推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪(WIS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。

基于多挡增益的自适应光谱成像法研究

为满足海洋水色遥感器大动态范围监测的需求,以推扫式成像光谱仪为例,提出一种基于多挡增益的自适应成像方法。从遥感器动态范围与信噪比的矛盾分析出发,阐述了逐像元自适应读取方法的优势,给出相应的系统设计。由海洋成像场景确定满阱电荷限制,并利用系统信噪比及动态范围约束,仿真分析得出最优挡位个数及比例。结果表明,当增益挡位为4挡,满阱电荷分别为2.5 Me-(超低增益)、500 ke-(低增益)、100 ke-(中等增益)、20 ke-(高增益)时,成像效果最佳。基于此设置,光谱成像系统总动态范围可达116 dB,典型入射辐亮度下各通道平均信噪比为767.37。同时,利用中等分辨率大气辐射传输模型(MODTRAN)对该成像方法进行了验证,除云层的第10通道出现饱和外,其余均满足动态范围和信噪比要求。