短波紅外成像光譜儀性能檢測與定標裝置_圖文

1、第37卷,增刊 紅外與激光工程 2008年6月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Jun. 2008收稿日期:2008-06-06作者簡介:何志平(1977-,男,江西新余人, 助理研究員,主要從事光學系統(tǒng)設計、光電系統(tǒng)檢測等方面的研究。Email: hzping短波紅外成像光譜儀性能檢測與定標裝置何志平,劉 強,徐衛(wèi)明,謝 鋒,舒 嶸,王建宇(中國科學院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083摘要:描述了短波紅外成像光譜儀研制中所涉及的系統(tǒng)總體性能檢測與定標裝置。短波紅外成像光譜儀是一臺基于棱鏡-光柵-棱鏡(PGP 組合分光的、

2、推帚式成像的航空成像光譜儀,其探測波段為1 0002 500 nm ,視場角為24°。短波紅外成像光譜儀的系統(tǒng)總體性能檢測貫穿于儀器研制的全過程中,包括對儀器關鍵器件的測試,儀器的空間分辨率、視場角及內(nèi)方位元素等總體指標的測試;短波紅外成像光譜儀的定標包括實驗室及外場的光譜及輻射定標,它們是儀器研制成功及深入應用的重要保證。最后,介紹了儀器在實驗室成像及航空實驗成像狀況。關鍵詞:短波紅外; 成像光譜儀; 檢測; 定標中圖分類號:TN21 文獻標識碼:A 文章編號:1007-2276(2008增(紅外-0531-05Equipment of performance testing an

3、d calibration of shortwaveinfrared hyperspectral imagerHE Zhi-ping, LIU Qiang ,XU Wei-ming, XIE Feng, SHU Rong, WANG Jian-yu(Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China Abstract:The equipment and technique of performance testing and calibration that h

4、ad involved in the development of Shortwave Infrared Hyperspectral Imager (SWHI was presented. The SWHI was an airborne pushbroom hyperspectral imager based on Prism-Grating-Prism(PGP taken as dispersing element, and its wavelength range was 1 0002 500 nm ,field of view is 24 °,spectral channel

5、s is 128 channels. The dispersing element is tested during the development of the SWHI, and the system performance was tested and calibrated, include spectral overlapping from different order, spatial resolution, spectral and radiation calibration, etc.Key words:Shortwave ; Hyperspectral imager ; Te

6、sting ; Calibration0 引 言光學成像技術(shù)和光譜技術(shù)是歷史悠久而又應用廣泛的兩種光電技術(shù),它們通過接收來自目標的光輻射,對目標進行分析和識別。成像儀是利用物質(zhì)的形態(tài)特征來區(qū)分地物目標的儀器,光譜儀就是利用物質(zhì)光譜特征來識別物質(zhì)的儀器。成像光譜技術(shù),是成像技術(shù)和光譜技術(shù)的有機結(jié)合,能在獲取所觀測對象二維空間特征信息的同時,以高光譜分辨率獲取目標的光譜信息,使直接區(qū)分和識別成像目標成為可能。成像光譜儀的歷史起始于20世紀80年代早期美國噴氣推進實驗室(JPL 開發(fā)的機載成像光譜儀(AIS 。1983年,JPL 開始開發(fā)著名的機載可見光/近紅外超光譜成像光譜儀(A VIRIS ,并

7、于1987年成功進行532 紅外與激光工程:紅外成像系統(tǒng)仿真、測試與評價技術(shù)第37卷首次飛行實驗,由此開始,成像光譜技術(shù)開始進入飛速發(fā)展時期。世界各國競相發(fā)展各種不同的成像光譜儀系統(tǒng),它在生態(tài)、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、陸地水資源、冰雪和大氣環(huán)境等各遙感領域和偽裝識別、武器性質(zhì)識別和部隊作戰(zhàn)環(huán)境偵察等軍事應用方面具有廣泛的應用前景1-8。短波紅外波段是遙感應用的一個重要波段,在短波紅外反射光譜中,許多物體特別是巖石礦物存在著可分辨的吸收和反射特征峰。以前,短波紅外波段由于受到探測器性能的制約,儀器的發(fā)展受到很大的限制。近年來,短波紅外探測器技術(shù)的發(fā)展,為研制高性能的短波紅外成像光譜儀提供了可能。短波紅

8、外成像光譜儀(SWHI就是在該背景下進行研制的一臺基于棱鏡-光柵-棱鏡(PGP組合分光的、推帚式成像的航空成像光譜儀。性能檢測與定標技術(shù)的研究是SWHI研制的重要組成部分,它包括關鍵器件性能的測試、系統(tǒng)總體性能測試、實驗室光譜與輻射定標、現(xiàn)場光譜與輻射定標等方面的內(nèi)容。介紹了短波紅外成像光譜儀研制及應用中涉及的若干但非全部的測試方法及裝置。最后,介紹了儀器在實驗室成像及航空實驗成像狀況。1 短波紅外成像光譜儀成像光譜儀因為成像方式、分光方式不同而特點各異。短波紅外成像光譜儀是一臺基于棱鏡-光柵-棱鏡組合分光的、推帚式成像的航空成像光譜儀,現(xiàn)從其成像原理,總體指標兩方面對其作一個簡要介紹。1.1

9、 推帚式成像光譜儀基本原理2推帚式成像光譜儀通常由成像鏡、窄縫、 準直鏡、色散器件(棱鏡、光柵等、會聚鏡和面陣探測器組成,如圖1所示為推帚式色散分光型成像光譜儀原理圖,其基本工作原理是:來自窄長型地物目標的輻射進入儀器,成像在放置于成像鏡焦面處的狹縫上,通過狹縫的連續(xù)光輻射,由準直鏡準直,再經(jīng)色散器件色散后,由會聚鏡會聚于面陣探測器。此時,面陣探測器中的一維完成空間成像,稱之為空間維,而另一維完成光譜成像,稱之為光譜維,再經(jīng)由平臺的向前(x向運動而完成大范圍的推帚成像。這樣,面陣探測器的光譜數(shù)據(jù),加上飛行平臺的運動就得到地面目標二維圖像和圖像中各像元的光譜數(shù)據(jù)。圖1 推帚式成像光譜儀成像原理F

10、ig.1 Scheme of a pushbroom hyperspectal imager1.2 短波紅外成像光譜儀性能指標短波紅外成像光譜儀(SWHI光學頭部如圖2所示,其總體設計性能指標如下:空間采樣間隔GSD( 按航高2 000 m計算優(yōu)于2.8 m;焦距22.5 mm;瞬時視場(IFOV優(yōu)于1.33 mrad;視場角24°光譜范圍1 0002 500 nm;波段數(shù)大于等于128;光譜分辨率<10 nm。 圖2 短波紅外成像光譜儀Fig.2 Photo of shortwave infrared hyperspectral imager2 短波紅外成像光譜儀性能檢測方法

11、及裝置短波紅外成像光譜儀的系統(tǒng)總體性能檢測貫穿于儀器研制全過程中,包括對儀器關鍵器件的測試,儀器的空間分辨率、視場角及內(nèi)方位元素等總體指標的測試。檢測裝置主要由平行光管、高精度二維轉(zhuǎn)臺、目標模擬板、光源、及相關輔助設備組成。如圖3所示,將短波紅外成像光譜儀放置于平行光管前面的二維轉(zhuǎn)臺上,平行光管焦點處的放置目標模擬板,目圖3 SWHI性能檢測裝置Fig.3 Equipment of performance testing增刊何志平等:短波紅外成像光譜儀性能檢測與定標裝置533標模擬板由光源照亮,以模擬不同形狀的無窮遠目標,滿足測試需求。2.1 空間分辨率檢測將狹縫對狀的目標模擬板放置于平行光管

12、焦面處,用光源照亮,狹縫的寬度與平行光管組合,其張角與短波紅外成像光譜儀(SWHI瞬時視場相當。測試中平行光管焦距4 m,狹縫寬度為4 mm,間距4 mm。狹縫對應視場角為1 mrad,小于儀器瞬時視場1.33 mrad。123圖4 空間分辨率測試Fig.4 Result of spacial resolution test圖4所示為SWHI空間分辨率檢測時面陣探測器上所成的狹縫對圖像,圖中可以看出明暗條紋對比明顯,圖中所標3個點的DN值減去暗電平后,從1 3分別為:176,102,183,明暗對比相差約55%。由P= (DN2-DN1 /(DN2+DN1×100%得出被測系統(tǒng)的分辨

13、率,其中DN2為明條紋的電信號值,DN1為暗條紋的電信號值。2.2 內(nèi)方位元素及畸變測試內(nèi)方位元素及畸變測試的是建立成像光譜影像與地物目標間的幾何位置關系,內(nèi)方位元素指的是光譜儀的主點,主距。從成像光學原理上看, 成像光譜儀可看作多個具有中間像面、窄縫型視場光闌、二次成像的線陣相機,其中的二次成像模塊中還包含色散組件,如光柵、棱鏡、PGP等。為更好的描述成像光譜儀內(nèi)方位元素及畸變測試方法,將空間維為N、光譜維為M的成像光譜儀作如下假定:假定成像光譜儀為M個線陣相機,這M個線陣相機的探測元均為N個,線陣成像視場一致,但成像光譜不同。對成像光譜儀的內(nèi)方位元素及畸變測試就相當于對這M個線陣相機進行測

14、試。將孔狀的目標模擬板放置于平行光管焦面處,用光源照亮,孔的尺寸與平行光管組合,其張角與短波紅外成像光譜儀1/8瞬時視場相當。測試中平行光管焦距4 m,孔的直徑為0.5 mm?？讓晥鼋菫?.125 mrad,小于儀器瞬時視場1.33 mrad的1/8。測試過程如下所述:孔與平行光管組合,模擬無窮遠點目標發(fā)出的連續(xù)光輻射,進入成像光譜儀后,在成像光譜儀面陣探測器上的成像情況為圖5中紅色條帶所標示,改變成像光譜儀相對于無窮遠目標的相對角度,圖5 內(nèi)方位元素及畸變檢測Fig.5 Testing of orientation element and distortion可以使紅色條帶沿空間維運動,

15、記下轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角及其對應的圖像,通過圖像數(shù)據(jù)處理可以獲得成像光譜儀各像元對應的視場值,由公式(1從而得出成像光譜儀的主點,主距及畸變值。00tan(1,2,i ix x f x i n=+="(1式中:x為主點位置;為主點對應的轉(zhuǎn)臺角度值;f為主距;ix為像點位置;i為像點對應的轉(zhuǎn)臺角度值;x為畸變值。3 短波紅外成像光譜儀定標方法及裝置短波紅外成像光譜儀的定標包括實驗室及外場的光譜及輻射定標,它們是儀器研制成功及深入應用的重要保證。3.1 實驗室光譜定標光譜定標的任務是確定光譜儀各通道的光譜響應函數(shù),并由此得到其中心波長及等效帶寬。如圖4所示,將短波紅外成像光譜儀放置于平行光管前面的二

16、維轉(zhuǎn)臺上,并用單色儀出射狹縫代替目標板放置于平行光管的焦面位置處,圖中所示裝置就成為實驗室光譜定標裝置。光源發(fā)出的短波紅外輻射經(jīng)聚光后打在單色儀的入射狹縫上,通過單色儀分光后從出射狹縫射出單色光,然后經(jīng)由平行光管形成一束平行光,進入成像光譜儀,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到光譜通道的光譜響應。如圖6為短波紅外光譜儀光譜定標實圖。534 紅外與激光工程:紅外成像系統(tǒng)仿真、測試與評價技術(shù) 第37卷 圖6 短波紅外成像光譜儀光譜定標 Fig.6 Spectral calibration3.2 實驗室輻射定標輻射定標是對儀器輻射響應度的標定,它幾乎存在于所有光電儀器定標過程中,對成像光譜儀器而言,輻射定標就是確定

17、探測元產(chǎn)生的電信號與空間某點反射的某波長的強度的對應關系。圖7為短波紅外成像光譜儀輻射定標示意圖,成像光譜儀置于離積分球約300 mm 處,并對準出射口中心,使總視場完全被積分球的出射光覆蓋。從積分球出射口輸出的光輻射進入成像光譜儀,此時,利用成像光譜儀的定標數(shù) 據(jù)采集功能采集定標數(shù)據(jù),采集時應注意全面采集在遙感飛行時要用到的所有積分時間、光圈數(shù)、探測器溫度在不同組合情況下的不同積分球能級的定標數(shù)據(jù)。此外還須采集在不同積分時間和探測器溫度的組合情況下鏡頭蓋未打開且在暗視場下的暗電流數(shù)據(jù)。 圖7短波紅外成像光譜儀輻射定標Fig.7 Radiation calibration3.3 外場定標裝置

18、現(xiàn)場定標裝置包括可移動的積分球、漫反射參照標準板、波長參照標準板,它們組合可實現(xiàn)在作業(yè)現(xiàn)場對成像光譜儀進行定標的功能。所定制的可移動式積分球輻射源可用于Y -12、Y-15機型的機載成像光譜儀現(xiàn)場定標。積分球具備結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、輕量化、操作靈活方便、外形簡捷等特點,如圖8所示。圖8 現(xiàn)場定標積分球Fig.8 Equipment of radiation calibration4 短波紅外成像光譜儀成像實驗4.1 實驗室轉(zhuǎn)臺載對外掃描成像實驗短波紅外成像光譜儀在完成裝配、光學調(diào)校、輻射定標和光譜定標后,將其固定于成像室的一維成像轉(zhuǎn)臺上,利用轉(zhuǎn)臺對外掃描進行了室外目標地物成像。經(jīng)過像元替換,減

19、去暗電平和均勻性校正后,轉(zhuǎn)臺試驗獲得的紅外光譜圖像合成的偽彩色圖如圖9所示。RGB 合成圖像選取波段為:R-2202 nm ,G-1996 nm ,B-1595 nm 。圖9 轉(zhuǎn)臺試驗偽RGB 彩色圖Fig.9 Turntable Image integrated in RGB form4.2 機載成像實驗圖10是短波紅外成像光譜儀在航拍試驗中獲得的圖像RGB 合成的偽彩色圖。飛機航高1 000 m ,幅寬340 m 。RGB 合成圖像選取波段為:R-2202 nm, G-1996 nm ,B-1595 nm 。圖10 航拍試驗偽RGB 合成圖像 Fig.10 Aerial image int

20、egrated in RGB form增刊何志平等:短波紅外成像光譜儀性能檢測與定標裝置5355 結(jié)束語短波紅外成像光譜儀性能檢測與定標貫穿于儀器研制及應用的全過程中,它包括研制前期的分部件檢測,儀器集成時的裝調(diào)校準、儀器研制完成后的的性能指標測試與評估。儀器實驗室的測試與定標、以及儀器在實驗室及航空成像實驗驗證了短波紅外成像光譜儀的總體性能指標優(yōu)于設計指標。短波紅外成像光譜儀性能檢測及定標裝置雖為短波紅外成像光譜儀成功研制提供了保證,也盡可能地考慮到儀器應用所需的定標需求,但是,儀器的深入應用及推廣對儀器的測試及定標的要求是不斷提高的,這有賴于應用部門及儀器研制單位的通力合作,用戶的應用需求

21、才是儀器進步的最終推動力量。參考文獻:1 WANG Jian-yu, SHU Rong, XUE Yong-qi, The development ofChinese hyperspectral remote sensing technologyC/ SPIE, 2005,5640: 358-26.2 HE Zhi-ping, FANG Kang-mei, PANG Liyun, et al. Field-puttingtechnique of wide-field hyperspectral imagerC/ SPIE, 2005,5634:775-781.3 NIEKE J, SCHWQRZER H, NEUMANN A, et al. Imaging spaceborneand airborne sensor systems in the beginning of the next centuryC/SPIE, 1997,3221