超光譜成像儀

超光譜成像儀用于超光譜成像的設備01簡介光-機設計系統設計焦面陣列目錄03020405電子線路儀器和標定導航結束語目錄070608基本信息美國著名的trw公司研制的超光譜成像儀代號為trwis-3，它是該公司最新的一種成像光譜儀。由于trwis-3的波段范圍很寬，從0.4μm到2.5μm，具有384個連續(xù)光譜通道，且可見光近紅外帶寬僅為5nm，短波紅外也只有6.25nm，信噪比又很高(幾百比1)，顯然，它不論在軍事上還是在民用方面都有極高的應用價值。簡介簡介由于軍事和國民經濟的需要，近年來空間(對地)光學遙感技術取得迅猛地發(fā)展，各種各樣的光學遙感器應運而生，并且技術性能也得到提高和完善。成像光譜儀的發(fā)展就是其中明顯的例子之一。常用的“空間分辨率”法是利用物質的形態(tài)特征來區(qū)分它們。這個方法以前、現在和將來仍然是識別物質的非常重要的手段，但它不總是高效率的。例如，對海水中葉綠素濃度的測量單靠形態(tài)學的特征，其測量精度往往是很低的。然而若利用物質光譜特征法來解決，便可得到人們滿意的結果。眾所周知，任何兩種不同的物質決不會有完全相同的光譜特性曲線。反之，任何一種物質也決不會有兩種不同的光譜特性曲線。也就是說物質的光譜特性曲線是唯一的。于是，人們把光譜分辨率和空間分辨率結合起來，便具有了更高的探測和識別物質的能力。因此，成像光譜儀的產生及其飛速發(fā)展是顯而易見的。利用光譜圖像數據可以識別和區(qū)分地面物質，但在工程實施上其光譜“采樣”問題還必須滿足下述3條基本要求：采樣的光譜波段必須窄到足以分辨物質狹窄的特征峰。顯然波段越窄對物質的分辨能力越強；具有足夠數量的光譜波段且各波段盡量相互鄰接；還應具有一定寬的光譜范圍以實現光譜圖線的整體性。系統設計系統設計trwis-3包括一個含有一對視軸相互平行的光柵光譜儀的傳感器和兩個電氣盒?？梢姽?近紅外(vnir)光譜儀的波段范圍是400nm～1000nm，短波紅外(swir)光譜儀的波段范圍是900nm～2500nm。每個光譜儀都含有一套將景物成像到狹縫的折射式前置光學系統。通過狹縫的光被一個平面光柵在狹縫垂直的方向進行色散，然后成像在一個兩維焦平面陣列上。沿狹縫方向的陣列提供空間景物信息，另一方向的陣列(狹縫光沿此陣列方向色散)提供光譜信息。沿垂直狹縫的方向推掃狹縫的像并依次存儲焦面陣列(fpa’s)所收集的空間/光譜信息，就可以產生一個2維的每個像素有384個譜段的空間影像。對vnir光譜儀，波段寬5nm；對swir光譜儀，波段寬度6.25nm，trwis-3的主要性能參數列于表1。表1trwis-3性能表參數性能質量(傳感器探頭)/kg<39電源(28v直流)/w<800瞬時視場/mrad0.9全視場/(°)13.光-機設計光-機設計vnir和swir光譜儀在光學結構上是相似的。它們都有多個零件的折射式前置光學系統，該光學系統將景物成像在光譜儀的入射狹縫上。通過狹縫的光被一個離軸非球面零件反射到一個平面閃耀光柵上，光被光柵色散。從光柵反射的光被第二個離軸非球面零件反射并成像到焦面陣列上(fpa)。為使視場畸變最小，在狹縫后和焦面陣列前各放了一個折射式校正透鏡。如果不校正這種畸變，將導致光譜通道的空間配準超出要求和橫跡光譜誤差。為了消除級次重疊，將一個級次選擇濾光片直接放在每個焦面陣列的前面。光學和焦面部件安裝在特制的支架上，該支架能進行精確調整校準。當調整校準好之后，每次安裝都用環(huán)氧樹脂固定住或銷子銷住，形成一個非常牢固的部件。為減小儀器對溫度變化的敏感性，將支架連接到用銦鋼制的公用基板上。一個罩子連到基板上使光學系統與外面環(huán)境密封隔離起來。為使雜光的影響最小，所有支架和內部表面被漆成黑色。每個焦面陣列的模擬信號處理器(asp)電子學線路安裝在罩子的外面。對swir光譜儀，用于冷卻焦面陣列的壓縮機安裝在基板的外面。慣性傳感器安裝在vnir光譜儀內的基板上。一旦裝配、定位和定標完畢，通過墊片將兩臺光譜儀連接到基板上且校成視軸平行。swir光譜儀的前置光學系統具有較小的變焦能力以使vnir和swir的視場匹配。焦面陣列焦面陣列vnir光譜儀的焦面組件用的是仙童公司制造的硅ccd成像傳感器。ccd是一個以分幅結構構成的三相器件，在分幅傳送過程中要使拖影最小?；鞠袼爻叽缡?0μm，像幅是768×384像素。該裝置有4個輸出口，每個口讀出一個器件的像限。一旦讀出的像素數為3×3，將得到充滿60μm像素的一幅256×128的像面陣列。包裝箱蓋上裝有一個級次選擇濾光片。ccd的封裝后面裝有一塊線路板，該板上裝有前置放大、高速時鐘驅動電路，該板還為陣列提供各種偏置電壓。通過一根電纜將線路板連接到vnir的模擬信號處理器swis光譜儀的焦面是常用的洛克威爾公司制造的碲鎘汞光二級管陣列和cmos多路調制器。陣列幅面是每60μm2有256×256個像素。正常的工作溫度是115k。陣列被裝在一個杜瓦瓶上并被一個斯特林致冷器致冷。通過4個端口收集swir陣列的信號。探測器陣列上的每個像素耦合到cmos倍增器上相應的容性阻抗傳輸放大器(ctia)上加以放大，然后通過開關fets連到裝置中4個輸出緩沖器中的1個。多路混合器裝在陶瓷基片上，該混合器旁通環(huán)路可將輸出到電纜的信號蹤跡去掉，此電纜連接swir的模擬信號組件。陶瓷基片裝在杜瓦瓶內的冷指端部。緊接著這個陣列的前面是一個場鏡，場鏡的第二平面上鍍有級次選擇濾光膜。用一個冷屏包圍場鏡和陣列表面，目的是限制探測器的視場以使熱背景最小。電子線路電子線路trwis-3的電子線路用來控制vnir和swir相機，記錄圖像和導航數據，提供使用者控制儀器和數據流的接口，它還調節(jié)儀器電源。通過各自的模擬信號處理器，trwis控制線路(tce)控制每臺相機以及兩個焦面陣列的同步。模擬信號處理器接收焦面陣列的像元數據、提供總增益和補償量，提供對swir焦面陣列積分時間的調整，提供對vnir焦面陣列的補償量調整，并且以12bit的分辨率將數據數字化。一旦數字化后的影像數據被傳送到trwis-3控制線路，每個相機的一幅照片就在那里被緩沖。在送到高速數據記錄器存儲之前，緩沖器將各個口來的相機數據進行組織整理。緩沖器還提供波段選擇，使之能夠除去384個波段中的任何幾個以使多余數據最少。通過一個畫幅捕捉器將圖像數據寫入高速數據記錄器。在圖像通過捕捉器的同時，兩類圖像幾乎實時顯示在監(jiān)視器上。1臺監(jiān)視器直接顯示焦面陣列的圖像，另1臺顯示空間維數和其它光譜。第1臺監(jiān)示器用于顯示每一焦面陣列的狀態(tài)。第2臺監(jiān)視器以假彩色顯示每個光譜儀所選的3個譜段暫時的抽樣圖像。.第2臺監(jiān)示器提供景物的兩幅(一幅vnir，一幅swir)、二維、假彩色圖像。操作者看著這臺監(jiān)視器，就可以確認景物特性，并可以保證在飛行中獲得適當的圖像。該儀器通過微電腦和trwis-3控制線路微處理器之間的接口mil-std-1553b對儀器進行控制。這個接口用于裝定swir增益、補償量和積分時間以及根據逐口的原則裝定vnir補償量。它也用于波段選擇，用于控制從儀器向總數據存儲器傳輸數據的開始與停止。通過這個接口，將對swir和vnir焦面陣列的溫度遙測結果記錄在微機的硬盤上。導航導航機載導航設備包括差分gps接收器和慣性敏感器。gps為微機提供時間和位置數據(地球中心為心的固定坐標)，微機將數據記錄在硬盤上。這些數據以1hz的速率更新并以60hz的速率內插。為便于導航數據與圖像同步，將gps來的一個硬標志以1hz的速率插入圖像數據流。當可得到差分信號時，gps和慣性敏感器結合將提供精度小于10m的位置信息。慣性敏感器提供的3個旋轉軸的指向精度小于100μrad。這個敏感器的信號與提供給vnir和swir相機的幀同步信號同步。這個數據實時與gps數據結合且記錄在微機上的導航文件中，形成的導航文件含有與圖像的每條線相關聯的數據塊。每個塊包括慣性敏感器的6個軸數據(3個旋轉速度，3個直線加速度)、1個時間標志、慣性敏感器溫度(用于漂移補償)和3個位置坐標。在下載到數字線性磁帶存檔的同時，用卡爾曼濾波將導航數據平滑。儀器和標定儀器和標定trwis-3的測試和定標過程將能夠核實該型號敏感器的性能。使用飛行時定標用的光源進行飛行前的測試、定標及定標更新。使用專門研制的trw多光譜檢測試驗臺(mstb)進行起飛前的測試和定標。mstb能為trwis-3的光譜儀提供穩(wěn)定的、均勻的、已知光譜輻射的光譜-空間的靈活光源。這個光源用于表征和定標測量，包括最終校準、單色mtf、偏振敏感度、信噪比、線性度、動態(tài)范圍、光譜范圍、光譜波段純度、光譜配準測量、光譜定標和絕對輻射測量定標trwis-3的定標方法是：先觀察mstb對儀器進行光譜輻射絕對定標，然后將儀器轉到定標光源來觀察飛行光源。兩個光源(一個用于vnir光譜儀，另一個用于swir光譜儀)包括一個安裝在黑色不漏光裝置上的石英鹵鎢燈。該裝置裝在平動臺上，可以根據指令將燈放在入射光孔徑處進行定標，這樣能在飛行定標中測量整個光學系統的光通量和焦面陣列的響應。這個光源能在trwis-3的入射孔徑處提供寬帶輻射，在儀器使用的幾個月中，這個輻射的重復誤差為2%。關閉燈時，定標光源提供了一個零輻射參考以消除由于儀器零點漂移所產生的誤差在飛行之前和之后，直接用定標光源對儀器進行零點測量以完成定標。在這種模式下，定標光源覆蓋儀器孔徑，而定標光源燈關閉。當得到零點數據后，打開每個燈且對準所選的兩組點各30秒。注意，這種定標技術提供了可重復的定標整個trwis-3光學系統的方法。結束語結束語據trw的技術人員介紹，trwis-3是在該公司多種成像光譜儀的基礎上多次改進而成的。工程樣機已作過初