超光谱成像仪在轨辐射定标及不确定性分析

介绍了超光谱成像仪的技术参量、成像原理、实验室定标和星上定标的方法.利用超光谱"图谱合一"的特点,对常规的反射率基法提出改进,实现了超光谱成像仪的辐射定标.分析了辐射定标过程中地表测量、大气参量及卫星图像产生的不确定性.结果表明:105个通道定标系数的不确定度优于7%,改进后的定标方法可以实现环境卫星超光谱成像仪的在轨辐射定标.

环境卫星HJ1A超光谱成像仪在轨辐射定标及光谱响应函数敏感性分析

环境卫星HJ1A搭载的超光谱成像仪HSI是我国第一个对地观测的星载高光谱传感器,针对超光谱成像仪缺乏各通道光谱响应函数这一问题,对传统的反射率基法予以改进,提出一种不使用光谱响应函数的场地定标方法。利用敦煌场地2009年8月定标实验数据,实现超光谱成像仪在轨辐射定标。通过构建不同形状的光谱响应函数,分析光谱响应函数形状对最终辐射定标结果产生的误差。结果表明,利用新提出的场地定标方法可以实现超光谱成像仪绝对辐射定标,除水汽和氧气吸收通道外,光谱响应函数对定标结果的影响小于3%,采用新定标方法得到的定标系数可以满足应用的需求。

推帚式超光谱成像仪(PHI)关键技术

成像光谱仪把二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起，是具有重大潜力的对地观测仪器。近年来，随焦平面探测器推帚成像技术的发展，先进国家研制成功了超光谱成像仪，成为成像光谱技术的又一生长点。本文结合工作经验，介绍以硅面阵电荷耦合器件（ＣＣＤ）为探测器的推帚式超光谱成像仪ＰＨＩ的关键技术及发展前景。

机载可见-红外超光谱成像仪信噪比的估算

信噪比表征光谱成像仪的辐射响应,是与其图像质量密切关联的重要参数。对于机载超光谱成像仪,在保证光谱分辨率的同时,要求其信噪比达到数百量级。有别于单色相机,光谱成像仪的信噪比估算侧重于获得其工作波段内各波长处的信噪比值。仿真实际的拍摄条件,特别引入了入射狭缝对视场限制所引起的信噪比衰减,综合考虑平台高度、太阳高度角、地面反射率等环境因子,利用"中分辨率大气传输模型"建立光信号的大气传输模型。超光谱成像仪的工作波段覆盖可见、近红外范围,同时使用的两个探测器的噪声需分别予以计算。信噪比的估算可作为机载超光谱成像仪总体设计和参数确定的依据。

超光谱成像仪指向反射镜热光学特性分析

超光谱成像仪是"图谱合一"的光学遥感器,其指向反射镜位于超光谱成像仪最前端,尺寸大、热流复杂、容易受到热影响。指向反射镜的热光学特性反映指向反射镜的热适应性和热尺寸稳定性,是结构设计人员以及热设计人员关注的重要性能。鉴于此,分析了指向反射镜的工作环境,论述了指向反射镜热光学特性研究内容及技术路线。针对实例利用有限元方法和理论公式进行了热光学分析,比较了两种描述指向反射镜热光学特性的方法。结果表明:对于指向反射镜,与基于温差的描述相比,基于热功率的描述更加真实地反映指向镜的热适应性和热尺寸稳定性。

星载超光谱成像仪杂散光及其测量

超光谱成像仪比一般光谱仪器具有更多的光谱通道和更高的光谱分辨率,而杂散光是影响超光谱成像仪光谱测量精度的重要因素之一,当前光谱仪器的杂散光测量方法尚不能满足超光谱成像仪杂散光检测的需要。作者探讨了此类成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,论述了使用杂散光影响因子di,j描述光谱仪杂散光的可行性和优越性,并给出了杂散光受扰系数fi(λ)和杂散光干扰系数Fi(λ)的定义、物理意义和工程应用价值。最后,介绍了使用窄带滤光片测量星载超光谱成像仪杂散光的测量系统组成、测量步骤和测量结果。结果表明:杂散光影响因子di,j能正确表示光谱仪的杂散光特性,与光源、滤光片、探测器等测量条件无关,而测量效率比谱杂散光系数法至少提高1倍,满足星载超光谱成像仪杂散光测量的工程需要。

二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用

介绍了二元光学超光谱成像仪的基本原理。提出利用折衍混合透镜代替单一的二元光学透镜来实现色散和成像用于超光谱成像仪,论述了此透镜系统的设计方法,给出了理论设计公式。通过光学设计软件ZEMAX对具体实例进行分析和评估,并利用离子束刻蚀法制作了二元光学透镜系统,展示了二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用前景。

航天超光谱成像仪原理分析

介绍了国内外航天超光谱成像仪的研制概况,主要分析介绍了光栅型超光谱成像仪和干涉型超光谱成像仪的原理,并指出了需要进一步研讨的问题。

环境减灾-1A卫星超光谱成像仪结构设计

超光谱成像仪是环境减灾-1A卫星搭载的有效载荷之一,采用空间调制傅里叶变换光谱成像(SMFTHSI)原理,针对仪器技术指标、卫星平台以及仪器光学方案等约束条件,文章介绍了超光谱成像仪光机结构设计方法以及设计结果,并采用有限元分析法对设计结果进行了分析计算。

干涉型超光谱成像仪的星上定标技术研究

根据干涉型超光谱成像仪的原理、特点以及对星上定标的要求,介绍了几种星上定标技术,分析了几种定标方案的结构和优缺点。在一次像面上引入定标结构的方法是利用一次像面上狭缝两端的边视场或在狭缝旁开孔,引入定标光源实现定标。根据聚光结构的不同,定标光源使用聚光镜和自聚焦镜两种方案;全系统定标方法是通过摆镜旋转90°引入定标光源,可分为朗伯板定标系统和积分球定标系统。在实际设计中,根据光学系统、结构总体的实现可能性,选择了积分球定标系统的方案。经过分析对比,后者结构紧凑、光能量大,可实现全系统、全口径、部分视场定标。

超光谱成像仪狭缝热光谱特性的分析

介绍了在狭缝超光谱成像仪中的重要作用。推导出在温度水平变化时,狭缝宽度尺寸的变化对超光谱成像仪光谱带宽与信噪比的影响,得到了超光谱成像仪狭缝的热光谱特性。比较了两类常见狭缝的热光谱特性,得出热特征尺寸与其导热率乘积越小的狭缝热光谱特性也越好的结论。

超光谱成像仪红外系统热控技术研究

介绍了超光谱成像仪红外系统的应用价值,总结了红外系统在光学元件、焦平面器件、光机结构等不同部分的热控需求。通过主动热控与被动热控的比较,阐述了超光谱成像仪红外系统热控策略,并且归纳了适合其要求的热控技术。其中针对红外系统焦平面热控,对辐射制冷和机械制冷进行了比较,并简要介绍了斯特林制冷机。最后总结了目前超光谱成像仪红外系统热控的关键问题。

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。

超光谱成像仪成像电路的设计与实现

超光谱成像仪是环境减灾-1A卫星的主载荷之一,也是我国第一台采用静态干涉型光谱成像技术的星载遥感相机。成像电路是超光谱成像仪的核心组件之一,文章介绍了超光谱成像仪成像电路的系统组成,以及各功能模块的结构、功能和设计原理。

环境-1A超光谱成像仪相对辐射定标方法应用研究

介绍了环境-1A卫星上装载的新型有效载荷超光谱成像仪的工作原理。指出我国使用超光谱干涉仪尚处于试验阶段,对在轨数据处理方法还需要完善。文章针对干涉仪的数据立方体特性提出一种空间维的基于统计方法的在轨干涉数据相对辐射定标处理方法,并通过对卫星实际在轨数据的对比处理来验证其处理效果。结果表明,相对辐射定标处理可以修正CCD响应的不均匀性和入射光场的不均匀性,减小非线性相位偏移,提高复原光谱的精度。

基于多波段匹配的超光谱成像仪图像条带噪声去除方法研究

环境卫星超光谱成像仪前20个通道的图像具有明显的条带噪声,严重影响了后续数据处理和定量化应用。根据环境卫星超光谱成像仪波段多、各波段图像相关性强的特点,提出了一种基于多波段图像匹配的条带去除方法。以广西北部湾地区的超光谱成像仪图像为例,分别利用矩匹配方法和多波段匹配方法进行校正。最后从图像基本信息保留能力、图像灰度值改变量和列均值比评价指标三个方面,定量评价了这两种方法的去噪效果。结果表明,多波段匹配方法能够在有效去除图像条带噪声的同时,较好地保留各探测元接收到的地物信号的差异,其去噪效果优于矩匹配方法。

星载高分辨率超光谱成像仪分光方式的选择

从透光率、光谱范围杂散光、可靠性、色散线性、光谱带宽、成本等多个方面分析了超光谱成像光谱仪采用棱镜或光栅色散分光的优缺点。分析显示,棱镜光谱仪透过率高达95.24%(VNIR),而光栅的衍射效率仅为60%～70%。棱镜光谱仪的杂散光可达10-4,而光栅的杂散光为10-2。尽管光栅光谱仪的波长覆盖范围要比棱镜光谱仪好,但在0.4～2.5μm,棱镜光谱仪相对光栅光谱仪有优越性。此外,光栅光谱仪的色散基本为线性,但棱镜光谱仪的短波非线性问题可通过复合棱镜进行补偿,而且,棱镜光谱仪的可靠性好于光栅光谱仪。另外,两种光谱仪的光谱带宽和成本基本接近。这些结果表明,棱镜更适于星载高分辨率超光谱成像仪的分光。

超光谱成像仪光谱温度漂移计算分析

为了为超光谱成像仪光谱温度漂移修正提供依据和指导其光机结构设计,介绍了光谱成像的基本原理,研究了温度变化对超光谱成像仪光机结构尺寸稳定性的影响,通过面型拟合,将MSC Nastran的分析结果代入Zemax光学设计软件,计算了光谱漂移量。在+30℃均匀温升载荷下,光谱在x方向漂移量为—31μm,小于2 pixel(CCD像元为18μm),y方向漂移量为—29μm,小于2 pixel。计算结果表明各波长光线光谱为整体漂移,光谱温度漂移对光谱分辨力和线色散率无影响,光谱漂移随温度呈线性变化。

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显;本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。

可见近红外、短波红外超光谱成像仪在轨数据处理技术研究

分析了天基可见近红外、短波红外超光谱成像仪的数据特征,提出了一种用于可见近红外、短波红外超光谱成像仪的在轨数据处理系统。重点介绍了星上定标及非均匀性校正、星上数据压缩等算法。超光谱成像仪在地面定标的基础上进行星上辐射和光谱定标,用基于定标和基于场景两种方法对图像数据做非均匀性校正。星上数据去噪及压缩采用基于小波变换的方法,去噪后的数据用3D-Tarp算法压缩。该系统设计既考虑了算法的有效性,又考虑了恶劣的星上环境对时间、功耗等指标的限制,在尽量少损失信息的情况下,能有效去除噪声,提高信噪比,减少星上存储和下传的数据,提高图像质量。