CN1093802A - 机载成象光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载成象光谱仪，是一种实用 型成象光谱遥感仪器。它集成象与光谱功能于一体， 包括扫描头和信号处理系统两大部分。中间由电缆 联结。它通过特有的光机设计，信息采集和信号处理 系统，在探测目标空间特征的同时将每个空间象元色 散形成数十个连续的光谱波段。获得从可见光至热 红外波段的分光谱图象数据。本发明具有灵活而实 用的多组态工作模式。适合于海洋和陆地的环境、资 源、地质、生态等航空遥感应用。

Description

本发明涉及地球表面物体空间特征及辐射光谱特征的探测。是一种机载成象光谱仪，融合了光机扫描、精细分光、焦平面器件、弱信号接收、计算机与信息处理技术等多学科技术。适用于地质、地球物理和环境调查。

80年代美国加州理工学院喷气推进实验室（JPL）发展的AVIRIS机载成象光谱仪（SPIE    Vol.834）具有较大的科学实验价值，但它尚不是一种实用型装置。美国地球物理环境调查公司（GER）的63通道机载成象光谱仪（SPIE    Vol.1298）虽属同一类型，但其采用四方棱镜扫描的KENNEDY光学系统，为双光路成象系统，结构复杂，光学效率低。多面体扫描易产生扫描行间象元配准精度低，影响图象质量。

本发明的目的是提供一种安装于飞机工作平台的实用型机载成象光谱仪。它集光机扫描成象技术与光谱仪技术为一体，在探测目标空间特征的同时，将每个空间象元色散形成数十个从可见光到热红外区域连续的光谱波段，从而在获得二维扫描图象的同时，可得到对应空间象元的光谱曲线。

本发明的目的是这样达到的。由扫描头接收来自地物目标的辐射。所说的扫描头包括地物扫描系统、成象光学系统、分光计、焦平面探测器及前置放大器、光电编码器、参考黑体板。扫描头将地物目标辐射在可见一近红外和短波红外、热红外波段转换成数十个连续的窄光谱通道信号，经电缆送至信号处理系统。所说的信号处理系统包括多通道模拟信号处理、模数转换、数据记录、格式形成和记录控制器，实现多通道图象数据的自动采集、编辑和记录。

本发明的特点是所说的扫描头具有经轻量化及动平衡设计的大口径45度放置反射镜。扫描头的成象光学系统是一种短光路密集形结构。集公用的准直镜与视场光栏于一体，结构紧凑，适合小安装空间。视场光栏可根据系统不同的空间分辨率要求方便地进行置换，不必重新校准。扫描头设计采用模块式的光路结构。可见一近红外、短波红外、热红外三个分光计为三个独立模块，分光计与主光学系统在平行光中联接。扫描头具有灵活的多组态工作模式。不同波段的分光计可单独与主光学系统配置，也可以将可见一近红外与短波红外分光计组合在一起使用。所说的可见一近红外分光计和短波红外分光计均为全反射系统，简单，高效。所说的热红外分光计具有超小F数的红外会聚透镜组。扫描头采用的探测器为Si线列探测器、PbS线列探测器、HgCdTe线列探测器。

本发明的特点还在于将PbS探测器的频带通过前置放大器的频率补偿扩展到满足成象系统的要求。此外，在所说的信号处理系统中，具有数据采集器、程序时序控制器、中央控制器，还设置了通频带可编程的电子滤波器，能提高图象信号的信噪比，并能满足不同瞬时视场和不同工作组态的要求。设置了信号箝位装置，能采集定标信号或黑电平信号，并自动恢复信号中的直流分量。设置了高精度的模数转换器和12位全量化数字数据输出装置，使处理系统的动态范围变大，能满足各种遥感场合的图象数据自动采集。设置了波段和数据编辑、编程装置，使系统操作简化。设置了8位浮动数据口，能适应8位数据输入的移动窗显示器和8位的数据记录系统。信号处理系统中还设有通道可选模拟监视口，监视通道序号显示及8位电平位置显示。数字记录控制器对高速大容量成象光谱数据记录进行缓冲并送数字记录仪完成实时记录。

下面结合附图对本发明实施例作详细阐述。

图1是本发明机载成象光谱仪的原理框图。图中1为光机扫描器，2为主光学系统，3为分光计，4为参考黑体板，5为探测器及多路前置放大器，6为信号处理系统，7为记录系统，8为实时显示系统。

图2是机载成象光谱仪的扫描头的原理框图。图中9为光学编码器，10为同步电机，11为45度旋转反射镜，9、10、11组成光机扫描器1。12为主反射镜，13为视场光栏，14为准直镜，15为斜反射镜，12、13、14、15组成主光学系统2。16为光学系统出射平行光。光学编码器9同时给出同步和时基信号41。

图3是分光计原理框图。图中16为主光学系统出射平行光，17为可见-近红外与短波红外波段的分色片，18为可见光分色计的会聚准直单元，19为可见光分色元件，20为会聚镜，21为Si线列探测器，22为短波红外分光计的会聚准直单元，23为短波红外分色元件，24为会聚镜，25为PbS线列探测器，26为热红外分光计分光元件，27为会聚透射镜组，28为HgCdTe线列探测器。

图4是机载成象光谱仪信号处理系统的原理框图。图中5为探测器及其多路前置放大器，29为模拟信号放大及处理，30为12位模-数转换器，31为程序时序控制器，32为面板控制，33为中央控制器，34为附加数据形成器，35为数据缓冲、格式形成器，36为12位至8位数字信号转换器，8为实时显示系统，37为数字-模拟转换，38为模拟监视输出，39为数字记录控制器，7为记录系统，40为导航数据输入，41为同步时基信号。

图5为机载成象光谱仪结构示意图。

图6为机载成象光谱仪结构侧视图，它是图5的左视图。

图7为机载成象光谱仪光学结构示意图。

机载成象光谱仪工作时安装于飞机平台。扫描头通过与光轴成45度角的旋转反射镜实现对地物的横向扫描，飞机飞行运动形成纵向扫描条带，从而构成对地面物体的二维扫描图象。光机扫描器由磁带同步电机、旋转光学角度编码器、扫描镜和动平衡装置组成。二头出轴的二相磁带同步电机，一端安装扫描镜，一端安装光学角度编码器。扫描镜是一块长轴为254mm，短轴为180mm的椭圆形平面反射镜，选用铝、镁合金制成。为了减轻重量，并具有良好的刚度，其侧面采用三角型蜂窝状结构。由于扫描镜对于转轴严重不对称，为校正转镜的静平衡和动平衡机构，在电机两头出轴的圆盘上相对安装了两个动平衡块，形成一对反力偶来抵消45度扫描镜在轴上形成的力偶。

参见图7，主光学系统设置了一块抛物面主镜12和一块抛物面准直镜14，且共焦于视场光栏，是一种短光路密集形结构。地物的光线通过45度镜平行地入射到主镜上，主镜把光线会聚到焦面中的视场光栏上，以获得空间像，并再由准直镜把光线准直，由一块斜反射镜15将准直后的平行光束引出主光学系统，使三个分光计在平行光束中与主光学系统联接，该特征使得光学系统之间联接安装方便，引入误差小，结构紧凑。专门设计的光栏机构，具有定位可靠，置换方便的特点。可见-近红外和短波红外的分光计可以同时使用，相互之间的光学联接由一块在平行光路中45度安装的分色片17完成，分色片把可见/近红外光能量反射到可见-近红外的分色计中，而把短波红外的光能量透射到短波红外分光计中。

可见-近红外分光计采用全反射结构，以提高光学效率，采用闪耀光栅-1级的衍射，获得色散谱面，使得成象会聚镜的总视场减小，像质得到改善。由于可见/近红外波段为3mrad分辨率，而短波红外波段为4.5mrad分辨率，为了使二者的空间象元得以匹配，在可见-近红外分光计中设置二次会聚和准直系统，并设置二次视场光栏，把主光学系统中4.5mrad的视场转换成3mrad的视场。色散后的光谱信号（0.44μm-1.08μm波段）由一个32元硅探测器列阵接收，通过多路前置放大器转换成并行的电信号输出。

短波红外分光计也采用全反射结构和闪耀光栅的-1级衍射，以提高光学效率和提高像质。色散后的短波红外光信号（1.50μm-2.50μm波段）由一个32元硫化铅探测器列阵接收，并通过多路前置放大器转换成并行的电信号输出。

由于热红外波段的焦距相对较短，会聚镜采用了由两片锗镜组成的透镜组。焦平面探测器采用了安装于金属杜瓦瓶内，液氮致冷的7元碲镉汞探测器列阵，其工作温度为77K。

机载成象光谱仪信号处理系统是具有完成多路并行模拟信号处理，并串转换，模数转换的大动态范围图象数据采集器，导航数据、工程数据采集与合成信号格式的系统控制器的把从前置放大器输出的多路并行模拟信号进行放大，电平变换，并由模数转换器转换成相应的数字信号，再由数据格式器把多路的数据形成一统一的格式输出，送数据记录器记录。

信号处理系统中有16块数据采集板，每块板承担四路模拟信号的放大、滤波、黑电平钳位、采样保持、4-1并串转换及数据输出。总共可采集64个通道的模拟信号。来自前放的模拟信号经放大后，进入程控低通滤波器，低通滤波器的3分贝带宽可选，按不同扫描速率和空间分辨率的需要设定。由于硫化铅探测器的前置放大器采用了交流耦合，因此为了使信号中的直流分量不至于丢失，必须通过黑电平钳位对其加以恢复。数据采集选用12位A/D转换器，以保证成象光谱仪遥感信号足够的动态范围。二块时序控制板以来自扫描头光学角度编码器输出的采样时钟和扫描行同步信号为基准，产生系统工作所需的一系列时序信号。同时考虑到输出信号码的速率比码盘的速率高得多，因此采用了二套时钟通过电路同步的方法。二块系统控制板控制信号处理系统中的监视、显示部分和导航数据采集，及在图象数据中混入行起始字、行计数、飞行姿态参数等工程性辅助数据。控制器选用价廉、通用的8031单片机，并用一片8155作输入输出口扩展。系统采用中断方式作为基本工作模式，完成从输出的数字流数据中选出需要监视的通道的数据，将其转换成模拟信号，供操作者观察、监视;选取12位输出数字数据中的任意连续8位供移动窗实时显示图象;给出监视通道序号的显示以及8位电平位置的显示。允许操作者通过按动面板上的按键进行更改。

考虑到成象光谱仪中可见/近红外为32个波段，短波红外为32个波段，两组波段相对独立、因此信号处理系统的数据采集板、时序板、控制板、通道的监视和显示也分成32个通道一组，两组相对独立。

经试用和测试，本实施例达到，如下技术指标：

工作波段：

1.可见/近红外：0.44-1.08μm    32波段

2.短波红外：1.50-2.50μm    32波段

3.热红外：8-12.5μm    7波段

光谱取样间隔：20nm（0.44-1.08μm）

30nm（1.50-2.50μm）

0.4，0.8μm（8-12.5μm）

瞬时视场：    3mrad（0.44-1.08μm，8-12.5μm）

4.5mrad（1.50-2.50μm）

总视场：90°

扫描速率：10线/秒

光学口径：180mm

行象元数：512

数据编码：12bit

数据率：5.12Mbps

探测器：32元Si线列

32元PbS线列

7元HgCdTe线列

本发明有如下有益效果：

1.结构紧凑，光学系统效率高，体积小。能适合多种型号飞机安装，尤其可安装在轻型高空飞机（如奖状S/Ⅱ）上作业。

2.灵活的多组态工作模式，适用面广，可针对不同的遥感应用选择最佳组合。

3.操作方便、可靠。机载实时监视系统能随时了解仪器工作状态及扫描图象质量。

Claims (8)

1、一种机载成象光谱仪，包括扫描头与机载信号处理系统，所说的扫描头包含地物扫描系统、成象光学系统、分光计、探测器、前置放大器、光学编码器，扫描头将地物目标信号，经电缆送至信号处理系统，信号处理系统包含多通道模拟信号处理、模数转换、格式形成与输出记录，其特征在于：

(1)所说的扫描头的成象光学系统为短光路密集形，在甚小空间中集公用的准直镜与视场光阑于一体；

(2)所说的扫描头设置了可置换式视场光阑，对应不同的系统空间分辨率；

(3)所说的扫描头采用模块式光路结构；

(4)所说的扫描头具有多组态工作模式，不同波段分光计将地物目标辐射转换为数十个连续的相应窄光谱通道信号；

(5)所说的扫描头具有可见一近红外分光计、短波红外分光计和热红外分光计；

(6)所说的扫描头具有经轻量化、动平衡设计的扫描镜；

(7)所说的扫描头采用Si线列探测器、PbS线列探测器、HgCdTe线列探测器；

(8)所说的机载信号处理系统具有数据采集器、程序时序控制器、中央控制器、及12位全量化数字数据输出口和8位浮动数据输出口；

(9)所说的机载信号处理系统具有定标信号或黑电平采集和信号直流分量自动恢复装置，波段编程、数据编程、数据编辑装置。

2、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的扫描头的成象光学系统，主反射镜与准直镜共焦，视场光栏装置在焦点上。

3、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的扫描头的模块式光路结构，其主光学系统与分光计在平行光路中联接，可见一近红外分光计、短波红外分光计、热红外分光计具有共同的联接口，可方便地进行置换或组合使用。

4、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的扫描头是具有全反射式可见一近红外分光计、全反射式短波红外分光计、和具有超小F数红外会聚镜组的热红外分光计。

5、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的扫描头具有带频率提升特性的PbS线列探测器多路前置放大器。

6、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的扫描头的扫描镜采用45度椭圆形平面反射镜。

7、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的机载信号处理系统是具有完成多路并行模拟信号处理，并串转换、模数转换的大动态范围图象数据采集器，导航数据、工程数据采集与合成信号格式的系统控制器。

8、根据权利要求1所规定的机载成象光谱仪，其特征在于所说的机载信号处理系统设有通道可选模拟监视口，监视通道序号显示及8位电平位置显示。

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