多光譜與紅外探測器技術方案

多光譜成像與紅外探測傳感器技術方案報告中國科學院上海技術物理研究所2006年7月目錄TOC\o"1-5"\h\z引言1多光譜成像技術的發(fā)展狀況1多光譜成像技術的特點.1多光譜成像遙感儀器.2多光譜成像與紅外探測傳感器總體技術方案13研究目標和主要技術指標要求.13系統(tǒng)總體技術方案.13系統(tǒng)組成13系統(tǒng)工作原理.14光譜范圍和波段選擇.15光譜范圍15波段數(shù)15探測器選擇173.4.1可見光/近紅外焦平面探測器...173.4.2短波紅外焦平面探測器.18?亠?/?f▲■/丿k‘■」/|/11丿■■I7"1▼?/、71—11—1?3.4.3長波紅外焦平面探測器.19?亠?▼■/丿k‘■」/|/>?11丿■■I7"1■?/、71—11—1?3.5光學系統(tǒng)設計...19pyQ4々、L匕兀v\?3.5.1光學系統(tǒng)選型.193.5.2光譜分光方法.203.5.3光學系統(tǒng)技術指標....22jx?jx?jx丿7/7—yLJ7/^^xI71~~1]7????3.6結構設計233.7前端電子學系統(tǒng)....24?1nu*^iiun_ij4^xj></u?3.8后端信息處理與控制系統(tǒng).263.9系統(tǒng)探測靈敏度和動態(tài)范圍.293.9.1可見/近紅外、短波紅外通道...293.9.2長波紅外通道.303.9.3探測通道的動態(tài)范圍.30TOC\o"1-5"\h\z3.10系統(tǒng)主要技術性能指標31關鍵技術分析33紅外焦平面探測器及其空間應用技術33集成濾光片技術.33指向機構的空間適應性.33輕量化寬波段成像光學系統(tǒng)技術34系統(tǒng)性能指標測試方法34光譜分辨率測試.34空間分辨率測試.35探測靈敏度測試.35外場成像試驗.35結論361引言在遙感技術中，光譜分析技術儀以獲得被觀測目標的光譜信息為目標，具有較高的光譜分辨率；二維成像技術以獲取被觀測目標的二維空間信息為目標，具有較高的空間分辨率。隨著遙感技術和應用的發(fā)展，開發(fā)高空間分辨率和高光譜分辨率的“圖譜合一”的遙感技術成為必然趨勢。20世紀80年代出現(xiàn)的光譜成像技術正是這種全新的光電遙感技術，光譜成像技術的實質是將二維成像遙感技術和光譜分析技術有機地結合在一起，在實現(xiàn)對觀測目標進行二維形態(tài)成像的同時，可以獲取觀測目標的連續(xù)光譜信息。利用光譜成像技術獲取的遙感信息中，既包含觀測目標的二維空間信息，也包含觀測目標豐富的光譜特征信息。光譜成像技術經(jīng)過二十多年的發(fā)展，技術水平日趨成熟，在航空航天遙感領域得到了廣泛應用，世界各國都非常重視成像光譜技術的發(fā)展。2多光譜成像技術的發(fā)展狀況多光譜成像技術的特點利用多光譜成像技術能夠對觀測目標進行精細探測，獲得高靈敏度、高分辨率的信息，技術特點表現(xiàn)在以下幾個方面。波段多光譜成像技術基本上屬于多光譜掃描技術的范疇，不同之處在于光譜成像技術掃面的波段數(shù)目大大增加，在可見光和近紅外光譜區(qū)間內一般可以有幾十甚至數(shù)百個波段，在每一個通道上，按照波長排列順序都可以得到該波段被觀測目標的光譜曲線和圖像。如果對每個波段成像時的時間信息進行測量，那么每一個通道的像元就可得到一個影像光譜曲面。光譜分辨率高采用光譜成像技術對光譜進行掃描時，光譜間隔一般優(yōu)于20nm。光譜間隔越小，光譜分辨率越高；精細的光譜分辨率可以反映被測目標光譜的細微特征，使得在光譜域內進行遙感定量分析和研究被測目標的化學成分成為可能。圖像和光譜合二為一在獲取被觀測對象二維空間信息的同時，在連續(xù)光譜段上對同一被觀測目標進行分光譜成像。光譜圖像數(shù)據(jù)中每一個像元含有與被觀測目標組分有關的光譜信息，能直接反映出目標的光譜特征，使得圖像信息和光譜信息二者有機地結合在一起。光譜波段選擇、光譜定位精度和通道帶寬可以根據(jù)應用目標確定，提高應用目標的針對性和準確性。由于多光譜成像技術具有波段多、光譜分辨率高、圖像和光譜相結合等特點，在人類對地觀測領域中顯示出了突出的優(yōu)勢，成為許多對地觀測衛(wèi)星遙感有效載荷的核心技術之一，已逐漸應用于大氣、海洋、環(huán)境等變化的觀測，受到各國的極大重視。2.2多光譜成像遙感儀器光學成像遙感儀器的發(fā)展歷程如圖1所示。圖1遙感儀器成像技術發(fā)展概況I過Fg佃Tedliun翼I'tCRrlOLA..j',gCJb聲Li吐L上n<鼻-擁MirinilllA|>clivre1：米用單兀探測器和掃描系統(tǒng)的光學成像遙感儀器是光學成像技術在空間^kPMCi*U"hLDhf?erA±r■CdtinuJofLcrue.mI過Fg佃Tedliun翼I'tCRrlOLA..j',gCJb聲Li吐L上n<鼻-擁MirinilllA|>clivre1：米用單兀探測器和掃描系統(tǒng)的光學成像遙感儀器是光學成像技術在空間^kPMCi*U"hLDhf?erA±r■CdtinuJofLcrue.mtJlirlrrliifAmry啊OlMrirAjKirture生j碎工p20SmiyUSEhcpjjjniffliufEstr"応聊蝕皿?J*n?隔2S""mer(atmtH)她r你firjtech-afrunnJW(cgrrnrHhanging(ipropuW,firxfitLftrnm"n")McmrviW畑ihicaJIma^infSpvctnmfUrfCBHTfflU應用的開始階段。比較典型的代表產品為可見紅外掃描輻射計。應用于美國NOAM星的掃描輻射計AdvaneedVeryHighResolutionRadiometer(AVHR具有可見、近紅外、中紅外、熱R紅外波段探測能力，可見光至近紅外波段較寬，分為1個可見光通道和1個近紅外通道，另外還有1個中紅外通道和2個熱紅外通道。采用同軸光學系統(tǒng)，用45°掃描鏡獲取地面圖像，地面分辨率為l.lkm。我國風云一號氣象衛(wèi)星的十通道掃描輻射計采用同軸共焦雙拋物面反射式望遠鏡光學系統(tǒng)、輻射制冷碲鎘汞探測器和掃描鏡機構獲取目標圖像，在870km軌道高度上對應的地面分辨率為1.1km。光譜分析儀經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，研究對象擴展到各種物質層次和物態(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、散射光譜方法外，還有偏振、旋光、光聲、光熱、光導等光譜方法，以及微分光譜、調制光譜、富立葉變換、哈特瑪變換光譜、干涉分光、相關光譜法等?，F(xiàn)在的光譜分析儀波段寬：長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、高重復性和穩(wěn)定性都得到了顯著提高。隨著線列陣和面陣探測器的出現(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器推掃、并掃或凝視成像的新型光學成像遙感儀器得到發(fā)展。MEdiumResolutionImagingSpectrometerinstrument（MERIS是歐空局研制、安裝在運行高度為824km的歐洲極軌環(huán)境衛(wèi)星Envisat-1上的中分辨率成像光譜儀。MERIS主要用于測量海洋向上輻射部分的光譜特性、陸地變化監(jiān)測和收集大氣狀況的數(shù)據(jù)。MERIS在400nm"1050nm的波長范圍內至少有10個光譜段，最高光譜分辨率為1.25nm,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行調整。MERIS的總視場為82°，覆蓋區(qū)寬度為1500km每兩天覆蓋全球一次；具備指向功能，通過遙控指令可使其視場沿軌跡方向移動，從而可以消除太陽反輝區(qū)效應。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空間分辨率為300m壓縮模式下為1200mMERIS的光學系統(tǒng)采用模塊化結構（如圖2所示），總視場82°分配給六個光學艙，每個光學艙的視場為14°，相鄰兩個光學艙的視場具有一定的重疊,可以進行校準和標定。六個光學艙按扇形排列,使進入艙內的光束在裝置外部交于一點。每個光學艙內配置一組透鏡和一只CCD探測器，通過公共的指向棱鏡來觀測地球。圖2MERIS成像示意圖光學艙由一個地面成像透鏡、一個狹縫和一個采用凹面光柵的光譜儀組成。目標能量通過光柵光譜儀的狹縫在穿軌方向成像一個條帶。狹縫被成像在一個兩維的CCD陣列上從而獲得光譜和空間的瞬時信息。每個光學艙內部采用離軸折反射光學系統(tǒng)，焦距71mm狹縫寬度22.5卩m光學艙內的光學系統(tǒng)如圖3所示。MERIS的最大特點是探測通道的光譜位置和寬度可以編程控制，在400nm-1050nm范圍內設置并下傳15個光譜通道信息，譜段寬度1.2530nmMERIS在壽命期內可以根據(jù)任務目的和優(yōu)先權而改變光譜通道的中心波長、帶寬和增益。

rl4ItIaI畑輝rl4ItIaI畑輝It'圖3MERIS光學艙內光路圖我國自行研制第一臺中分辨率成像光譜儀于2002年3月25日隨“神舟三號”飛船發(fā)射并成功運行。這臺儀器工作在343km高度的非太陽同步軌道，共有34個波段，光譜范圍覆蓋可見光到熱紅外，地面景象分辨率為500m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、20X22元Si面陣探測器、4波段帶短波讀出電路的4X22元HgTeCc紅外焦平面組件、雙驅動對置式Stirling制冷機、實時響應非均勻性校正處理等技術,促進了我國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指標如表1所示。表1“神舟三號”飛船中分辨率成像光譜儀主要技術性能光譜范圍（卩m可見光近紅外短波紅外長波紅外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20nm20nm0.1卩m0.5卩m1卩m信噪比NETD>1000（一個太陽常數(shù)，0.5卩m處）>300（一個太陽常數(shù)）〈0.2K（T=300K）<0.2K（T=300K）測量精度10%1K（T=300K）1K（T=300K）空間分辨率1.5mr掃描范圍土44°中分辨率成像光譜儀采用雙面鏡旋轉掃描機構，探測器為22元面陣探測器，面陣探測器的一維是空間維，另一維是光譜維，對地面目標穿飛行軌跡掃描由旋轉雙面反射鏡實現(xiàn)。光學系統(tǒng)采用可見近紅外和熱紅外獨立設計的雙光路設計、可見和近紅外波段采用棱鏡分束直接耦合和光柵分光；探測器包含可見、近紅外面陣探測器和紅外焦平面集成組件，紅外元件采用斯特林制冷方式。光機結構采用為雙光路結構，紅外系統(tǒng)與可見/近紅外系統(tǒng)分別在各自的光學系統(tǒng)中成像，如圖4所示。2.15「2.258.40—8.9010.3—11.3■11.5——f-160mmD=11Omm口m/￡m2.15「2.258.40—8.9010.3—11.3■11.5——f-160mmD=11Omm口m/￡m//m3mf=200mmD-110mmI?OV?7^0,403——0.8030843—1013FOV2.8°IF0V=1,5mr圖4中分辨率成像光譜儀光學系統(tǒng)示意圖/trti/.Im中分辨率光譜成像儀MODIS-N是美國EOS計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-N八別安裝在Terra星和Aqua星上成功發(fā)射。MODIS勺主要技術指標如表2所示。表2MODIS技術指標項目技術指標軌道705km，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，與軌道垂直。刈幅2330km成像幅寬10km空間分辨率250m（通道1?2）,500m通道3?7）,1000m（通道8?36）。望遠鏡系統(tǒng)直徑17.78cm,離軸非球面（平行光）。體積1.0mx1.6mx1.0m

重量250kg功耗225w數(shù)據(jù)率10.6Mbps（白天峰值）；6.1Mbps（單軌）。量化12bitMODIS采用雙面鏡旋轉掃描的方式對地成像，以每次10km的寬度將地物圖像送到光學系統(tǒng)，MODIS吉構布局如圖5所示。WWNFRAMESPECTRCRADIOMETRIC匯/眛D'軌申”CALIBRATIONASSEMBLY[SRCA>SQlAROFcUSERSIABILHYWONlTORtS&SM)SCAMURROR3LACK0OOYtMINELECTROMCS一MODULERE曾3LACK0OOYtMINELECTROMCS一MODULERE曾SPACEVEWPftlMARVRACATfVECOOLERDOOR圖5MODIS結構布局圖MODIS采用折反射混合光學系統(tǒng)，光線經(jīng)雙面鏡旋轉掃描入射到口徑為門178mn的離軸兩鏡望遠鏡系統(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）和長波紅外（LWIR等4個透鏡組，最后成像到各波段焦平面探測器（FPA上。MODIS光學系統(tǒng)如圖6所示。MERIS分別米用10兀、20兀、40兀的面陣探測器獲取地面目標的信息，對應的空間分辨率分別為1000m500m和250m在每個FPA上分別安有各波段的光電檢測器和A/D變換器，將圖像變?yōu)閿?shù)字信號，再經(jīng)格式化器和緩沖器將信號輸出。

NW1'>3^1rLW1Rf■■■P：NW1'>3^1rLW1Rf■■■P：-HrMODIS腳圖BhflSTBriefingM;iyFOCAJLPLWEVISFOCALPLMIE】9圖6MODIS光學系統(tǒng)光路示意圖MODIS有36個分離的探測通道，其中可見近紅外通道16個，短波紅外通道4個，中波紅外通道6個，熱紅外通道10個。各通道的光譜分辨率依據(jù)研究目標的不同而不同，MODIS-N的波段分布特征如表3所示。表3MODIS波段分布特征波段序號波段寬度(nm光譜靈敏度(W/m?卩m-sr)信噪比或NETD(K)應用1620?67021.8128陸地與云的2841?87624.7201界限3459?47935.32434545?56529.0228陸地與云的性質51230?12505.47461628?16527.327572105?21551.0110

8405?42044.98809438?44841.983810—1483?49332.1802海洋顏色、水體表層性質、生物化學11526?53627.975412546?55621.075013662?6729.591014673?6838.7108715743?75310.258616862?8776.251617890?92010.016718931?9413.657大氣水分19915?96515.0250203.660?3.8400.45(300K)0.05213.929?3.9892.38(335K)2.00地表/云溫度223.929?3.9890.67(300K)0.07234.020?4.0800.79(300K)0.07244.433?4.4980.17(250K)0.25大氣溫度254.482?4.5490.59(275K)0.25261.360?1.3906.00150卷云276.535?6.8951.16(240K)0.25287.175?7.4752.18(250K)0.25水汽298.400?8.7009.58(300K)0.05309.580?9.8803.69(250K)0.25臭氧3110.780?11.2809.55(300K)0.05地表/云溫3211.770?12.2708.94(300K)0.05度

3313.185?13.4854.52(260K)0.25云頂咼度3413.485?13.7853.76(250K)0.253513.785?14.0853.11(240K)0.253614.085?14.3852.08(220K)0.25MODIS-N在軌運行期間每天向地面?zhèn)鬏??4次多通道遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率250n?1000m在大氣溫度、降水、輻射、臭氧等方面，以及土地覆蓋變化、生物生長量變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等方面得到廣泛應用，MODIS已成為目前世界上最為有效的環(huán)境監(jiān)測遙感儀器，也為我國大氣研究、地學研究和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了不可多得的數(shù)據(jù)信息。在MODIS成功應用的基礎上，美國己開始研制新一代光譜成像儀

Visible/InfraredImager/RadiometerSuite（VIIRS），作為MODIS的改進產品。VIIRS共有22個通道，光譜范圍覆蓋可見至長波紅外波段，其中可見/近紅外有9個通道，中短波紅外波段有8個通道，長波紅外波段有4個通道，另有1個微光通道。VIIRS將掃描幅寬拓寬至3000km，基本可以達到每天覆蓋地球；VIIRS有兩種不同的空間分辨率，其中有一個長波紅外通道的分辨率也達到370m。VIIRS外形結構如圖7所示。圖7VIIRS外形結構示意圖VIIRS采用離軸光學系統(tǒng)，系統(tǒng)口徑為①191mm由四個焦平面

探測器和相應的電路部分構成信息獲取系統(tǒng)。主要性能如表4所示表4VIIRS主要性能指標通道名稱中心波長(nm)通道光譜帶寬(nm)空間分辨率(m)焦平面組件Ml41220740可見近紅外M244518740可見近紅外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M11225050740短/中波紅外M123700180740短/中波紅外M134050155740短/中波紅外M148550300740長波紅外M15107631000740長波紅外M1612013950740長波紅外DNB700400370微光通道I164080370可見近紅外1286539370可見近紅外I3161060370短/中波紅外I43740380370短/中波紅外15114501900370長波紅外光學遙感儀器成像技術的發(fā)展歷程表明：每次的技術進步，都使光學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，遙感應用對新型光學有效載荷的要求不僅是獲取更為清晰的圖像，而且要求在復雜背景下獲得特定目標的特征光譜信息。因此，將多光譜技術和二維成像技術結合在一起形成的多光譜成像技術成為新一代光學成像遙感儀器的發(fā)展趨勢，也為遙感應用水平的提高奠定了技術基礎。3多光譜成像與紅外探測傳感器總體技術方案3.1研究目標和主要技術指標要求隨著我國衛(wèi)星技術的發(fā)展和國內用戶對應用衛(wèi)星的日益增長的需求，在軍用、民用大衛(wèi)星及其有效載荷發(fā)展較快的同時，小衛(wèi)星平臺和微小衛(wèi)星平臺及其有效載荷的發(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。由于小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星的研制具有重量輕、成本低、易于批量生產等優(yōu)點，將在國防、民用等領域發(fā)展中起著越來越重要的作用。小衛(wèi)星平臺的應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。基于以上應用背景和需求，本文提出研制適用于小衛(wèi)星平臺的多光譜成像和紅外探測傳感器技術方案。多光譜成像儀的主要技術指標要求：1）小衛(wèi)星軌道高度為600km"700km；2）波段數(shù)大于32個；3）重量小于50kg；）地面分辨率小于100n。3.2系統(tǒng)總體技術方案3.2.1系統(tǒng)組成多光譜成像儀由光學系統(tǒng)、定標源、探測器組件與前端電子學系統(tǒng)和后端信息處理與控制系統(tǒng)等五個部分組成。多光譜成像儀的系統(tǒng)功能框圖如圖8所示。

322系統(tǒng)工作原理波段長波紅外■322系統(tǒng)工作原理波段長波紅外■分光濾光橡聚鏡成會透—?可見光CCD面陣探測器前端電子學系統(tǒng)1成像會聚■透鏡—?短波紅外面陣探測器—?前端電子學系統(tǒng)2成像會聚透鏡—?長波紅外面陣探測器->前端電子學系統(tǒng)3短波紅外光學系統(tǒng)由反射鏡、透射鏡、分光元件和光機結構等部分組成。光學系統(tǒng)接收來自目標和背景的光輻射信號。采用面陣探測器推掃技術獲得目標二維圖像信息，同時通過分光元件、濾光片和面陣探測器獲得目標的光譜信息。探測器組件采用可見光面陣CCD和紅外焦平面器件，探測器安裝在光學系統(tǒng)的焦平面上，將目標光輻射信號轉化為模擬電信號；前端電子學系統(tǒng)產生探測器信號讀出和A/D轉換控制時序、探測器偏置電壓，對探測器輸出的模擬信號放大、A/D轉換，輸出數(shù)字化目標光輻射信號。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)定的格式進行處理，加入其它與系統(tǒng)工作狀態(tài)有關的參數(shù)信息，與圖像信息進行編排，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，完成對指向鏡機構的檢測與控制、探測器制冷機控制、遙控遙測及數(shù)據(jù)通信等測控功能。定標源由可見/近紅外定標器、紅外輻射黑體組成，可見/近紅外定標器以太陽作為輻射光源，紅外輻射黑體可以用標準黑體完成定標。利用定標源可以獲得探測通道的定量化的輻射強度數(shù)據(jù)。光譜范圍和波段選擇331光譜范圍大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，各類地物目標(如植物、水體、土壤、物礦、巖石和熱源體等)的特征光譜主要分布在400nm-1100nm的可見光/近紅外波段、1.2卩m-3.0卩m短波紅外波段和8.0卩葉12.0卩m長波紅外波段。從技術可行性和應用需求方面考慮，多光譜成像儀的光譜范圍選擇405nn—1030nm的可見光/近紅外波段、1.0卩m—2.3卩m的短波紅外波段和7.7卩m—9.5卩m的長波紅外波段，如表5所示。表5光譜范圍選擇光譜范圍(M探測通道數(shù)可見光0.405?0.6712近紅外0.722?0.9短波紅外1.0?2.3長波紅外7.7?10.33.3.2波段數(shù)波段數(shù)的選取主要根據(jù)探測器的光譜維像元數(shù)的多少及其像元合并而定，一般沒有嚴格的標準。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)多光譜成像儀對技術方案的指標要求，選取36個波段，其中包括12個可見光波段、8個近紅外波段、8個短波紅外波段和8個長波紅外波段。各個波段中心波長和相應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)光譜帶寬(nm)焦平面探測器通道名稱中心波長(nm)141510可見243610可見346210可見448410可見550512可見6廠53212可見755512可見858012可見960714可見1062614可見1164214可見1265414可見1373220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長波紅外308140400長波紅外318350400長波紅外328660400長波紅外339020500長波紅外349370500長波紅外359760600長波紅外3610130600長波紅外探測器選擇可見光/近紅外焦平面探測器可見/近紅外CCD探測器的主要參數(shù)指標如表7所示表7可見/近紅外CCD探測器項目指標波段(nm)400900像元數(shù)1024X1024像兀尺寸(》m)7.5X7.5光學填充因子100%光學尺寸(mm)7.7X7.7響應率(mV/lux?s)450動態(tài)范圍(dB)>60幀頻fps)30

可見/近紅外CCD探測器的響應波段涵蓋了可見光波段和近紅外波段，探測器在560nm處的量子轉換效率最高，如圖9所示。圖9可見/近紅外CCD探測器量子轉換效率與波長關系曲線短波紅外焦平面探測器短波紅外焦平面探測器的主要參數(shù)指標如表8所示表8短波紅外焦平面探測器主要技術指標項目指標波段（4m）1.02.3像元數(shù)320X256像兀尺寸（4m）30X30冷屏F數(shù)0.5

平均峰值D(cm?HZ/2?w)>1.8X1012平均NETD(mK)40工作溫度(K)250重量(g)V150功耗(W)2(250K)長波紅外焦平面探測器長波紅外焦平面探測器的主要參數(shù)指標如表9所示表9長波紅外焦平面探測器主要技術指標項目指標波段(4m)7.710.3冷屏F數(shù)1平均峰值D(cm?HZ/2?VV)9X1010最低峰值D(cm?Hz1/2?w)3X1010平均NETD(mK)25預冷時間(分鐘)6工作溫度(K)90制冷量(w)0.4重量(g)650功耗(W)11(90K)光學系統(tǒng)設計3.5.1光學系統(tǒng)選型光學系統(tǒng)選型要綜合考慮光譜分辨率、空間分辨率、探測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穩(wěn)定的情況下，增加光譜通道和提高光譜分辨率將會降低每個通道的探測能量，因此必須增加光學系統(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)勢和適用范

圍。反射式物鏡在紅外系統(tǒng)中得到廣泛的應用，缺點是反射式物鏡往往不能滿足大視場大孔徑成像時的像質要求；折反射鏡系統(tǒng)體積大、加工難、成本高、系統(tǒng)中間擋光部分會造成透射光能量降低。通過比較反射式系統(tǒng)、折射式系統(tǒng)和折反射系統(tǒng)的優(yōu)缺點，綜合考慮多光譜成像儀的技術指標要求，本方案選擇采用指向鏡機構的同軸折反式光學系統(tǒng)，前端的全波段雙反射鏡系統(tǒng)實現(xiàn)了光路可折疊，有效地縮短了光學系統(tǒng)的長度。通過增大反射鏡的口徑，可以有效提高接收到的目標輻射能量，有助于改善系統(tǒng)信噪比。后端的折射透鏡將目標光束會聚到焦平面探測器上形成目標圖像。折射透鏡采用非球面設計可以減少透鏡數(shù)量，提高光學系統(tǒng)的能量傳輸效率。長波紅外定標源可見/近紅外弔焦平面探測器多光譜成像儀光學系統(tǒng)光路如圖長波紅外定標源可見/近紅外弔焦平面探測器短波紅外焦平面探測器可見/近紅外毎標源指向鏡機構/長波紅外找平面探測器圖10多光譜成像儀光學系統(tǒng)光路圖3.5.2光譜分光方法光譜分光是多/高/超光譜技術中的核心技術之一。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，還有聲光可調諧濾光片、液晶可調諧濾光片、漸變?yōu)V光片、二元光學元件等其他光譜分光方法。這些分光方法大多可以進行全譜掃描，分辨率高。其中，光柵分光是目前應用比較廣泛且技術相對成熟的光譜分光方法。光柵分光和棱鏡式分光的結構比較龐大，對飛行平臺的負載能力要求高，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械傳動裝置，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。隨著光譜分光技術的發(fā)展和航天遙感儀器對分光組件的輕量化和微小型化需求，采用與探測器兼容的無機械傳動裝置的光譜分光技術，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領域關注的熱點技術之一。無機械傳動裝置的光譜分光技術主要通過濾光片分光來實現(xiàn)，濾光片分光包括時間分解方式的可調諧濾光片和空間分解方式的集成濾光片。時間方式的可調諧濾光片通過對濾光片的聲、光、電、熱等參數(shù)的控制實現(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，時間分解方式的可調諧濾光片由于各通道不能同時工作，存在信息讀取速度的問題。集成濾光片是二十世紀八十年代出現(xiàn)的一種微型空間濾光器，可與探測器列陣組合共同構成可識別的光譜探測器，簡化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學效率，減小其體積和重量，特別適用于航天遙感和深空探測領域。集成濾光片主要優(yōu)點包括：無移動部件，可靠性高，穩(wěn)定性好；光譜定位準確性高，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在長波紅外波段的光譜分辨率優(yōu)于150nm；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、短波紅外和長波紅外焦平面探測器前匹配安裝一片由多通道集成濾光片構成的窗口，每片集成濾光片的帶通波段和通道數(shù)與相應的探測器波段相匹配，通過通道配準可以構成結構緊湊、體積微小的多光譜探測器組件。光學系統(tǒng)技術指標多光譜成像儀光學系統(tǒng)的主要技術指標如表10所示表10光學系統(tǒng)主要技術指標項目技術指標總視場（°）2.5光學入瞳口徑（mrh①200系統(tǒng)焦距（mrh400系統(tǒng)F數(shù)2光學效率0.3成像寬度（km）31瞬時視場（卩rad）可見/近紅外43短波紅外136長波紅外136空間分辨率（m可見/近紅外30短波紅外95長波紅外95波段（卩m可見/近紅外0.405?0.9短波紅外1.0?2.3長波紅外7.7?10.3光譜分辨率可見/近紅外10?30

多光譜成像儀成像時對應地面幅寬為31km為了擴大觀測范圍,多光譜成像儀光學系統(tǒng)前端的指向鏡機構，可以在沿衛(wèi)星飛行方向上實現(xiàn)從星下點向左或向右一定角度范圍內的視場機動能力，可根據(jù)具體應用需要確定指向范圍。如圖11所示。31km衛(wèi)星>/圖11指向鏡工作模式示意圖結構設計系統(tǒng)結構主要由以下幾部分組成：光學結構，整體框架，指向機構，可見光探測器組件（含前端電子學電路），紅外探測器組件（含前端電子學電路）與制冷機，定標源和后端信息處理與控制電路結構等。結構組成如圖12所示。結構設計的重點是光學系統(tǒng)結構，光學系統(tǒng)結構設計要保證各光學鏡頭之間，以及與探測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，其結構強度，精度及穩(wěn)定性直接關系到系統(tǒng)整體的光機特性。指向鏡及其驅動機構的結構穩(wěn)定性、力學穩(wěn)定性和熱學穩(wěn)定性對成像質量會產生直接影響，因此，在材料選擇，材料熱匹配，軸承選型，結構精度方面要進行全局綜合考慮、分析和設計，以滿足系統(tǒng)技術指標要求。可見/近紅外短波紅外探測器組件探測器組件整體框架長波紅外探測器組件整體框架驅動機構制冷機指向鏡制冷機圖12系統(tǒng)結構組成示意圖前端電子學系統(tǒng)前端電路設計以面陣探測器為核心展開，產生探測器信號讀出和A/D轉換控制時序、探測器偏置電壓，對探測器輸出的模擬信號放大、A/D轉換，輸出目標輻射的數(shù)字圖像。其中，邏輯時序電路通過可編程邏輯器件FPGA設計實現(xiàn)。前端電子學系統(tǒng)的工作原理如圖13所示。供電電源與探測器偏置提供探測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器所需要的固定偏置電源、可調偏置電源；探測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，采用運算放大器組成的有源低通濾波器提供電流驅動，可以滿足探測器對偏置電源的低噪聲要求?；l時鐘模擬輸出溫控信號偏置電壓面陣焦平面探測器控制脈沖同步脈沖.基頻時鐘模擬輸出溫控信號偏置電壓面陣焦平面探測器控制脈沖同步脈沖.訪問控制晶體振蕩器雙端口存儲器

數(shù)據(jù)接口晶體振蕩器圖13前端電子學系統(tǒng)功能框圖信號預處理放大電路的主要功能是通過調整探測器輸出模擬信號的增益、偏移電平以及信號動態(tài)范圍，使模擬信號與模數(shù)轉換器的輸入信號動態(tài)范圍相匹配，達到充分利用模數(shù)轉換器變換精度的目的。實際電路增益要根據(jù)目標與背景的信號特性、探測器背景信號存在固有的不均勻性、探測器輸出電壓范圍及電路信噪比等因素來確定。對探測器輸出模擬信號進行電平偏移，并進行抗混疊濾波處理,可以充分利用A/D轉換器的動態(tài)范圍。電路頻率帶寬的設置由探測器輸出信號、圖像采集幀頻及預處理放大電路的帶寬決定信號動態(tài)范圍取決于噪聲電壓、目標輻射能量信號及A/D轉換器分辨率。A/D轉換器采樣頻率與圖像采集電路主時鐘頻率保持一致，采用低噪聲電壓參考芯片為A/D轉換器提供外部電壓參考，可以降低A/D轉換器參考電源引入的噪聲。FPGA邏輯時序電路提供探測器各種驅動信號、探測器增益控制、A/D轉換控制、雙端口RAM存儲器讀寫控制時序以及數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出等?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA選用美國ACTEL公司產品，型號為500K050,封裝形式為FQFP208。芯片內部具有邏輯單元約10萬門，4個驅動能力很強的全局時鐘，最大可用I/O有204個，易于實現(xiàn)邏輯時序。芯片內部捆綁有6個存儲量為256刈Bits的SRAM，可以直接在FPGA內部對圖像數(shù)據(jù)進行緩存，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芯片實現(xiàn)時序產生、內部數(shù)據(jù)表建立、A/D轉換控制和RAM驅動等邏輯控制與驅動功能。后端信息處理與控制系統(tǒng)這是多光譜成像儀進行信息處理和系統(tǒng)控制的核心部分，其主要功能包括：可見/近紅外、短波紅外和長波紅外各通道的圖像信息處理；探測器非均勻性校正和探測器壞元修補；隨機噪聲和背景干擾去除；各通道信息匯合和信息格式編排；按照輸出格式的要求輸出遙感信息；指向機構的檢測、驅動與控制；紅外探測器制冷機控制；遙測遙控與數(shù)據(jù)通信。后端信息處理與控制系統(tǒng)內部采用模塊化設計，包括3個信息處理模塊、1個指向機構測控模塊、1個制冷機控制模塊、1個疋標源控制模塊和1個系統(tǒng)通訊與控制模塊；每個信息處理模塊分別對應不同的焦平面探測器及其前端電子學系統(tǒng)，完成相應的數(shù)據(jù)處理功能；指向機構測控模塊根據(jù)實際應用需要完成對指向機構的伺服控制；制冷機控制模塊通過測量和

控制制冷機的工作狀態(tài)，為紅外焦平面探測器提供低溫工作環(huán)境；定標源控制模塊控制定標源組件的運動，將定標源信號引入系統(tǒng)光路，實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)的量化標定，完成標定后將定標源信號退出系統(tǒng)光路；系統(tǒng)通訊與控制模塊完成各模塊之間的協(xié)調管理以及多光譜成像儀與星載計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。模塊之間采用CAN總線和LVDS總線分別完成測量信息和圖像信息的傳輸。系統(tǒng)功能結構原理框圖如圖14所示。CAN總線LVDS總線指向機構測控定標源控制?丨■?<<ILftnj-CAN總線LVDS總線指向機構測控定標源控制?丨■?<<ILftnj-希汁用y侑長波紅外信息處理短波紅外信息處理可如近紅外信息處理系統(tǒng)通訊與控制1遙控信息11遙測信息星載計算機圖14后端信息處理與控制系統(tǒng)功能結構框圖后端信息處理與控制系統(tǒng)的核心器件選用DSP處理芯片。DSP后端信息處理與控制系統(tǒng)的核心器件選用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)時序控制以及芯片質量等級與可靠性等諸多因素，以滿足探測器非均勻性校正、背景噪聲去除、圖像處理等復雜軟件算法對系統(tǒng)處理能力和系統(tǒng)體積重量功耗等工程化指標的要求。DSP處理芯片選用TI公司浮點系列運算芯片。該系列芯片內部結構主要由內核CPU外設和存儲器組成；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，芯片尺寸小;采用低壓供電技術，其中I/O供電為3.3V，內核供電為1.8V,大大節(jié)省了功耗；內部時鐘有150MHz100MHz

CPU內核主要包括程序取指單元、指令分配單元、指令譯碼單元、32位存儲器、控制寄存器、控制邏輯、測試仿真和中斷邏輯、可進行數(shù)據(jù)處理的兩個數(shù)據(jù)通路，每個通路有4個功能單元和一組16個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。兩個數(shù)據(jù)單元專門負責寄存器組和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳遞。涼AM卜fROMFLASHp-*FiiiJTiifh^Chip^:H啲MVIPSCfiAT1,E1AC0I7Dwvk**!.SDR*Mt'ODfrvi,>c^|SBSRAMC6T11iC^711BG6711C引pnnlProemssotsTinwi0Tinw1CPIf(USP匚帀Ibstru:TienF^tchInktiuclborifXecod*Dn1j涼AM卜fROMFLASHp-*FiiiJTiifh^Chip^:H啲MVIPSCfiAT1,E1AC0I7Dwvk**!.SDR*Mt'ODfrvi,>c^|SBSRAMC6T11iC^711BG6711C引pnnlProemssotsTinwi0Tinw1CPIf(USP匚帀Ibstru:TienF^tchInktiuclborifXecod*Dn1jPnlhAGF10^Hn?tPo-rtInit怡決MpnIntenuplCi'n4m|C^rrti-olMrihkh^inndBvt^r*d匚阿Pmt0{Mc8SPt)InterFup*號fl?匸lorEnhiinc^dDMACofitrv|l*<r1chAnn^i|InsirkkipjnD^p^ichL2Memory4-TotilPow4**Dowri1Boct*CurMi^nIn^CircuitErnuiatloinUPC.^.L*Dirxt■ByM<frTotalMuhtcliAfth*lWinulkiMl1(McBSPIi幅申E*>ryIhlvrfdee{￡MinL1DCAlh*S*4A*bo.irthvtXKRytWToniARqFptr*Fi悴ERiQpttKFiM1rtTFtttLltksit.MifDID2|.M2tS2f[L2tD.itiPjiK-B圖15DSP處理芯片內部結構和CPU!圖存儲器主要包括第一層片內程序緩存器、第一層片內數(shù)據(jù)緩沖器、第二層統(tǒng)一的存儲器、外部程序和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序和數(shù)據(jù)存儲器通過EMIF和CPU?訊，夕卜部空間最大容量為64MB分為4個彼此獨立的空間，可以進行不同的訪問控制；EMIF支持SBSRA、SDRAMSRAMROMFIFO等存儲器與DSP的無縫接口

DSP處理芯片的外圍電路包括雙口RAM存儲器、同步動態(tài)存儲器SDRAM閃存FLASHCAN總線協(xié)議與驅動芯片、LVDS總線協(xié)議與驅動芯片、D/A轉換器、系統(tǒng)電源、系統(tǒng)時鐘等。3.9系統(tǒng)探測靈敏度和動態(tài)范圍系統(tǒng)探測靈敏度與系統(tǒng)有效口徑、系統(tǒng)光學效率、探測器響應率、探測器駐留時間和探測器占空比等參數(shù)成正比，與探測器像元的尺寸成反比。對可見/近紅外、短波紅外和長波紅外等不同的波段而言，系統(tǒng)探測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)在這個波段的探測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生的輻照度。系統(tǒng)的噪聲等效輻亮度差NEXN為：其中:Q其中:Q為瞬時視場立體角；A為光學系統(tǒng)入瞳面積;NEN（乓f）1/2「A。QT0為大氣透過率；T為光學系統(tǒng)效率;Ta△f為系統(tǒng)帶寬；D為探測器探測率平均值；?為探測元面積。d系統(tǒng)在可見/近紅外波段、短波波段的探測靈敏度NE肓表示為:NE=NE=其中：缶是大氣頂部的太陽輻照度Hsun采用以上方法可以分析估算出多光譜成像儀在可見/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靈敏度。3.9.2長波紅外通道長波紅外通道的探測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，假設目標、背景都是黑體，如兩者溫差等于噪聲等效溫差時，系統(tǒng)所接收到的輻亮度差等于系統(tǒng)的噪聲等效輻亮度差。噪聲等效溫差NET［可以表示為：NETD=愼？昵皿八貳吧口）d?汀i其中，Q為瞬時視場立體角；D0為光學系統(tǒng)入瞳直徑；T0為大氣透過率；T為光學系統(tǒng)效率；Ta△f為系統(tǒng)帶寬；D*為探測器探測率平均值;*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匚入2波段范圍內iT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波紅外波段的探測靈敏度。3.9.3探測通道的動態(tài)范圍多光譜成像儀應有足夠的信噪比和豐富的層次，才能滿足對地物清晰成像的要求。因此，系統(tǒng)應具備一定的動態(tài)范圍。影響系統(tǒng)動態(tài)范圍的主

外）、目標的300K等效黑體溫度范圍（長波紅外）及各通道的信號放大電路增益。在基本確定成像目標在相應波段的反射率和溫度特性的前提下，通過設置各通道信號放大電路的增益就可以完成對動態(tài)范圍的調整。3.10系統(tǒng)主要技術性能指標多光譜成像儀設計預期達到的主要技術性能指標如表11所示表11系統(tǒng)主要技術性能指標項目技術指標總視場（°）2.5光譜范圍（卩m可見光0.405?0.67近紅外0.722?0.9短波紅外1.0?2.3長波紅外7.7?10.3波段數(shù)可見光12近紅外8短波紅外8長波紅外8光譜分辨率（nm可見光10?14近紅外20?30短波紅外50?70長波紅外400?700

瞬時視場（卩rad）可見/近紅外43短波紅外136長波紅外136成像寬度（km31可見/近紅外1024行像元數(shù)短波紅外320長波紅外320空間分辨率（m可見/近紅外30短波紅外95長波紅外95體積（mJ0.95X0.55X0.40重量（kg）<50功耗（W<60數(shù)據(jù)率<20Mbps量化12bit多光譜成像