干涉成像光谱仪的通量特性分析
摘 要：针对高分辨率成像光谱仪的应用要求，对大孔径静态干涉成像光谱仪在不同光照条件下进 行了计算分析，表明这种成像光谱仪在能量利用率方面有明显优势．研制仪器的机载飞行试验结 果表明，虽然机载试验在2004年12月份进行，太阳高度角在全年中最小，但是图像的个别地方仍 会饱和．机载飞行试验进一步验证了干涉成像光谱仪的高通量特性，同时也说明，仪器的地元分辨 率指标还有提高的潜力．
O 引言 干涉成像光谱仪是现代科学仪器的前沿技术和 发展趋势，它既可获取目标的图像信息，又可获取目 标的光谱信息，从获得的光谱图像数据中能够直接 反映出物质的光谱特征，从而揭示各种目标的光谱 特性、存在状况以及物质成份 J．它的原理特点使 得1二涉成像光谱仪在很多领域具有广泛的应用．如 军事目标图像及光谱辐射特性研究、土地资源考察、 林业遥感、环境检测、农业应用等．在成像光谱仪的 发展过程中，首先进入工程应用的是棱镜或光栅色 散型成像光谱仪，但是随着航空航天事业的飞速发 展，人们对成像光谱仪的技术指标要求越来越高，主 要表现在空间分辨率、光谱分辨率和对弱信号的探 洲能力等方面．色散型成像光谱仪存在着能量利用 率低等原理性缺陷，使这项技术的进一步发展受到 阻碍．无动镜干涉成像光谱技术的发展近年来受到 了前所未有的关注川．这种新型成像光谱技术在 原理上保留了高“能量通过力”的特点，并且可靠性 和稳定性好、体积小、光谱分辨率适中、实时性好、光 谱线性度高、光谱范围宽，特别适合在飞机和空间飞 行器上搭载，已引起国际上广泛的重视 。。 ． 本文针对所研制的大孔径静态干涉成像光谱仪 的原理，对其高通量特性进行厂分析，飞行试验结果 也验证了这种成像光谱仪的高“能量通过力”的优点．
1 大孔径静态干涉成像光谱仪的原理 大孔径干涉成像光谱仪(LASIS)实际上是在一 个普通照相系统中加入横向剪切分束器，使最终像 面上得到的不再是目标的直接像，而是目标的干涉 图像，如图1，系统由前置光学系统，横向剪切分束 器、成像镜、CCD探测器组件、电子学系统和数据处 理部分组成．当飞行器向前飞行时，可以得到地面 景物的两维空间信息和一维光谱信息．“大孔径”的 真实意义是这种成像光谱仪具有很高的能量利用 率，也可以说它具有很高的探测灵敏度；“静态”指这 种成像光谱仪中不依靠运动部件来获取光谱信息， 稳定度高．每一成像时刻LASIS获得的图像都是 由未经色散的“点”组成，其能量通过力特点与普通 照相机相同，因此I ASIS具有高通量的优点．其主 要技术指标是，当飞机飞行高度为3 500 m时，地面 成像宽度500 m，地元分辨率100 mm，光谱范围 400 nm～1 000 Flm，相对孔径1／3．图2为I ASIS 的屏幕样机图． — 卜l — 一I 【! 4。 < I => 一一 _ 图1 I ASIS工作原理 Fig．1 The principle of LASIS 图2 LASIS样机三维模型
2 系统能量和信噪比计算
2．1 系统信噪比计算 影响干涉成像光谱仪信噪比的因素有信号强度 和系统噪音．信号强度与光学系统的相对孔径、使 用光谱范围、大气透过率、光学系统透过率、光学系 统视场角、太阳高度角、探测器的像元大小、积分时 间、量子效率等因素有关．噪音则主要包括系统的 散粒噪音、暗电流噪音和电路噪音等． 频谱分析仪| 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 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| 干涉图均值在一个CCD像元上产生的电子 数 为 Se — T ～ 1 T 2 T：~ F 一％t f了Df 、J一。 .，(. [1+COS(2~A,／2)]dX (1) 式中T 为大气透过率，取0．9，T 为干涉仪效率， 取0。4．T。：光学系统透过率，取0．7，s 为探测器像 元面积，3．24×10一mz，f0为地表反射系数，取0．05～ 0．85，t为系统的曝光时间，取3．6～5 ms，E为一个 电子的能量，取32×10 。J，D／f为光学系统的相 对孔径，取1：3， 、 为系统的光谱范围，取0．4 m～ 1．0 m，L ( )为太阳在此谱段的光谱辐照度， ( ) 为器件的量子效率，取平均值为0．55． 器件的饱和电子数为24×10 e一，器件噪音取 20e一．计算系统的信噪比时，按器件噪音计算后，最 后再减去3 dB．
2．2 不同条件下信噪比计算结果 根据计算式(1)，可以计算当太阳直射时的系统 信噪比．当太阳高度角发生变化时，系统的信号强 度将发生很大变化．下面给出不同曝光时间、不同 地表反射率、不同太阳高度角下系统的信噪比计算 结果，见表1． 表1 f=2．5 mS时信号强度及s／N 注：表1所列为干涉图均值的信号强度与B／N 比，括号内的值为峰值的信号强度与S／N． 计算表明当系统相对孔径为F／6，而又取最大 图像S／N十分有利．计算表明当p一0．05， 一30。 可能曝光时间 一2．5 ms时，在最大光照条件下，会 时，峰值的S／N仍高于48 dB． 产生器件饱和，特别是在计算参量设定中，分束器效 表2是把曝光时间从 2．5IllS，iNNNt=]．8m ， 率，拼接棱镜透过率均有可能实际值高于理论计算 其目的是在最高光照条件下使器件不饱和，但它降 假定值．但它对于在低光照条件下，仍保持较高的 低了低光照条件下图像的S／N 比． 表2 f=1．8 mS时信号强度及S／N 从能量计算结果可以看出，LASIS干涉成像光 谱仪充分表现了在光能利用率方面的巨大优势，具 有较高的图像信噪比．若采用有级分档调节曝光时 间则效果会更好．
3 飞行试验验证 I ASIS于涉成像光谱仪于2004年l2月在烟 台进行了校飞试验．仪器通过机载稳定平台装到飞 机E对地面景物进行推扫成像．图3为仪器在机舱 内安装的照片．图4为飞行试验中得到的一幅原始 图像． 它的空间分辨率具有进一步提高的潜能．
4 结论 干涉成像光谱是新一代成像光谱仪的代表，理 论分析和在冬天进行的机载飞行试验均表明，它具 有高通量优点，比较适合于高窄问分辨率和高光谱 分辨率的成像光谱技术应用．
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