空间高光谱成像通道可编程技术

空间高光谱成像通道可编程技术
摘要：随着光学、信号处理和焦平面探测器等基础技术的不断发展，当今在空间运行的高光谱成像仪 已可以达到几十至几百个波段，并且具有相当高的信噪比和动态范围，但一般仪器由于数据量偏大， 导致遥感作业效率偏低，这在一定程度上限制了它的应用范围，而且高光谱通道数的提高与空间平台 的数据传输资源之间的矛盾日益突出。为此，介绍了空间高光谱成像系统中的通道可编程技术，可以 较为有效地克服数据传输问题。

引言 高光谱成像系统是指既能对目标成像又可以测 量目标光谱特性的光学传感器系统，具有光谱波段 多、光谱分辨率高、波段连续等特 ”。发展空间高 光谱成像技术和研制高光谱成像系统的核心基础，是 各个光谱区域的焦平面探测器的技术成熟和实用化 程度，分光技术和光学系统设计决定了整机的结构和 灵活性，记录设备或卫星下传数据速率和容量限制系 统的分辨率和同时下传的波段数。为此，本文介绍了 高光谱成像系统中的通道可编程技术，可以较为有效 地克服数据传输问题。

1 通道可编程研究的目的和意义 1)高光谱分辨与数据传输的矛盾 高光谱分辨率是成像光谱仪的重要特点，光谱仪 作者简介：翁东~(1979年．)，男，博士研究生，主要从事空间遥感信号处理。 分辨率越高，可分解的光谱数目越多，获得的光谱曲 线越精细，则越能更真实地反映地物目标的光谱特 征，从而能更精确地识别地物和进行分类。随着遥感 应用不断深入，对星载成像光谱仪光谱分辨率有了进 一步提高的需求，如正在发展中的超光谱成像仪光谱 间隔<2nm。由此带来难题是，通道数多，一般大于 100，码速率高达数百兆每秒，形成了海量的数据给 卫星数传和存储带来很大的压力，因此，要提高高光 谱分辨率就得必须先解决海量数据下传的难题。 2)可编程通道选择下传的优点 采用通道带宽和中心波长编程可选技术，能较好 地平衡了高光谱分辨率需求和海量数据传输之间的 矛盾。首先，根据卫星上数据传输的能力和遥感应用 部门的需求，预先确定合适探测通道数目，保证卫星 上数传码速率确定。卫星在空间运行中，用户可以通 过地面指令控制，根据需要选择通道位置和带宽，从 而获得不同谱段丰富的地物光谱景象信息，开展典型 的地物波谱探测研究。如果仪器的分光系统足够精 细，就能实现特定波谱范围的高光谱成像。 实际上，谱段选择是遥感仪器目标识别能力的重 要决定因素之一，用最少量的谱段获得最丰富的地物 信息，一直是多光谱遥感领域中的一个重要的基础课 题。在充分考虑需要，选择最佳的谱段配置，以及根 据实验室和野外测量的地物反射光谱和辐射光谱特 性，优选区别它们的谱段组合，进行仔细的发射前标 定，作为光谱仪缺省的谱段配置。当探测通道的带宽 配置为高或超光谱分辨率时，必须考虑大气传输的影 响和进行大气校正，以补偿大气在吸收与散射方面的 瞬时干扰，所以，采用通道的可编程特点，设置用于 大气辐射校正谱段，能大大地提高对目标的反演精 ／童电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪。

2 通道可编程技术原理分析及关键技术 目前，绝大多数成像光谱仪的敏感器采用了CCD (电荷耦合器件)探测器，面阵CCD器件读出电路 技术的发展，和光谱仪分光系统结合，为实现成像光 谱通道中心波长和带宽可编程带来可能性，具体来 说，分光系统将视场光阑(狭缝)色散实现谱段分离， 成像于CCD面阵上，每行的探测元对于给定波长空 间像元(垂直于飞行方向)，不同的行代表连续分光 的光谱维【2】，有选择读出CCD面阵上某行或连续行电 荷累加，这样就实现输出成像光谱通道中心波长和带 宽编程配置。 采用精细分光技术，能使CCD面阵每行光谱宽 度 <2nm，如果选择单行空间像元读出，就能实现 高光谱成像，选择Ⅳ连续行累加读出，通道的光谱带 宽为Ⅳ× 。

实现通道可编程读出的三项主要关键技术介绍 如下：
1)分光系统 焦平面探测器推帚成像原理如图1所示，而分光 系统是关键的部件，直接决定着系统的光谱最小可分 辨率。为实现通道可编程，最好采用光栅型分光系统， 在光栅指标的选择上要进行深入的研究和调研，通过 研究光栅各参数指标如光栅常数、闪耀波长、光栅加 工误差等，制订并选用合理的光栅指标，探测器的像 元阵在同一水平面，还要克服准直光束应用方法中像 面弯曲的问题【 。 232 图1 焦平面探测器推帚成像原理 Fig．1 Schematic diagram of CCD pushbroom
2)CCD面阵探测器及面阵驱动电路 CCD 作为空间遥感仪器的敏感器得到了飞速的 发展，并逐渐成熟，广泛应用于空间军事侦察、地球 资源探测和测绘等领域，目前国际上已有很多厂商能 制造出像元数达到1024~1024、像元尺寸13-3×13．3 m航天级面阵CCD，随着CCD帧转移技术和读出 电路提高，可以选择读出CCD帧存储区任意行、列 或连续行电荷累加。能根据探测器的光谱量子效率和 输入的能量，在读出电路设置不同的增益，使得各波 段动态范围尽量一致。 面阵CCD探测器的外部驱动电路是实现可见近 红外波段中心波长和带宽可选的核心，不仅要按CCD 手册给予一定的偏置电压，建立合适的工作点，还能 依据地面指令发送的通道配置表，采用大规模可编程 逻辑器件(FPGA)，完成相应的面阵CCD读出电路 时序，控制读出CCD面阵上某行或连续行电荷累加 实现通道可编程功能，具体如图2所示。 光 谱 雏 — L 1个像元 CCB基本行 ]广一 基本的光谱行1 基本的光谱行2 ⋯ J⋯ ⋯ ／⋯ 基本的光谱行‘N-1’ 基本的光谱行‘N’ ＼光谱子带 J M I 探 通道1 图2 面阵CCD光谱带宽和中心波长可编程示意图 1Vb1．29 NO．4 Apr． 2007 根据分光系统的线色散率和面阵CCD 元尺寸可 以确定光谱的采用间隔，即CCD 中一个基本行的光 谱宽度。通过选择CCD 中连续进行累加的基本行数 目，实现探测通道带宽的可编程；选择探测通道基本 行起点在CCD中位置，实现光谱的中心波长可选。 当仪器发射入轨后，可以根据用户提出的新的波 段需求，按探测通道编程的原理，在地面上生成配置 参数表，经过星上数管的1553B指令注入到光谱仪， 通过光谱仪的，2C总线将配置参数传到可见光近红外 通道电路的FPGA中，重新产生面阵CCD驱动时序 和系统时序， 实现在轨通道可编程。
3)星上辐射定标 遥感仪器发射前都要进行定标，通道可编程改变 了探测波段的中心波长和带宽，所以要对上天后所有 可能改变的通道组合，全部都进行定标，工作量非常 巨大甚至不可能完成。必须考虑在采用飞行中定标， 最好引入太阳光源进行定标，发射前只需对缺省或几 组常用的通道配置完成定标工作，在轨后如根据需要 改变了通道位置和带宽，则依靠星上定标反演不同谱 段的地物光谱信息，从而开展典型的地物光谱研究 j。 因此，必须结合仪器的特点，研制一套高精度、高稳 定性、全系统和全口径的星上辐射定标系统。

3 结论 综上所述，空间高光谱成像仪采用通道可编程技 术，可编程读出面阵CCD及驱动电路是基础，精细 分光的水平决定了最小光谱分辨率，在轨任意配置通 道光谱带宽和中心波长，结合有一套完整星上辐射定 标方案，对满足定量化遥感和地物光谱研究的需求有 重要的意义。