高光譜成像系統(tǒng)的噪聲模型和對輻射靈敏度的影響

1、 王建宇等 : 高光譜成像系統(tǒng)的噪聲模型和對輻射靈敏度的影響 619 系統(tǒng)的孔徑或積分時間 , 使得探測器接收的部分光 譜波段信號很弱 , 信噪比較低 , 最終引起高光譜成 像儀各波段圖像數(shù)據(jù)的信噪比存在較大差別。這種 差別在信息獲取系統(tǒng)動態(tài)范圍有限的條件下 , 直接 影響系統(tǒng)的應用效果 , 使得很多波段不能夠滿足應 用需求 , 這也是用戶十分關心的問題。 波段間輻射靈敏度的一致性也是系統(tǒng)設計中需 要十分關注的一個問題 ( 相里斌等 ,1998, 一般可以 通過選擇均勻的色散元件、對不同波段選擇不同的 光譜分辨率、以及對不同的波段選用不同的增益來 圖5 高斯函數(shù)模擬的光譜響應函數(shù) 最終達到波段

2、間輻射靈敏度的一致。 圖 6 為中國科學院上海技術物理研究所研制的 基于棱鏡分光的短波紅外高光譜成像系統(tǒng)波段信噪 的響應信號 Vs 可近似表示為 : Vs = ò R (l P (l dl = ò 0 ¥ ¥ 1 l i - Dl 2 0 R (l P(l dl + 1 2 1 l i - Dl 2 比曲線 , 由于受石英色散棱鏡折射率特性決定 , 儀 器在 1.0 2.0m 光譜范圍帶寬較寬 (約 25 30nm, 在 2.0 2.5m 光譜范圍帶寬較窄 (16 25nm。太陽 輻射在 2.0 2.5m 光譜范圍的輻射能量比在 1.0 2.0m 光譜范

3、圍的輻射能量微弱得多 , 引起兩個光 譜段信噪比較大的差異。設計者通過紅外焦平面片 上編程技術解決了如何確保系統(tǒng)的波段靈敏度一致 性這一難題。通過片上編程技術 , 將 2.0 2.5m 光 (20 譜范圍對應的探測器增益設置為 1.0 2.0m 光譜范 圍的 4 倍 , 減小了這些波段的探測器讀出噪聲 , 將 信噪比提高了約 1 倍 , 使各波段獲得了很好的靈敏 度一致性。 òli + 1 Dl R(l P(l dl + Pl ò 2 i l i + Dl R(l dl =ò ò Pli ò R (l dl 0 1 l i - Dl 2 R (

4、l ( P (l - Pli dl + 0 ¥ R (l ( P (l - Pli dl + 1 l i + Dl 2 ¥ 對于不同的地物 , 上式中的 (P(-Pi 是個隨機 數(shù) , 式 (20中的第 1 項和第 2 項為波長帶外的響應 , 相當于噪聲 , 第 3 項是與 Pi 成正比的信號部分。對 于高斯函數(shù) , 信號的混疊主要來源于相鄰的前后波 段, 如果地物信號相鄰波段之間的反射率差小于 5%, 經計算由該混疊引入的噪聲約為信號的 1.2%。 以上分析的前提是相鄰波段的光譜響應函數(shù)交疊在 理想的 50%處 , 如因光學像差等原因引起交疊處變 大 , 則引入的噪聲會更

5、大。這種光譜混疊引起的噪 聲是系統(tǒng)特性引入的一種空間噪聲 , 相對于器件的 非均勻性和系統(tǒng)的背景輻射等空間噪聲 , 該噪聲的 機理和測試都更加復雜 , 但這也是高光譜成像系統(tǒng) 所特有的 , 在將來的系統(tǒng)設計和研制中必須給予足 夠重視。 3.2 波段間輻射靈敏度一致性的影響 高光譜成像系統(tǒng)的最大特點是能夠同時獲取幾 何信息和光譜信息。但由于太陽輻射或目標光譜輻 射亮度、光學系統(tǒng)光譜透過率、探測器光譜響應等 參數(shù)的不均勻性影響 , 特別是不同的分光方法 , 使 得不同波長的波段的帶寬有很大的不同。很多系統(tǒng) 為了確保原始數(shù)據(jù)不發(fā)生飽和失真 , 通常需要限制 圖6 探測器變增益設計對改善波段信噪比 一

6、致性的貢獻 4 結 論 輻射靈敏度是高光譜成像系統(tǒng)最重要的技術指 標之一 , 本文根據(jù)地物目標的輻射特性和靈敏度計 620 Journal of Remote Sensing 遙感學報 2010, 14(4 算方程 , 分析了高光譜成像系統(tǒng)中的各種噪聲來源 和特點 , 建立了時域噪聲、空域噪聲、空間干擾和 光譜混疊等各種噪聲模型 , 并詳細分析了各種噪聲 對高光譜成像系統(tǒng)靈敏度的影響 , 得到以下結論 : (1 傳統(tǒng)方法分析高光譜成像系統(tǒng)的信噪比認 為系統(tǒng)的主要噪聲是時域噪聲 , 隨著高光譜成像系 統(tǒng)的發(fā)展和面陣焦平面器件的廣泛應用 , 空域噪聲 的存在成了限制系統(tǒng)信噪比的主要因素 , 此時的

7、系 統(tǒng)信噪比計算方法以等效電子法計算更加合適。 (2 系統(tǒng)的靈敏度不隨地物反射率的增加而線 性增加。當目標反射率低的時候 , NE 也較小 , 但 相對靈敏度較高 , 系統(tǒng)信噪比的極限是信號電子數(shù) 的 1/2 次方。 (3 通過對空域噪聲和光譜混疊引入的噪聲的 分析和計算表明 , 這些噪聲對系統(tǒng)的靈敏度的影響 是不可忽視的 , 有時甚至可以成為制約高光譜成像 系統(tǒng)輻射靈敏度的瓶頸。 Sensing: Principle, Technology and Application, Beijing: Higher Education Press Wang J Y and Xue Y Q. 1992.

8、 64-band airborne imaging spectrometer. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 11(3: 181 188 Xue Y Q. 1992. The technical development of airborne scan imaging systems. Journal of Infrared and Millimeter Waves , 11 (3: 169 180 Xiang L B, Zhao B C and Xue M Q. 1998, Spatially modulated imaging inte

9、rferometry. Acta Optica Sinica, 18(1: 18 22 Yu B X. 1995. Performance analysis of imaging spectrographs. Optics Intelligence, (Supplement, 1 19 附中文參考文獻 紅外焦平面陣列特性參數(shù)測試技術規(guī)范 . 1998. 中華人民共和國 國家標準 . GB/T17444-1998. 上海 童慶禧 , 張兵 , 鄭蘭芬 . 2006. 高光譜遙感 : 原理技術與應用 . 北 京 : 高等教育出版社 王建宇 , 薛永祺 . 1992. 64 波段機載光譜成像儀 . 紅外與毫米學 報 , 11(3: 181 188 薛永祺 . 1992. 機載掃描成像系統(tǒng)的技術發(fā)展 . 紅外與毫米波學 報 , 11(3: 169 180 相里斌 , 趙寶常 , 薛鳴球 . 1998, 空間調制干涉 成像光譜技 術 . 光學學報 , 18(1: 18 22 禹秉熙 . 1995. 成像光譜儀的性能分析 . 光機情報 , ( 增刊 : 1 19 REFERENCES Shanghai Institute of Technical Physics. 1998. The Technical Norms for Measuremen