CN1544958A - 机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统 - Google Patents

Abstract

一种机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统由二台性能一致的22°视场角高光谱成像仪构成，并通过电子学双向数据流方式联结实现系统集中监控和同步工作，特点是：a.该二台高光谱成像仪中的望远镜各具有一只22°视场角的物镜，对应的二只物镜视场角具有2°的视场重合而拼接成42°总视场；b.在该二台高光谱成像仪的圆套筒和连接板之间紧置入一连体拼接板的端孔而形成整体结构；c.每台高光谱成像仪包括依次以数据传输联结的探测器头部、高光谱数据采集模块和高速存储设备；d.系统监控为星型网络主从式结构，由同步控制设备向该二台高光谱成像仪中的探测器头部提供时钟脉冲；由二只网络接口分别以双向数据流联结该二台成像仪中的网络接口。

Description

机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统

技术领域：

本发明涉及一种光机电一体化并包含专用数据采集与处理软件的机载遥感成像系统，特别是采用推帚成像方式，具有高光谱分辨力(优于5nm)、宽视场(大于40度)、实用性强的机载遥感成像系统特点。

背景技术：

成像光谱技术，一般可以采用旋转扫描式成像和面阵推帚式成像两种技术实现途径。其中，前者是物方扫描穿轨成像的多光谱扫描仪的技术发展，它的优点是扫描视场大(可达90度以上)，作业效率高，但是，系统的信噪比因探测器凝视时间短而不容易提高。为保证足够的灵敏度，必须增大光学口径，从而导致仪器体积大、重量重等缺点。目前已经投入运行的仪器有美国的MIVIS和DAIS、中国的MAIS和OMIS等。

推帚式高光谱成像是随着高性能硅光电材料和微电子技术的发展而产生的一种新兴的成像途径，其利用高探测率的可见光近红外(0.4-0.9μm)面阵CCD探测器配合高性能的分光和望远元件，采用探测器自扫描，以凝视方式工作，在保持空间分辨率和信噪比的基础上可得到多达几百个波段的光谱图像数据。工作原理如图1所示。由于这种成像方式去除了光机扫描的运动器件，增加了像元滞留时间，从而提高了系统的信噪比和空间分辨率，也大大减小了仪器的重量和体积。不过，由于这一探测方式的总视场受探测器件的影响较大，目前单探测器推帚式成像光谱仪的总视场一般只能达到30°左右，从而，在一定程度上降低了仪器的使用效率。目前面阵CCD推帚式高光谱成像仪的国际发展情况如表1所示。

                               表1：国际推帚式高光谱成像仪一览表

	PHILLS	APEX		TRW III		AISA	CASI-2	HSI	AHI
										国别	美国NRL	ESA		美国		芬兰	加拿大	美国	美国
时间	1995	1996		1996		1997	1998	2000	-
										光谱范围(μm)	0.2～1.1	0.45～0.95	0.9-2.5	0.4-1.0	0.9～2.5	0.43～0.9	0.4～1.0	7.95-11.5	7～11.5
波段数	1024	200		128	256	288	288	186	32
										光谱分辨率(nm)	0.5	10		5	6.25	1.8	2.2	50	125
探测器大小	-	-		768×384	256×256	384×288		512×256	256×256
										探测器制冷方式	-	-		-	斯特林	热电	热电	-	机械
瞬时视场(mrad)	0.75	-		0.9		1.0	1.3	1.0	0.9×2
										视场角°	11	28		13.1		20	37.8	6.16	13
像元数	256	1024		256		360	512	512	256
										帧速率(Hz)	20	-		15/30/60		220	333	-	150
量化字节(bit)	16	12		12		12	12	12	12
										分光技术	凸面光栅	棱镜		平面光栅		透射光栅	-	凸面光栅	-
灵敏度		-		750∶1@0.5um		-	420∶1	-	＜0.1K
										辐射定标精度	5％	-		5％		-	5％	-	10％
光谱定标精度(nm)	-	-		1		-	1	-	-
										机上定标	定标灯	-		定标灯		-	-	黑体	黑体

由中国科学院上海技术物理研究所于1997年开始研制成功实用型机载128波段可见近红外/短波红外/热红外模块化成像光谱仪和机载244波段可见近红外推帚式高光谱成像仪，技术指标与国外同类仪器相当，在国内进行了多次遥感应用示范飞行和国际遥感应用合作试验，均取得令人满意的结果。并还研制了124波段适用于海洋遥感的可见近红外推帚式高光谱成像仪。

图1是已有技术的焦平面探测器推帚式成像原理图，望远系统采用Nikon20/F2.8镜头，主要作用是一个取景器，以便瞄准目标。分光器件采用芬兰Specim公司ImSpector V10型透射式分光器件，其主要作用为将复合光分解为单色光，平均分布在焦平面探测器上。

望远器件的主要参数为：

相对孔径：    f/2.8；

焦距：        24mm；

分光器件的主要参数为：

狭缝大小：    8.8mm×25um；

光谱范围：   400nm-1000nm

色散率：     97.5nm/mm

狭缝大小：   7mm×25um

相对孔径：   F/2.4

光学效率：   ＞50％

面阵CCD探测器引进美国Pixel Vision公司的背照式帧转Si移面阵CCD，关键指标为：

像元数   652×494

像元大小 12μm

最高帧速率 52帧/秒

势井容量   189.85Ke-

读出噪声   51e-(RMS)

量子效率   65％(750nm)

面阵尺寸8.8mm(像空间)×6.6mm(谱空间)

采用热电制冷方式实现探测器的恒温工作，以降低暗电流提高信噪比。

在数据采集中，采用光谱维4元合并，空间维不合并工作方式，即实际采集波段数124个，空间像元数652个，可以满足22°视场角(FOV)和1mrad(IFOV)的像元个数的要求。

已有的22°视场角高光谱成像仪机械结构图，见图2，其包括依次以机械联结的望远镜头10、过渡环11、分光计12、方套筒13、圆套筒14、连接板15和面阵CCD探测器16。

虽然上述的机载244波段可见近红外推帚式高光谱成像仪的技术已成熟，具有令人满意的结果，但其视场角仅为22°，是其最大的不足之处。

发明内容：

如上所述，由于大视场、高像质光学系统设计和帧转移大面阵CCD制造的难度，据表1可知国际上单一推帚式高光谱成像仪视场角最大为37.8°，可见如何提高其视场角度乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种机载推帚式宽视场光谱遥感成像系统。

本发明的技术构思是根据目前中国在小视场推帚式高光谱成像技术已经成熟的条件下，采用两台各具有22°视场角的高光谱成像仪利用分割视场方案拼接为具有42°视场角的宽视场高光谱成像，来解决大视场成像问题。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，包括二台光、机、电性能一致的22°视场角的高光谱成像仪，它们分别均为独立的结构体，依次以机械联结的望远镜头、过渡环、分光计、方套筒、圆套筒、连接板和面阵CCD控制器，并通过电子学双向数据流方式联结，实现系统集中监控和同步工作，其特点是：

a.该二台高光谱成像仪中的望远镜各具有一只22°视场角的物镜，二只物镜呈对称倾斜放置，使对应的二只物镜视场角具有2°的视场重合而拼接成42°总视场；

b.分别在该分立的二台高光谱成像仪的圆套筒和连接板之间紧置入一连体拼接板的端孔而形成一拼接整体结构；

c.该每台高光谱成像仪包括依次以数据传输联结的探测器头部、高光谱数据采集模块和高速存储设备；

d.系统监控为基于星型网络结构的主从结构，由一主控计算机中的同步控制设备向该二台高光谱成像仪中的探测器头部提供时钟脉冲；由二只网络接口分别以双向数据流联结该二台高光谱成像仪中的网络接口。

进一步，所说的高光谱数据采集模块包括接受来自探测器头部经高速光纤传导的采集数据的数据采集接口、与主控计算机中的网络接口成双向数据流联结的网络接口、和向高速存储设备输出数据的SCSI控制接口，所说的拼接成的42度成像总视场，其瞬时视场为0.6mrad，成像周期约为20ms/帧，采集数据率约为8Mbytes/s；该二台成像仪中的高速存储设备包括测试存储速度达16Mbytes/s的SCSI磁盘。

所说的主控计算机是一台高效、稳定的工业级计算机，该主控计算机中设置数据采集/控制功能模块，其中数据采集功能模块包括依次以数据流链接的数据接收模块、共享数据管理模块、人机交互模块，并由数据接收模块链接数据网络端口，由人机交互模块与人机交互设备成双向数据流链接；而控制功能模块则包括依次以双向控制流链接的指令网络端口、指令交互模块、人机交互模块和人机交互设备。

本发明的优点是：由于是以两台技术已成熟的22°视场角的高光谱成像仪拼接而成的42°总视场角的高光谱成像，因此，既能达到稳定可靠工作，而且节省人力、财力，其整机的主要技术指标如下：

●地面分辨力GSD(按航高2000m计算)：优于2m；

●瞬时视场 $\mathrm{IFOV}=\frac{2m}{2000m}=1\mathrm{mrad}$

●光学成像总视场角：42°；

●光学成像波段：420-900nm，128个波段，光谱分辨力5nm，挑选波段记录，同时记录大于64个波段；

●高光谱信噪比(S/N)：光谱中部70％以上范围内优于500，其余不低于300；

●数据动态范围：12bit；

●积分时间可调；

●行速率：50行/秒；

●系统连续工作时间最长可达4小时。

附图说明：

图1是已有技术的焦平面探测器推帚式成像原理图；

图2是已有技术的22°视场角高光谱成像仪的机械结构示意图；

图3是本发明中的双传感器并行拼接的；

图4是本发明中的拼接光学示意图；

图5-1和图5-2分别是本发明中的拼接部件的内部结构体和整体结构图；

图6是本发明中的成像系统组成模块图；

图7是本发明中的主控软件模块划分及抽象数据流示意图

具体实施方式：

下面根据图3～图7给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

本发明的具体实施方案包括如下几个部分：

1)42°高光谱成像仪的研制

高光谱成像传感器采用两台各具有22°视场角的高光谱成像仪拼接而成，两个视场之间具有2°的重合，拼接以后的高光谱成像传感器具备42°的总视场角。每台22°高光谱成像仪利用基于具有电子快门功能的帧转移面阵CCD推帚成像方式，PGP(棱镜-透射光栅-棱镜)分光的技术路线。

面阵CCD推帚式成像仪的成像原理图见图1所示，其利用高探测率的可见光近红外(0.4-0.9μm)面阵CCD探测器配合高性能的色散器件和望远器件，采用探测器自扫描，以凝视方式成像，在保持空间分辨率和信噪比的基础上可得到多达几百个波段的光谱图像数据。

2)双传感器并行拼接技术方案

双传感器并行拼接的技术方案图，见图3。为了实现42°的总视场角，两台高光谱成像仪的摆放具有一定的夹角。拼接光学示意图如图4所示。

图3中，两高光谱成像仪包括物镜1，物镜2，它们各具有22°视场角。将两物镜1、2倾斜放置，使其两视场间具有2°的重合，从而拼接成42°的总视场。

图4所示为拼接光谱仪的光学示意图，代表22°刈幅视场的光分别进入两高光谱成像仪，分光后不同波长的光会聚于焦面探测器不同位置，最终得到按空间和光谱维排列的一个瞬时视场的分光图像，这样，视场拼接后的一幅图像就代表地面刈幅视场为42°的一个条带地物的光谱信息。

另外，实现双传感器并行拼接，必须使两台传感器的关键技术指标相一致或在允许误差范围以内，否则获得的成像光谱数据将失去定量的意义。因此在光学器件的选材时均通过了严格的检测，遵循以上选材规则，选用关键指标相近的器件。然后，通过光、机、电、算各种手段相结合，消除在两台不共用光学系统高光谱成像仪的拼接中影响一致性的主要因素，包括光学系统效率、探测器响应率、积分时间的长短、量化电路的精度以及暗电流噪声的差别，最终得到真实反映望远镜接收辐射能大小的数据。

3)拼接机械部件的设计

机械结构的设计过程采用了光、机一体化的设计方法，从结构形式的选择和光机装校的方法两方面结合的角度进行了考虑。设计结果即可实现三维调整，又具有易锁和抗震性的要求。拼接部件机械结构图，如图5-1和图5-2所示。

两台分立的22°高光谱成像仪10、20由一连体的拼接板30所拼接，该拼接板30分别位于圆套筒14和连接板15之间，并形成紧固定。

4)数据采集/控制/存储子系统的研制

本发明中的数据采集系统采用小型化、轻量化、一体化结构设计，主要功能包括高光谱结果数据传输、采集、控制、存储和实时显示等功能。系统的主成模块图，见图6。

为了便于控制和集成，数据采集系统采用了基于星型网络结构的主从式架构，由一台高效、稳定的工业级计算机负责所有的人机交互工作，主从机之间通过网络传输数据和控制信息。

其中，主控计算机40用于控制高光谱成像模块51、61和多点激光测高模块，即探测器头部53、63，主要包括：人机交互设备，存储设备，时间间隔测量设备，网络接口41、42，同步控制设备43。各组成设备的选取和功能如下：

人机交互设备(未图示)：包括显示设备、键盘、鼠标等通用输入/输出设备。考虑到机载系统特殊的工作环境，选用的标准为：抗震性和电磁兼容性能良好，携带方便、安装简易、操作便捷。

存储设备(未图示)：主控机的数据存储速率要求不高，因此，主控机存储设备的选取标准主要是运行稳定，可靠，抗震性能良好，选用7200转的IDE接口硬盘。

网络接口41、42：分别用于与两台高光谱成像模块51、61连接，提供指令和数据信息的交互通道，选用原则为工作稳定可靠、工作期间对PCI总线上的流量占有率较小的一块双口或两块单口企业级网卡，目前已选用D-Link公司生产的DFE-580TX四端口网卡。

同步控制设备43，这一部分主要包括三个主要功能：生成GPS信息，提供给存储模块生成GPS数据文件；在数据采集过程启动以后，同步地向两个高光谱成像模块51、61发送50Hz的周期性脉冲信号；同时将该信号与GPS上提供的时钟信息相结合，生成事后时钟校准所需的时间标志。

各台22°高光谱成像模块51、61包括：两个Pixel Vision高光谱探测器头部53、63，相应的控制和数据存储接口模块52、62，探测器头部53、63与后续的数据采集接口512、612之间采用高速的光纤进行数据传输。成像仪的成像周期约为20ms/帧，采集数据率约为8Mbytes/s。为了满足如此高速的数据记录要求，决定为每台相机分别配置相应的控制和存储模块，同时选用兼具高速和稳定的工业级计算机配置上测试存储速度达16Mbytes/s的SCSI磁盘，从而防止两台相机之间的相互干扰和资源抢占。

两台成像仪之间的数据流同步利用GPS上提供的频率同步信号经过分频，产生50HZ的TTL信号作为相机的外部触发信号，同时记下各脉冲信号发出时的GPS时钟，作为事后校准的事件标志。

5)主控软件的设计与开发

主控软件在Microsoft Visual Studio 6.0集成环境下开发完成，运行平台Windows2000。

功能描述

本子系统主控软件的主要功能包括：各分模块的初始化操作；元数据信息的获取和某些公有信息的显示；高光谱成像模块的运行状态监控；各分模块运行状态异常时的警报功能；单次采集结束后的后续工作。

初始化操作：人机交互界面初始化，同步控制设备的初始化(设备查找，工作状态检测、GPS信号的读取及其有效性判别等)，通信接口初始化(命令通信端口和数据通信端口均进入监听状态，等待高光谱成像模块的连接请求，并分别与其建立连接，随后获取当前设备的相关参数)。

元数据信息的获取：在单次采集工作开始之前，提供元数据信息的输入途径，利用现有信息和用户输入信息建立相对于本次采集操作的元数据文件。并对某些需要实时刷新的信息进行显示(如GPS信息等)。

对高光谱成像模块51、61的运行状态监控：在采集工作过程中，实时地通过数据通信接口分别接收由两个成像模块发送的待显示数据，将数据进行合并后，用移动窗的形式予以显示；在系统的待机状态(非采集过程中)，通过命令通信接口向两个成像模块发送设备控制信息，按照既定协议，实现对其工作状态的控制(如改变数据采集模式、曝光时间等)。

各分模块运行状态异常时的警报功能：当获知某模块工作出现异常时，能够提供警报信息，同时采取相应的应急措施，实现各模块之间的相互屏蔽。

单次采集结束后的后续工作：向各分模块发送采集结束指令，结束其数据采集过程，填写本次采集操作的元数据文件中所需补充的信息，关闭文件，释放资源。

功能模块划分

主控软件功能模块70及抽象数据流图如图7所示：

在高光谱数据采集/控制系统中，主要分为四个功能模块，它们的功能如下：

人机交互模块76，是该软件系统的控制中心，主要功能包括：生成人机交互界面，部分元数据信息的显示和获取，高光谱图像信息和激光测量信息的实时显示，设备控制指令的获取和执行。

元数据管理模块73，主要功能包括：元数据信息的获取和存储，数据来源包括人机交互模块76和命令通信模块72。

命令通信模块72，是高光谱成像设备75的通信接口之一，该命令通信模块72含有双向的控制流联结指令接口，位于人机交互模块76和高光谱成像设备75之间，传递双向的控制流信息。同时向人机交互模块76和元数据管理模块73提供所获取的高光谱成像设备75信息。

数据通信模块71，为高光谱成像设备75的另一个通信接口，主要功能包括：高光谱图像信息的获取和拼接处理，向人机交互模块76实时提供待显示的图像数据。

Claims (6)

1、一种机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，包括二台光、机、电性能一致的22°视场角的高光谱成像仪，它们分别均为独立的结构体，依次以机械联结的望远镜头、过渡环、分光计、方套筒、圆套筒、连接板和面阵CCD控制器，并通过电子学双向数据流方式联结，实现系统集中监控和同步工作，其特征在于：

a.该二台高光谱成像仪中的望远镜各具有一只22°视场角的物镜，二只物镜呈对称倾斜放置，使对应的二只物镜视场角具有2°的视场重合而拼接成42°总视场；

b.分别在该分立的二台高光谱成像仪的圆套筒和连接板之间紧置入一连体拼接板的端孔而形成一拼接整体结构；

c.该每台高光谱成像仪包括依次以数据传输联结的探测器头部、高光谱数据采集模块和高速存储设备；

d.系统监控为基于星型网络结构的主从结构，由一主控计算机中的同步控制设备向该二台高光谱成像仪中的探测器头部提供时钟脉冲；由二只网络接口分别以双向数据流联结该二台高光谱成像仪中的网络接口。

2、根据权利要求1所述的机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，其特征在于：所说的高光谱数据采集模块包括接受来自探测器头部经高速光纤传导的采集数据的数据采集接口、与主控计算机中的网络接口成双向数据流联结的网络接口、和向高速存储设备输出数据的SCSI控制接口。

3、根据权利要求1或2所述的机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，其特征在于：所说的拼接成42度成像总视场，其瞬时视场为0.6mrad，成像周期约为20ms/帧，采集数据率约为8Mbytes/s。

4、根据权利要求1或2所述的机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，其特征在于：该二台成像仪中的高速存储设备包括测试存储速度达16Mbytes/s的SCSI磁盘。

5、根据权利要求1所述的机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，其特征在于：所说的主控计算机是一台高效、稳定的工业级计算机。

6、根据权利要求1或5所述的机载推帚式宽视场高光谱遥感成像系统，其特征在于：所说的主控计算机中设置数据采集/控制功能模块，其中，数据采集功能模块包括依次以数据流链接的数据接收模块、共享数据管理模块、人机交互模块，并由数据接收模块链接数据网络端口，由人机交互模块与人机交互设备成双向数据流链接；而控制功能模块则包括依次以双向控制流链接的指令网络端口、指令交互模块、人机交互模块和人机交互设备。

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