焦平面和光譜成像技術的發(fā)展

焦平面和光譜成像技術的發(fā)展

1焦平面成像技術2013年2月，美國發(fā)射了地面觀測衛(wèi)星lans-dat8c。在陸地上，這兩個光學成像儀安裝在一個可見的光譜成像儀上，而在另一個熱紅外探測器上，則。其中,OLI的幅寬為185km,空間分辨率為30m。2011年9月中國發(fā)射了載有我國首臺航天高分辨率高光譜成像儀的飛行器天宮一號。為了實現(xiàn)對地觀測、環(huán)境監(jiān)測、深空探測和安全防務等任務的要求,各國都發(fā)射了(或有計劃發(fā)射)載有成像光譜儀(光譜成像儀)的衛(wèi)星。自20世紀80年代初美國噴氣推進實驗室(JPL)提出成像光譜儀概念后,成像光譜儀得到快速的發(fā)展,目前已廣泛應用于環(huán)境探測、災害探測和國家安全等各領域,成像光譜儀的分辨率、幅寬、反應靈敏度等性能指標不斷提高。成像光譜儀的空間分辨率、幅寬等技術指標的一個重要決定因素是焦平面技術。由于超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的發(fā)展,探測器技術近年取得顯著進展,焦平面陣列技術進入了廣泛應用的階段。先進焦平面陣列的發(fā)展,使成像系統(tǒng)實現(xiàn)高密度、高可靠性和微型化,并進一步向高分辨率寬光譜覆蓋發(fā)展。對焦平面技術和光譜成像技術發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢進行分析研究,對該技術領域的發(fā)展具有重要意義。2成像光譜圖像的分類光譜成像技術將成像技術和光譜技術結合在一起,是一種精密機械、光學、光譜學、電子技術和計算機技術融為一體的新型遙感技術。光譜成像技術通常工作于電磁波段的紫外、可見近紅外、短波紅外和中長波紅外光譜波段,獲取許多反映目標精細光譜特征的光譜圖像數(shù)據(jù),為每個像元提供豐富的光譜信息。成像光譜儀是可以同時獲取影像信息與像元的光譜信息的光學傳感器,根據(jù)不同的分類標準可以進行不同的分類。按照光譜分辨率來劃分,光譜成像儀可以劃分為多光譜成像儀、高光譜成像儀和超光譜成像儀三大類。多光譜成像儀光譜通道數(shù)只有幾個到幾十個,光譜分辨率一般為100nm左右;高光譜成像儀光譜通道數(shù)為幾十個到幾百個,光譜分辨率一般為10nm左右;超光譜成像儀具有上千個光譜通道數(shù),光譜分辨率一般在1nm以下。按照分光原理的不同,成像光譜儀可以分為棱鏡色散型、光柵衍射型、濾光片型、干涉型、AOTF分光型和LCTE分光型［３］。根據(jù)成像方式不同,成像光譜儀可以分為擺掃型、推掃型、凝視型三大類。2.1圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)擺掃型成像光譜儀由光機左右擺掃和飛行平臺向前運動完成二維空間成像,其線列探測器完成每個瞬時視場像元的光譜維獲?。郏玻?。擺掃型光譜成像原理圖如圖1所示。擺掃型成像光譜儀的優(yōu)點有:視場大,像元配準好,定標方便,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,進入物鏡后再分光,光譜波段范圍可以做得很寬,比較適合于相對運動速度慢的機載平臺。比較典型的儀器如AVIRIS［３］、OMIS［４，５］、HyMAP［６］等。擺掃型成像光譜儀的不足之處有:后處理難度大(穿軌空間像元不同時獲取),像元駐留時間短,提高光譜和空間分辨率以及信噪比相對困難,因此適用于中低分辨率超大幅寬應用,如MODIS［７］。2.2推掃型光譜成像推掃型成像光譜儀以探測器固體自掃描和飛行平臺向前運動結合完成二維空間掃描。通過光柵和棱鏡分光,面陣探測器的固體自掃描完成光譜維掃描。推掃型光譜成像原理圖如圖2所示。推掃型成像光譜儀的優(yōu)點有:像元凝視時間大大增加,有利于提高系統(tǒng)的空間分辨率和光譜分辨率;沒有光機掃描結構,儀器的體積小。推掃型成像光譜儀的不足有:FOV增大困難,面陣CCD器件標定困難,光學系統(tǒng)復雜,大規(guī)模的紅外探測器研制仍是一個技術難點。推掃型成像光譜儀空間分辨率和光譜分辨率比較高,因此一般用于環(huán)境探測和軍用偵察的星載高分辨率成像光譜儀都是推掃型的。2.3目標元一一對應凝視型成像光譜儀同時對二維視場進行探測,其縱橫視場與二維面陣探測器一致,這種方式完全取消了光機掃描結構,通過采用像元數(shù)足夠多的面陣探測器,使探測器單元與系統(tǒng)觀察范圍內的目標元一一對應［３］。凝視型成像光譜儀最大的特點是能夠在平臺靜止的條件下,對目標進行畫幅式光譜成像,使得成像光譜儀的機構復雜性大大降低,體積、功耗等指標大大減少。凝視型高光譜成像儀通常應用于近場探測,單次成像時間較長,但可以獲得很高的探測靈敏度和光譜分辨率,例如AOTF型高光譜成像儀［８］。2.4高光譜成像技術要求光譜成像技術的應用前景十分廣闊,應用領域的細分也對儀器的性能提出特定的要求。1)應用于空間遙感的高光譜儀空間分辨率達到30m,幅寬大于60km的技術指標已經能夠滿足礦產調查、環(huán)境監(jiān)測和農林估產等需求。空間遙感需要覆蓋大范圍的光譜范圍,需要同時獲取不同多波段的數(shù)據(jù),縮短重訪時間,因此空間遙感高光譜儀應該往寬光譜覆蓋、大幅寬、高空間分辨率和時間分辨率結合的方向發(fā)展,同時提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸能力。光譜儀的寬視場還可以采用視場拼接的方法實現(xiàn),擁有大的幅寬就可以在更短的時間內全球地表要素重復觀測,實現(xiàn)高空間分辨率和高時間分辨率的完美結合。2)在災害監(jiān)測方面,我國主要應用的是中低空間分辨率、高時間分辨率的衛(wèi)星,但無法滿足復雜的氣候災害的探測要求。監(jiān)測衛(wèi)星必須滿足高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、全天候和全天時的要求,才能實現(xiàn)各種復雜災害的準確監(jiān)測以及可靠性的預報。因此用于災害監(jiān)測預報的高光譜儀必須滿足高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、寬觀測幅寬、短的重訪時間要求。3)深空探測領域主要是火星和月球探測,高光譜儀的應用目標是完成行星表明地層、成分等地學信息制圖,并進行行星塵埃、冰晶氣溶膠、表面水含量等隨季節(jié)變化規(guī)律的研究。高光譜儀的地面分辨率達到50m,幅寬達到40km,光譜范圍從可見光到中波紅外。為了更精確地探測行星上的物質成分,高光譜儀需要進一步拓寬光譜范圍。4)防務安全領域方面的高光譜成像儀,空間分辨率要求很高,需要覆蓋從可見光到遠紅外的整個光譜范圍。軍用的高光譜成像儀除了更高的空間分辨率要求以外,還需要更高的反應靈敏度、更小的重量和體積、更寬的光譜范圍以及更強的在軌數(shù)據(jù)處理能力,這樣才能快速地把情報傳到前線指揮部,發(fā)揮偵察及指導作用。另外成像技術的改進,引入二維空間指向鏡,可以提高光譜儀的分辨率并縮短重訪時間［９］。由于賦予衛(wèi)星、飛機的任務越來越多,任務載荷的種類在增加,因此各類載荷的重量和體積必須減少,改善系統(tǒng)的能耗和熱性能。光譜儀的小型化和高配準精度,需要焦平面技術的寬譜響應和非制冷焦平面技術提供支持。隨著高光譜成像技術的應用日益廣闊,對儀器的性能期望也越來越高。因此高光譜成像技術應朝著高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、高靈敏度、大幅寬、更寬光譜范圍、更短的重訪時間和小型化方向發(fā)展,同時光譜成像儀還應具備更強的在軌數(shù)據(jù)預處理能力。高光譜成像儀器的未來發(fā)展需要相關關鍵技術的進步提供保障,包括日趨完善的分光技術、更加敏捷的姿態(tài)控制,更重要的是先進焦平面技術的發(fā)展。3m元焦平面探測器的后續(xù)信號信號轉換和信號分析焦平面技術的發(fā)展經歷了三個階段:從最初的單、多元器件進行光機掃描成像;到焦平面陣列[探測單元數(shù)目在10000以上,且自帶有信號讀出電路的二維N×M元焦平面陣列(FPA)探測器];再到現(xiàn)在凝視型的大陣列焦平面(集成了探測器后續(xù)信號處理電路,包括信號讀出電路、前放、模數(shù)轉換器等的第三代)。根據(jù)高光譜成像技術的發(fā)展趨勢和技術指標的需求,提供技術支撐保障的焦平面技術相應地往大面陣、高幀頻、高靈敏度和寬譜響應方向發(fā)展。3.1近紅外光譜域內的發(fā)展要提高系統(tǒng)成像的分辨率和目標識別能力,大幅度地提高系統(tǒng)焦平面紅外探測像元的集成度是一種重要的途徑。各公司廠家都在盡力增加焦平面陣列的像元數(shù),發(fā)展各種格式的大型或特大型紅外焦平面陣列［１０］。1)可見近紅外方面有CCD和CMOS,CCD已達到9216×9216元陣列規(guī)模,CMOS也達到6144×6144元陣列。除了大面陣規(guī)模,它們還有各自的最新進展。具有2048×256規(guī)模像元,用于成像光譜儀的高速(150幀/s)幀轉移背照面陣CCD［２］,在可見近紅外光譜范圍內有很好的響應。英國E2V公司推出的1024×256元背照式減薄面陣CMOS傳感器,具有快速電荷收集、高增益、良好的藍光響應和MTF特性［２］。2)短波紅外方面:工作在1~3μm波段的HgCdTe焦平面陣列,主要目的是天文和低背景應用。ROCKWELL國際科學中心在HgCdTe(MCT)陣列的發(fā)展處于世界領先地位,該中心在20世紀90年代中期已研制出Hawaii-1型1024×1024元陣列,緊接著Hawaii-2型2048×2048元的陣列,目前已研制成功世界上最大的4096×4096元的特大型陣列。In０．５３Ga０．４７As和InP材料晶格匹配,因此,可以在InP襯底上長出質量很高的外延層,暗電流密度低達3×10－８A/cm２,優(yōu)值因子R０A>2×10６Ω·cm２,D＊>1013cmHz１／２W－１(室溫下),其光譜響應范圍在0.9~1.7μm,可實現(xiàn)非制冷工作的高性能紅外焦平面陣列［２］。InGaAs陣列從256、512元線陣到256×320面陣,現(xiàn)在已經發(fā)展到1280×1024元的面陣規(guī)模。3)中波紅外方面,主要有InSb陣列、HgCdTe陣列和PtSi陣列。在單色探測領域,InSb面陣探測器在生產成本、像元均勻性、一致性方面具有明顯優(yōu)勢,目前最大陣列規(guī)模(4K×4K)由美國Raytheon公司于2009年發(fā)布。HgCdTe中波焦平面陣列是目前中波焦平面陣列中最引人注目的,目前最大陣列為4096×4096元。PtSi陣列目前已經具有大批量生產能力,已經達到2048×2048元的陣列規(guī)模［９］。3.2溫工作條件下的d>4cm焦平面技術采用諸如MBE、MOCVD、VPE這樣的高精度控制制作工藝,CMOS這樣的大型或特大型集成多路傳輸器和微機械加工技術,不但實現(xiàn)了大型二維凝視紅外焦平面陣列的高速大容量的信號處理,而且獲得了高度均勻性的陣列焦平面響應特性,進一步提高了陣列的性能［１１］。如1~3μm的Hg０．６１Cd０．３９Te在室溫工作條件下D＊>4×10１１cmHz１／２W－１,響應時間為10－９s［３］。美國新澤西州傳感器無限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面陣列冷卻到250K工作時,D＊>10１４cmHz１／２W－１,1.3~1.6μm的量子效率接近90%,ROCKWELL國際科學中心的PACE-1型1024×1024元陣列和Hawaii-2型2048×2048元陣列,平均量子效率65.4%,光響應不均勻性為4.3%［３］。在高性能這方面探測器的最新進展有:1)SiPIN焦平面混成陣列(又稱HyViSi技術),這種工藝的獨到之處就是比單片CMOS傳感器和CCD傳感器有更平坦的光譜響應,而且功耗比較低。其典型的應用是美國MRO火星探測器中的CRISM儀器［３］;2)量子阱紅外焦平面是在半導體超格晶體物理的能帶工程理論和先進的MBE材料生長技術的基礎上發(fā)展起來的新型紅外探測器技術。與傳統(tǒng)的HgCdTe和InSb等技術相比,其在相應速度、均勻性、抗輻照、大面陣、多色集成和加工成本等方面具有明顯的優(yōu)勢［３］。3.3色inas/gasb類超晶探測器2011年,Gautam［１２］等研制出了響應波段涵蓋短波紅外(SWIR)、中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)的三色InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器,其截至波長最長為10.1μm。HgCdTe焦平面技術也在寬譜響應方面有所成就,如2008年印度發(fā)射的“月船1號”月球探測器上搭載的NASA月球礦物質制圖儀,該儀器采用1片640×480元HgCdTe探測器實現(xiàn)400~3000nm光譜范圍的信息獲取［３］。3.4焦平面技術發(fā)展方向先進光譜成像儀是焦平面技術的重要應用之一,因此不同應用領域的光譜成像儀對焦平面有不同的技術要求,焦平面技術需要朝不同的方向進行突破。空間遙感方面:焦平面往更高的靈敏度和更大的面陣規(guī)模方向發(fā)展,如MTI衛(wèi)星和Sentinel-2衛(wèi)星采用多波段寬幅集成的焦平面陣列。災害監(jiān)測方面:焦平面陣列往大的面陣規(guī)模、寬的響應波長和大的視場相結合方向發(fā)展。深空探測領域:焦平面技術朝寬譜響應方向發(fā)展。防務安全領域:焦平面技術應該實現(xiàn)更快的反應速度、高幀頻、讀出電路更加快速和低噪聲,數(shù)據(jù)的采集方式和多路傳輸方案要快速精確。另外,為了減少系統(tǒng)的重量和體積,焦平面應該往更高集成密度陣列、雙色和多色陣列、非制冷焦平面陣列方向發(fā)展。4焦平面發(fā)展方向焦平面技術從線陣發(fā)展到二維TDI和大型凝視焦平面陣列,并向大面陣、高集成度、高密度、寬幅響應、高性能的方向發(fā)展,也得到了一定的成效。由于焦平面的發(fā)展,探測器的光譜響應范圍和分辨率等性能也得到提升,進一步推動光譜成像技術向高分辨率、寬光譜覆蓋等方向發(fā)展。先進焦平面技術對光譜成像技術的推動作用表現(xiàn)為以下三個方面:1紅外光譜探測焦平面陣列從單元到線陣拼接的發(fā)展,成像光譜儀在穿軌方向不再需要擺鏡來進行擺掃,系統(tǒng)結構簡化。如美國陸地衛(wèi)星Landsat7主要有效載荷ETM+是擺掃式的,它是基于一個小視場的望遠鏡和一個大視場掃描鏡用擺掃的方式來前后掃描地面的場景并通過相關的小探測器陣列［１１］,探測范圍為從可見光到紅外光區(qū)的8個譜段,光譜范圍為0.450~12.50μm。而衛(wèi)星Landsat8主載荷之一OLI［２７］是推掃型成像儀,它的焦平面陣列是由14個焦平面模型拼接成一個長237mm、寬15.6mm的面陣焦平面［１３］。OLI光學系統(tǒng)采用穿軌視場角為15°的離軸三反望遠鏡,它能覆蓋從可見光、近紅外和短波紅外的9個譜段。由于焦平面陣列技術水平不同,光譜成像儀的性能也會相應的不同。推掃型多光譜儀OLI與ETM+相比較,先進焦平面技術帶來的性能改善有:靈敏度上升;信噪比提高4~10倍;體積重量縮小到1/4;功耗降低到1/5。ETM+和OLI的結構示意圖分別如圖3和圖4所示。2建立了hyperi-在和發(fā)揮服務于焦平面成像的長帶和成像技術在光譜儀系統(tǒng)設計中,探測器光譜響應范圍是決定譜段劃分的關鍵之一。在探測器光譜響應范圍有限的情況下,一個全譜段的成像光譜儀通常由3~5個分光光譜儀構成［３］。高光譜成像儀Hype-rion搭載于EO-1［１４，１５］衛(wèi)星,它是推掃型光譜儀,覆蓋光譜范圍是0.4~2.5μm,寬幅為7.5km,地面分辨率為30m。由于探測器焦平面有光譜響應范圍的限制,因此Hyperion要實現(xiàn)光譜探測,就需要相應的光譜響應范圍的探測器。Hyperion有一個望遠鏡和兩個光譜儀,一個可見/近紅外光譜儀和一個短波紅外光譜儀。隨著焦平面陣列技術的進步,最新的寬譜響應HgCdTe焦平面技術簡化了成像光譜儀結構。典型的例子是NASA月球礦物制圖儀M3,該儀器只采用1片2048×256元的MTC(HgCdTe)探測器就可以實現(xiàn)400~3000nm光譜范圍的信息獲取。M3不僅僅系統(tǒng)簡化,而且具有高光譜分辨率、高空間分辨率、高信噪比等優(yōu)點。它的波段數(shù)為261,幅寬為40km,地面分辨率為70m。Hyperi-on和M3光路示意圖分別如圖5和圖6所示。寬譜響應焦平面技術使得焦平面響應的光譜范圍大大增加,實現(xiàn)一體化光路設計,改善了VNIR和SWIR兩個譜段的圖像配準質量,系統(tǒng)質量、體積、能耗和熱性能指標大為改善。3mti的傳感器芯片成像光譜儀有多波段和大的幅寬要求時,采用的是具有多波段寬幅集成性能的專用光譜成像探測器。具體的應用例子有MTI衛(wèi)星和Sentinel-2［３６－３４］衛(wèi)星。美國能源部的多光譜熱成像儀(MTI)衛(wèi)星,該衛(wèi)星的光譜范圍是從可見光到長波紅外0.45~10.70μm的15個波段,它以推掃的方式收集中等分辨率的圖像。MTI衛(wèi)星的焦平面組件的中心有6個傳感器芯片組件,這6個傳感器芯片固定在三塊母板上［１１］。每對傳感器芯片包含一組三種類型的能夠探測所需波長范圍的線陣:1)用于探測可見光波段的硅PIN二極管陣列;2)用于探測近紅外/短波紅外/中波紅外的背照式光伏InSb;3)用于探測長波紅外的背照式光伏HgCdTe［