 5 -12. 5波段數(shù)2010112光譜帶寬20 nm20 nm0. 1 |J m0. 5 P m1 |J m信噪比NETD> 1000（一個(gè)太陽常數(shù)，

14、0.5 Pm處）> 300（一個(gè)太陽常數(shù)）< 0. 2 K(T=300K)< 0. 2K(T=300K)測(cè)量精度10%IK(T=300K)IK(T=300K)空間分辨率1. 5mr掃描范圍± 44°中分辨率成像光譜儀采用雙面鏡旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，探測(cè)器為22元 面陣探 測(cè)器，面陣探測(cè)器的一維是空間維，另一維是光譜維，對(duì)地面目標(biāo)穿飛行軌跡 掃描由旋轉(zhuǎn)雙面反射鏡實(shí)現(xiàn)。光學(xué)系統(tǒng)采用可見近紅外和熱紅外獨(dú)立設(shè)計(jì)的雙 光路設(shè)計(jì)、可見和近紅外波段采用棱鏡分束直接耦合和光柵分光；探測(cè)器包含 可見、近紅外面陣探測(cè)器和紅外焦平面集成組件，紅外元件采用斯特林制冷方 式。光機(jī)結(jié)構(gòu)采用為

15、雙光路結(jié)構(gòu)，紅外系統(tǒng)與可見/近紅外系統(tǒng)分別在各自的 光學(xué)系統(tǒng)中成像，如圖4所示?？?m/£ m/ m3 m圖4中分辨率成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖中分辨率光譜成像儀MODIS-N是美國(guó)EOS計(jì)劃中最有特色的成 像遙感儀 器之一。1999年12月和2000年2月MODIS-M別安裝在Terra星和Aqua 星上成功發(fā)射。MODIS勺主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。表2 MODIS技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)軌道705k叫降軌上午10:30過境，升軌下午1:30過境，太陽同步，近 極地圓軌道。掃描頻率每分鐘20.3轉(zhuǎn)，與軌道垂直。刈幅2330km成像幅寬10km空間分辨率250m （通道 1 2） , 50

16、0nl 通道 3 7） , 1000m （通道 8 36） 0望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)直徑17. 78cm,離軸非球面（平行光）。1. Omx 1. 6mx 1. 0m體積重量250kg功耗225w數(shù)據(jù)率10. 6Mbps （白天峰值）；6. 1Mbps （單軌）。量化12bitMODIS采用雙面鏡旋轉(zhuǎn)掃描的方式對(duì)地成像，以每次10km的寬度將地物圖像送到光學(xué)系統(tǒng)，MODIS吉構(gòu)布局如圖5所示。WWNFRAMESOLAR DlfFUSERSPECTRCRADIOMETRIC CALIBRATION ASSEMBLY SRCA>SQlAROFTSE R SIABILHY WONITORtS&SM

17、)SCAM URRORPftlMARV3LACK000YtMINELECTROMCSMODULE RE 曾SPACEW1ATIVE COOLER.RACATfVE COOLER DOOR圖5 MODIS結(jié)構(gòu)布局圖MODIS采用折反射混合光學(xué)系統(tǒng)，光線經(jīng)雙面鏡旋轉(zhuǎn)掃描入射到口徑為 門178mn的離軸兩鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，以平行光出射，然后經(jīng)過分色片分光， 將不同的波段分別送到可見光（VIS），近紅外（NIR）,短波及中波紅外 （SWIR/MWR）和長(zhǎng)波紅外（LWIR等4個(gè)透鏡組，最后成像到各波段焦平面探 測(cè)器（FPA上。MODIS光學(xué)系統(tǒng)如圖6所示。MERIS分別米用10兀、20兀、40兀的面陣探測(cè)

18、器獲取地面目標(biāo) 的信 息，對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為1000m 500nl和250nl在每個(gè)FPA上分別安有各 波段的光電檢測(cè)器和A/D變換器，將圖像變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再經(jīng)格式化器和緩 沖器將信號(hào)輸出。MODIS19.371LWIR r KAL PLANEFOCAJL PLf BVIS FOCAL PLMIE1937L.缺田圈 BhflST BriefingM;iy圖6 MODIS光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖MODIS有36個(gè)分離的探測(cè)通道，其中可見近紅外通道16個(gè)，短 波紅外 通道4個(gè)，中波紅外通道6個(gè)，熱紅外通道10個(gè)。各通道的 光譜分辨率依 據(jù)研究目標(biāo)的不同而不同，MODIS-N的波段分布特征如 表3所示

19、。表3 MODIS波段分布特征波段序號(hào)波段寬度(nm光譜靈敏度(W/m |J m- sr)信噪比或NETD(K)應(yīng)用1620s67021.8128陸地與云的2841s87624. 7201界限3459s47935. 32434545 s 56529. 0228陸地與云的性質(zhì)51230-12505.47461628sl6527. 327572105 -21551. 01103313. 185 -13.4854. 52 (260K)0. 25云頂圖度3413. 485 13.7853. 76 (250K)0. 253513. 785 74.0853. 1K240K)0. 253614. 085 1

20、4.3852. 08 (220K)0. 25MODIS-N在軌運(yùn)行期間每天向地面?zhèn)鬏?4次多通道遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 分辨率250nsi000m在大氣溫度、降水、輻射、臭氧等方面，以及土地覆蓋 變化、生物生長(zhǎng)量變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用，MODIS已成為 目前世界上最為有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)遙感儀器，也為我國(guó)大氣研究、地學(xué)研究和 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了不可多得的數(shù)據(jù)信息。在MODIS成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，美國(guó)已開始研制新一代光譜成像 儀 Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite ( VIIRS),作為 MODIS的改進(jìn)產(chǎn)品。VHRS共有22個(gè)通道，光譜范圍覆蓋可見至

21、長(zhǎng) 波紅外 波段，其中可見/近紅外有9個(gè)通道，中短波紅外波段有8個(gè) 通道，長(zhǎng)波紅 外波段有4個(gè)通道，另有1個(gè)微光通道。VIIRS將掃描幅寬拓寬至 3000km,基本可以達(dá)到每天覆蓋地球；VHRS有兩種不同的空間分辨率，其中有一個(gè)長(zhǎng)波紅外通道的分辨率也達(dá)到370m。VIIRS外形結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7 VHRS外形結(jié)構(gòu)示意圖VHRS采用離軸光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)口徑為191mm由四個(gè)焦平面探測(cè)器和相應(yīng)的電路部分構(gòu)成信息獲取系統(tǒng)。主要性能如表4所示表4 VIIRS主要性能指標(biāo)通道名稱中心波長(zhǎng) (nm)通道光譜帶寬 (nm)空間分辨率(m)焦平面組件Ml41220740M見近紅外M244518740可見近紅外

22、M348820740可見近紅外M455520740可.見近紅外M567220740可見近紅外M674615740可見近紅外M786539740可見近紅外M8124020740短/中波紅外M9137815740短/中波紅外M10161060740短/中波紅外Mil225050740短/中波紅外M123700180740短/中波紅外M134050155740短/中波紅外M148550300740長(zhǎng)波紅外M15107631000740長(zhǎng)波紅外M1612013950740長(zhǎng)波紅外DNB700400370微光通道II64080370M見近紅外1286539370可.見近紅/中波

23、紅外143740380370短/中波紅外15114501900370長(zhǎng)波紅外光學(xué)遙感儀器成像技術(shù)的發(fā)展歷程表明：每次的技術(shù)進(jìn)步，都使光學(xué)成 像遙感儀器的光譜分辨率和空間分辨率都得到了極大的提高，遙感應(yīng)用對(duì)新型 光學(xué)有效載荷的要求不僅是獲取更為清晰的圖像，而且要求在復(fù)雜背景下獲得 特定目標(biāo)的特征光譜信息。因此，將多光譜技術(shù)和二維成像技術(shù)結(jié)合在一起形 成的多光譜成像技術(shù)成為新一代光學(xué)成像遙感儀器的發(fā)展趨勢(shì)，也為遙感應(yīng)用 水平的提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。3多光譜成像與紅外探測(cè)傳感器總體技術(shù)方案3. 1研究目標(biāo)和主要技術(shù)指標(biāo)要求隨著我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)用戶對(duì)應(yīng)用衛(wèi)星的日益增長(zhǎng)的需求，在軍 用、民用大衛(wèi)星

24、及其有效載荷發(fā)展較快的同時(shí)，小衛(wèi)星平臺(tái)和微小衛(wèi)星平臺(tái)及 其有效載荷的發(fā)展也非常迅速，成為今后衛(wèi)星和有效載荷研制的一種趨勢(shì)。由 于小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星的研制具有重量輕、成本低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將在 國(guó)防、民用等領(lǐng)域發(fā)展中起著越來越重要的作用。小衛(wèi)星平臺(tái)的應(yīng)用迫切需要 遙感儀器也朝著小型化、輕量化和微型化的方向發(fā)展。基于以上應(yīng)用背景和需 求，本文提出研制適用于小衛(wèi)星平臺(tái)的多光譜成像和紅外探測(cè)傳感器技術(shù)方案。多光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)要求：1）小衛(wèi)星軌道高度為600knT 700km；2）波段數(shù)大于32個(gè)；3）重量小于50kg；4）地面分辨率小于100n。3. 2系統(tǒng)總體技術(shù)方案3. 2. 1系統(tǒng)組

25、成多光譜成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、定標(biāo)源、探測(cè)器組件與前端電子學(xué)系統(tǒng)和后 端信息處理與控制系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。多光譜成像儀的系統(tǒng)功能框圖如圖8所示。圖8系統(tǒng)功能示意圖322系統(tǒng)工作原理光學(xué)系統(tǒng)由反射鏡、透射鏡、分光元件和光機(jī)結(jié)構(gòu)等部分組成。光學(xué)系 統(tǒng)接收來自目標(biāo)和背景的光輻射信號(hào)。采用面陣探測(cè)器推掃技術(shù)獲得目標(biāo)二維圖像信息，同時(shí)通過分光元件、 濾光片和面陣探測(cè)器獲得目標(biāo)的光譜信息。探測(cè)器組件采用可見光面陣CCD和 紅外焦平面器件，探測(cè)器安裝在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，將目標(biāo)光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化 為模擬電信號(hào)；前端電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn) 生探測(cè)器信號(hào)讀出和A/D轉(zhuǎn)換控制時(shí)序、 探測(cè)器偏置電壓，對(duì)探測(cè) 器輸出的模擬信號(hào)放大、A

26、/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字化目標(biāo) 光輻射信號(hào)。后端信息處理與控制系統(tǒng)將不同光譜波段獲取的圖像信息按照規(guī)定的格 式進(jìn)行處理，加入其它與系統(tǒng)工作狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)信息，與圖像信息進(jìn)行編 排，形成所要求的信息碼流，發(fā)送至衛(wèi)星數(shù)管/數(shù)傳系統(tǒng)記錄或下傳地面。同 時(shí)，完成對(duì)指向鏡機(jī)構(gòu)的檢測(cè)與控制、探測(cè)器制冷機(jī)控制、遙控遙測(cè)及數(shù)據(jù)通 信等測(cè)控功能。定標(biāo)源由可見/近紅外定標(biāo)器、紅外輻射黑體組成，可見/近紅外定標(biāo)器 以太陽作為輻射光源，紅外輻射黑體可以用標(biāo)準(zhǔn)黑體完成定標(biāo)。利用定標(biāo)源可 以獲得探測(cè)通道的定量化的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。3. 3光譜范圍和波段選擇 331光譜范圍大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，各類地物目標(biāo)(如植物、水體、土壤、物礦、巖

27、石和熱源體等)的特征光譜主要分布在400nm- 1100 nm的可見光/近紅外波段、1.2 P m-3. 0 13 nl短波紅外波段和8. 0 口葉12. 0 口 m長(zhǎng) 波紅外波段。從技術(shù)可行性和應(yīng)用需求方面考慮，多光譜成像儀的光譜范圍選 擇405nn1030nm的可見光/近紅外波段、1.0 P m- 2. 3 "m的短波紅外波 段和7.7 P m- 9. 5的長(zhǎng)波紅外波段，如表5所示。表5光譜范圍選擇波 段光譜范圍(M探測(cè)通道數(shù)可見光0. 405 0.6712近紅外0. 722 0.98短波紅外1.0 2.38長(zhǎng)波紅外7. 7 -10. 383. 3. 2波段數(shù)波段數(shù)的選取主要根據(jù)

28、探測(cè)器的光譜維像元數(shù)的多少及其像元 合并而定， 一般沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。已有的研究成果表明，特征光譜吸收峰的帶寬大多小于 20。根據(jù)多光譜成像儀對(duì)技術(shù)方案的指標(biāo)要 求，選取36個(gè)波段，其中包括12 個(gè)可見光波段、8個(gè)近紅外波段、8個(gè)短波紅外波段和8個(gè)長(zhǎng)波紅外波段。各 個(gè)波段中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的光譜帶寬的基本分布狀態(tài)如表6所示。表6光譜波段分布狀態(tài)光譜帶寬(nm)焦平面探測(cè)器通道名稱中心波長(zhǎng)(nm)141510可見243610可見346210可見448410可見550512可見6153212可見755512可見858012可見960714可見1062614可見1164214可見1265414可見1373

29、220近紅外1476020近紅外1578520近紅外1680230近紅外1782530近紅外1884230近紅外1986530近紅外2088230近紅外21113050短波紅外22128050短波紅外23144050短波紅外24161050短波紅外25178050短波紅外26195070短波紅外27211070短波紅外28225070短波紅外297860400長(zhǎng)波紅外308140400長(zhǎng)波紅外318350400長(zhǎng)波紅外328660400長(zhǎng)波紅外339020500長(zhǎng)波紅外349370500長(zhǎng)波紅外359760600長(zhǎng)波紅外3610130600長(zhǎng)波紅外3. 4探測(cè)器選擇341可見光/近紅外焦平面探

30、測(cè)器可見/近紅外CCD探測(cè)器的主要參數(shù)指標(biāo)如表7所示 表7可見/近紅外CCD探測(cè)器項(xiàng)目指標(biāo)波段(nm)400 900像元數(shù)1024X 1024像兀尺寸(m)7. 5 X 7. 5光學(xué)填充因子100%光學(xué)尺寸(mm)7. 7 X 7. 7響應(yīng)率(mV/lux s)450動(dòng)態(tài)范圍(dB)> 60幀頻(fps)30可見/近紅外據(jù)則器的響應(yīng)波段涵蓋了可見光波段和近紅外 波段，探測(cè)器在560nm處的量子轉(zhuǎn)換效率最高，如圖9所示。Wavelength (nrr l圖9可見/近紅外CCD探測(cè)器量子轉(zhuǎn)換效率與波長(zhǎng)關(guān)系曲線342短波紅外焦平面探測(cè)器短波紅外焦平面探測(cè)器的主要參數(shù)指標(biāo)如表8所示表8短波紅外焦

31、平面探測(cè)器主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)波段(4m)1. 0 2.3像元數(shù)320X 256像兀尺寸(4m)30 X 30冷屏F數(shù)0.5平均峰值D (cm HZ 2 W)> 1. 8 X 1012平均 NETD (mK)40工作溫度(K)250重量(g)V 150功耗(W)2 (250K)343長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器的主要參數(shù)指標(biāo)如表9所示表9長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)波段(4m)7.7 -10.3冷屏F數(shù)1平均峰值D(cm HZ 2 VV)9X 1O10最低峰值D (cm Hz12 W)3X 1O10平均 NETD (mK)25預(yù)冷時(shí).間(分鐘)6工作溫度(K)90

32、制冷量(W)0.4重量(g)650功耗(W)11 (90K)3. 5光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 5. 1光學(xué)系統(tǒng)選型光學(xué)系統(tǒng)選型要綜合考慮光譜分辨率、空間分辨率、探測(cè)靈敏度和體 積重量之間相互制約的因素。在地面輻射和反射的能量相對(duì)穩(wěn)定的情況 下，增加光譜通道和提高光譜分辨率將會(huì)降低每個(gè)通道的探測(cè)能量，因此 必須增加光學(xué)系統(tǒng)的有效通光口徑。反射式系統(tǒng)、折射式系統(tǒng)和折反射系統(tǒng)各自具有不同的優(yōu)勢(shì)和 適用范 圍。反射式物鏡在紅外系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，缺點(diǎn)是反射 式物鏡往往不 能滿足大視場(chǎng)大孔徑成像時(shí)的像質(zhì)要求；折反射鏡系 統(tǒng)體積大、加工難、 成本高、系統(tǒng)中間擋光部分會(huì)造成透射光能量 降低。通過比較反射式系統(tǒng)、折

33、射式系統(tǒng)和折反射系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜 合考慮 多光譜成像儀的技術(shù)指標(biāo)要求，本方案選擇采用指向鏡機(jī)構(gòu)的同軸折反式 光學(xué)系統(tǒng)，前端的全波段雙反射鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光路可折疊，有效地縮短了 光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。通過增大反射鏡的口徑，可以有效提高接收到的目標(biāo)輻 射能量，有助于改善系統(tǒng)信噪比。后端的折射透鏡將目標(biāo)光束會(huì)聚到焦平 面探測(cè)器上形成目標(biāo)圖像。折射透鏡采用非球面設(shè)計(jì)可以減少透鏡數(shù)量， 提高光學(xué)系統(tǒng)的能量傳輸效率。多光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)光路如圖10所示。3. 5. 2光譜分光方法光譜分光是多/高/超光譜技術(shù)中的核心技術(shù)之一。傳統(tǒng)的光譜分光方 式主要包括光柵分光、棱鏡分光和干涉分光，還有聲光可調(diào)諧濾光片、液 晶可調(diào)

34、諧濾光片、漸變?yōu)V光片、二元光學(xué)元件等其他光譜分光方法。這些 分光方法大多可以進(jìn)行全譜掃描，分辨率高。其中，光柵分光是目前應(yīng)用 比較廣泛且技術(shù)相對(duì)成熟的光譜分光方法。光柵分光和棱鏡式分光的結(jié)構(gòu) 比較龐大，對(duì)飛行平臺(tái)的負(fù)載能力要求高，不利于航天遙感儀器的輕量化 和小型化。傳統(tǒng)的光譜分 光方式都涉及機(jī)械傳動(dòng)裝置，不僅限制了信息讀 取速度，而且大大 降低了儀器的可靠性和抗振性。隨著光譜分光技術(shù)的發(fā)展和航天遙感儀器對(duì)分光組件的輕量化和微小 型化需求，采用與探測(cè)器兼容的無機(jī)械傳動(dòng)裝置的光譜分光技術(shù)，提高遙 感儀器的可靠性和抗振性，已成為航天遙感和深空探測(cè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)技 術(shù)之一。無機(jī)械傳動(dòng)裝置的光譜分光技

35、術(shù)主要通過濾光片分光來實(shí)現(xiàn)，濾光片 分光包括時(shí)間分解方式的可調(diào)諧濾光片和空間分解方式的集成濾光片。時(shí) 間方式的可調(diào)諧濾光片通過對(duì)濾光片的聲、光、電、熱等參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn) 分光；空間方式的集成濾光片包括階變?yōu)V光片列陣和漸變楔形濾光片等。 其中，時(shí)間分解方式的可調(diào)諧濾光片由于各通道不能同時(shí)工作，存在信息 讀取速度的問題。集成濾光片是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的一種微型空間濾光器，可與探 測(cè)器列陣組合共同構(gòu)成可識(shí)別的光譜探測(cè)器，簡(jiǎn)化分光系統(tǒng)，提高儀器的 可靠性、穩(wěn)定性和光學(xué)效率，減小其體積和重量，特別適用于航天遙感和 深空探測(cè)領(lǐng)域。集成濾光片主要優(yōu)點(diǎn)包括： 1）無移動(dòng)部件，可靠性高，穩(wěn)定性好；2）光譜定位準(zhǔn)

36、確性高，空間光譜分辨率高；在可見/近紅外、短波紅外 的光譜分辨率優(yōu)于10nm在長(zhǎng)波紅外波段的光譜分辨率優(yōu)于150nm；3）有利于系統(tǒng)的微小型化、集成化和輕量化。本方案選用集成濾光片作為光譜分光元件。分別在可見/近紅外、短波紅外和長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器前匹配安裝一片由多通道集成濾光片構(gòu)成的窗口，每片集成濾光片的帶通波段和通道數(shù)與相應(yīng)的探測(cè) 器波段相匹配，通過通道配準(zhǔn)可以構(gòu)成結(jié)構(gòu)緊湊、體積微小的多光譜探測(cè) 器組件。3. 5. 3光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)多光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表10所示表10光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)總視場(chǎng)(° )2.5光學(xué)入瞳口徑(mrh200系統(tǒng)焦距(mrh4

37、00系統(tǒng)F數(shù)2光學(xué)效率0.3成像寬度(km)31瞬時(shí)視場(chǎng)(P rad)可見/近紅外43短波紅外136長(zhǎng)波紅外136空間分辨率(m可見/近紅外30短波紅外95長(zhǎng)波紅外95波段(|J m可見/近紅外0. 405 0. 9短波紅外1. 0 2.3長(zhǎng)波紅外7. 7 -10. 3光譜分辨率可見/近紅外10-30(nni)短波紅外50 70長(zhǎng)波紅外400-700多光譜成像儀成像時(shí)對(duì)應(yīng)地面幅寬為31km為了擴(kuò)大觀測(cè)范圍，多光譜 成像儀光學(xué)系統(tǒng)前端的指向鏡機(jī)構(gòu)，可以在沿衛(wèi)星飛行方向上實(shí)現(xiàn)從星下 點(diǎn)向左或向右一定角度范圍內(nèi)的視場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力，可根據(jù)具體應(yīng)用需要確定 指向范圍。如圖n所示。31km、衛(wèi)星/圖11指向鏡

38、工作模式示意圖3. 6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：光學(xué)結(jié)構(gòu)，整體框架，指向機(jī)構(gòu)， 可見光探測(cè)器組件（含前端電子學(xué)電路），紅外探測(cè)器組件（含 前端電子 學(xué)電路）與制冷機(jī)，定標(biāo)源和后端信息處理與控制電路結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)組成 如圖如所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證各光學(xué)鏡 頭之間，以及與探測(cè)器之間位置的精確度與穩(wěn)定性，必須滿足高精度、高 熱及力學(xué)穩(wěn)定性要求。整體框架是多光譜成像儀中各組件的承載主體，為各組件的安裝提供基準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，精度及穩(wěn)定性直接關(guān)系到系統(tǒng)整體的光 機(jī)特性。指向鏡及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)穩(wěn)定性 對(duì)成像 質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接影響，因此，在

39、材料選擇，材料熱匹配，軸承選型，結(jié)構(gòu) 精度方面要進(jìn)行全局綜合考慮、分析和設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。指向鏡可見/近紅外短波紅外探測(cè)器組件 探測(cè)器組件整體框架長(zhǎng)波紅外 探測(cè)器組件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)制冷機(jī)圖12系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖光學(xué)系統(tǒng)3.7前端電子學(xué)系統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì)以面陣探測(cè)器為核心展開，產(chǎn)生探測(cè)器信號(hào)讀出和A/D 轉(zhuǎn)換控制時(shí)序、探測(cè)器偏置電壓，對(duì)探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn) 換，輸出目標(biāo)輻射的數(shù)字圖像。其中，邏輯時(shí)序電路通過可編程邏輯器件 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。前端電子學(xué)系統(tǒng)的工作原理如圖13所示。供電電源與探測(cè)器偏置提供探測(cè)器及其外圍各部分電路所需要的模擬 電路電源和數(shù)字電路電源以及探測(cè)器所需要的

40、固定偏置電源、可調(diào)偏置電 源；探測(cè)器偏置電源選用高穩(wěn)定度、低噪聲電壓參考源提供電壓基準(zhǔn)，采用運(yùn)算放大器組成的有源低通濾波器提供電流驅(qū)動(dòng)，可以滿足探測(cè)器對(duì)偏置電源的低噪聲要求。電源與偏置目標(biāo)信號(hào)溫 控控制脈沖同步脈沖.可編程邏輯器件FPGA基頻時(shí)鐘信號(hào)預(yù)放轉(zhuǎn)換控制II模數(shù)轉(zhuǎn)換)圖像數(shù)據(jù)訪問控制晶體振蕩器雙端口存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)接口圖13前端電子學(xué)系統(tǒng)功能框圖信號(hào)預(yù)處理放大電路的主要功能是通過調(diào)整探測(cè)器輸出模擬信號(hào)的增 益、偏移電平以及信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，使模擬信號(hào)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài) 范圍相匹配，達(dá)到充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換精度的目的。實(shí)際電路增益要根據(jù)目標(biāo)與背景的信號(hào)特性、探測(cè)器背景信號(hào)存在固 有的不均

41、勻性、探測(cè)器輸出電壓范圍及電路信噪比等因素來確定。對(duì)探測(cè)器輸出模擬信號(hào)進(jìn)行電平偏移，并進(jìn)行抗混疊濾波處理，可以 充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。電路頻率帶寬的設(shè)置由探測(cè)器輸出信號(hào)、圖像采集幀頻及預(yù)處理放大 電路的帶寬決定信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍取決于噪聲電壓、目標(biāo)輻射能量信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換器分辨 率。A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率與圖像采集電路主時(shí)鐘頻率保持一致，采用低噪 聲電壓參考芯片為A/D轉(zhuǎn)換器提供外部電壓參考，可以降低A/D轉(zhuǎn)換器參 考電源引入的噪聲。FPGA邏輯時(shí)序電路提供探測(cè)器各種驅(qū)動(dòng)信號(hào)、探測(cè)器增益控制、A/D 轉(zhuǎn)換控制、雙端口 RAM存儲(chǔ)器讀寫控制時(shí)序以及數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出等?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA選用

42、美國(guó)ACTEL公司產(chǎn)品，型號(hào)為 500K050,封裝形式為FQFP208。芯片內(nèi)部具有邏輯單元約10萬門，4個(gè) 驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的全局時(shí)鐘，最大可用I/O有204個(gè)，易于實(shí)現(xiàn)邏輯時(shí) 序。芯片內(nèi)部捆綁有6個(gè)存儲(chǔ)量為256刈Bits的SRAM,可以 直接在 FPGA內(nèi)部對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，無須專門配置外部數(shù)據(jù)緩存器。芯片采用 3. 3V或2. 5V低壓供電方式，可以減小芯片功耗。采用VHDL語言配置FPGA芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)序產(chǎn)生、內(nèi)部數(shù)據(jù)表建立、 A/D轉(zhuǎn)換控制和RAM驅(qū)動(dòng)等邏輯控制與驅(qū)動(dòng)功能。3. 8后端信息處理與控制系統(tǒng)這是多光譜成像儀進(jìn)行信息處理和系統(tǒng)控制的核心部分，其主要功能 包括：1）可見/近紅外

43、、短波紅外和長(zhǎng)波紅外各通道的圖像信息處理；2）探測(cè)器非均勻性校正和探測(cè)器壞元修補(bǔ)；3）隨機(jī)噪聲和背景干擾去除；4）各通道信息匯合和信息格式編排；5）按照輸出格式的要求輸出遙感信息；6）指向機(jī)構(gòu)的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)與控制；7）紅外探測(cè)器制冷機(jī)控制；8）遙測(cè)遙控與數(shù)據(jù)通信。后端信息處理與控制系統(tǒng)內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，包括3個(gè)信息處理模塊、1個(gè)指向機(jī)構(gòu)測(cè)控模塊、1個(gè)制冷機(jī)控制模塊、1個(gè)標(biāo)源控制 模塊和1個(gè)系統(tǒng)通訊與控制模塊；每個(gè)信息處理模塊分別對(duì)應(yīng)不同的焦平面 探測(cè)器及其前端電子學(xué)系統(tǒng)，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能；指向機(jī)構(gòu)測(cè)控模塊 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要完成對(duì)指向機(jī)構(gòu)的伺服控制；制冷機(jī)控制模塊通過測(cè)量和控制制冷機(jī)的工作

44、狀態(tài)，為紅外焦平面探測(cè)器提供低溫工作環(huán)境；定標(biāo)源控 制模塊控制定標(biāo)源組件的運(yùn)動(dòng)，將定標(biāo)源信號(hào)引入系統(tǒng)光路，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感數(shù) 據(jù)的量化標(biāo)定，完成標(biāo)定后將定標(biāo)源信號(hào)退出系統(tǒng)光路；系統(tǒng)通訊與控制模 塊完成各模塊之間的協(xié)調(diào)管理以及多光譜成像儀與星載計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù) 通訊。模塊之間采用CAN總線和LVDS總線分別完成測(cè)量信息和圖像信息的 傳輸。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)原理框圖如圖14所示?？梢娊t外信息處理短波紅外信息處理長(zhǎng)波纖外信息處理制冷機(jī)控制定標(biāo)源控制指向機(jī)構(gòu)測(cè)控卜一:支ii 系統(tǒng)通訊與控制CAN總線LVDS總線八 遙控信息遙測(cè)信息星載計(jì)算機(jī)圖14后端信息處理與控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖后端信息處理與控制系統(tǒng)的核心器件

45、選用DSP處理芯片。DSP芯片的選型要綜合考慮其信息處理速度、數(shù)據(jù)吞吐能力、外圍電路配置、系 統(tǒng)時(shí)序控制以及芯片質(zhì)量等級(jí)與可靠性等諸多因素，以滿足探測(cè)器非均勻性 校正、背景噪聲去除、圖像處理等復(fù)雜軟件算法對(duì)系統(tǒng)處理能力和系統(tǒng)體積 重量功耗等工程化指標(biāo)的要求。DSP處理芯片選用TI公司浮點(diǎn)系列運(yùn)算芯片。該系列芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)核CPU外設(shè)和存儲(chǔ)器組成；采用0. 18umCM0工藝，由5層金屬制 成；BGA256封裝形式具有較好的電氣性能，芯片尺寸??；采用低壓供電技 術(shù)，其中I/O供電為3. 3V,內(nèi)核供電為1.8V,大大節(jié)省了功耗；內(nèi)部時(shí)鐘 有 150MHz 100MHzCPU內(nèi)核主要包括程序

46、取指單元、指令分配單元、指令譯碼單元、32 位存儲(chǔ)器、控制寄存器、控制邏輯、測(cè)試仿真和中斷邏輯、可進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理 的兩個(gè)數(shù)據(jù)通路，每個(gè)通路有4個(gè)功能單元和一組16個(gè)32位寄存器。功能 單元執(zhí)行邏輯、位移、乘法、加法和數(shù)據(jù)尋址等操作。兩個(gè)數(shù)據(jù)單元專門負(fù) 責(zé)寄存器組和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳遞。I SDRAMSBSRAM 1I SRAMLit* ma IMwiQryInterfaceIEMIF)ROM FLASHL1PC4GMDirect Mapped原 Bytes TotalTtrwr 0Timer 1Framing Chips: H.IQO.lfVIP.SC6A.T1 工 1AC97 Devk#&#

47、171;( SPI Deviom CodecsMuMkham*tBvffqrMR Port 1(McBSPI)Mullkh«rm»fBufferedSwcIaI Pott 0(McBSPO)EnhancedDMAController(16 channel1Mwnory4 BanksUK Byt”ToUlC«J0(r- CPU (DSP CgHost PortInterface(HPI)InterruptLW Cache24y S«tAssociative4K Bytes TotalGPIQlHPow«r-Down I LogicBotConii

48、guiauonC6711/C6711B/C6711C Digital Signal Processors圖15 DSP處理芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和CPU!圖存儲(chǔ)器主要包括第一層片內(nèi)程序緩存器、第一層片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖 器、第二層統(tǒng)一的存儲(chǔ)器、外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部程序和數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器通過EMIF和CPU®訊，外部空間最大容量為64MB分為4個(gè)彼此獨(dú)立的空間，可以進(jìn)行不同的訪問控制；EMIF支持SBSRA、SDRAM SRAM ROM FIFO等存儲(chǔ)器與DSP的無縫接口DSP處理芯片的外圍電路包括雙口 RAM存儲(chǔ)器、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM閃存FLASH CAN總線協(xié)議與驅(qū)動(dòng)芯片、LVDS總線協(xié)議與

49、驅(qū) 動(dòng)芯片、D/A轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)電源、系統(tǒng)時(shí)鐘等。3. 9系統(tǒng)探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)探測(cè)靈敏度與系統(tǒng)有效口徑、系統(tǒng)光學(xué)效率、探測(cè)器響應(yīng) 率、探 測(cè)器駐留時(shí)間和探測(cè)器占空比等參數(shù)成正比，與探測(cè)器像元的尺寸成反比。 對(duì)可見/近紅外、短波紅外和長(zhǎng)波紅外等不同的波段而言，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度 采用不同的分析和度量方法。3.9.1可見/近紅外、短波紅外通道多光譜成像儀的可見/近紅外波段、短波波段主要接收地面反射的太陽 輻射，系統(tǒng)在這個(gè)波段的探測(cè)靈敏度可用噪聲等效反射率差NE表示，即噪 聲等效輻亮度差與太陽反照率之比。這里太陽反照率是指太陽輻射理想漫反 射后產(chǎn)生的輻照度。系統(tǒng)的噪聲等效輻亮度差NEX N為:NE

50、 N（乓f ）Ao Q其Q為瞬時(shí)視場(chǎng)立體角；中./為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;T 0為大氣透過率；T .頭/受玄緒的深. f為系統(tǒng)帶寬；D為探測(cè)器探測(cè)率平均值；Ad為探測(cè)元面積。系統(tǒng)在可見/近紅外波段、短波波段的探測(cè)靈敏度注肓表示為:Hsun其中：“sun是大氣頂部的太陽輻照度采用以上方法可以分析估算出多光譜成像儀在可見/近紅外波段、短波紅外波段的探測(cè)靈敏度。3. 9. 2長(zhǎng)波紅外通道長(zhǎng)波紅外通道的探測(cè)靈敏度通常用噪聲等效溫差NET 表示。物體溫度、比輻射率的變化都能引起輻射的變化，定義噪聲等效溫差 時(shí)，假設(shè)目標(biāo)、背景都是黑體，如兩者溫差等于噪聲等效溫差時(shí)，系統(tǒng)所 接收到的輻亮度差等于系統(tǒng)的噪聲等效輻

51、亮度差。噪聲等效溫差NET 可 以表示為：NETD =慎？昵皿八Mnwd九i汀其中，Q為瞬時(shí)視場(chǎng)立體角；。為光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑；T 0為大氣透過率；Ta為光學(xué)系統(tǒng)效率； f為系統(tǒng)帶寬；D*為探測(cè)器探測(cè)率平均值；3為過程因子；F為冷屏F數(shù)；仃）d為單位溫度變化引起的入入2波段范圍內(nèi)T 1輻射發(fā)射量變化。采用以上方法可以分析估算出多光譜成像儀在長(zhǎng)波紅外波段的探測(cè)靈敏度。3.9.3探測(cè)通道的動(dòng)態(tài)范圍多光譜成像儀應(yīng)有足夠的信噪比和豐富的層次，才能滿足對(duì)地物清晰 成像的要求。因此，系統(tǒng)應(yīng)具備一定的動(dòng)態(tài)范圍。影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的主要因素包括成像目標(biāo)的反射率范圍（可見和短波紅外)、目標(biāo)的300K等效黑體溫度范圍

52、(長(zhǎng)波紅外)及各通道的信號(hào)放大 電路增益。在基本確定成像目標(biāo)在相應(yīng)波段的反射率和溫度特 性的前提 下，通過設(shè)置各通道信號(hào)放大電路的增益就可以完成對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整。3. 10系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)多光譜成像儀設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表11所示表11系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)總視場(chǎng)(° )2.5光譜范圍(Pm可見光0. 405 0.67近紅外0. 722 -0.9短波紅外1.0 2.3長(zhǎng)波紅外7. 7 -10. 3波段數(shù)可見光12近紅外8短波紅外8長(zhǎng)波紅外8光譜分辨率(nm可見光10 74近紅外20 30短波紅外50 70長(zhǎng)波紅外400-700瞬時(shí)視場(chǎng)(11rad)可見/近紅外43短波紅外136長(zhǎng)波紅外136成像寬度(km31行像元數(shù)空間分辨率(m可見/近紅外1024短波紅外320長(zhǎng)波紅外320可見/近紅外30短波紅外95長(zhǎng)波紅外95體積(nT)0. 95 X 0. 55 X 0. 40重量(kg)< 50功耗(W< 60數(shù)據(jù)率< 20Mbps量化12bit多光譜成像儀各主要組成部分的重量功耗預(yù)分配如表12所示表12系統(tǒng)重量功耗預(yù)分配部件名稱重量 (kg)功耗(W可見/近紅外探測(cè)組件13短波紅外探測(cè)組件(含制冷機(jī))715長(zhǎng)波紅外探測(cè)組件（含制冷機(jī)