空間高光譜成像通道可編程技術
摘要：隨著光學、信號處理和焦平面探測器等基礎技術的不斷發展，當今在空間運行的高光譜成像儀 已可以達到幾十至幾百個波段，并且具有相當高的信噪比和動態范圍，但一般儀器由于數據量偏大， 導致遙感作業效率偏低，這在一定程度上限制了它的應用范圍，而且高光譜通道數的提高與空間平臺 的數據傳輸資源之間的矛盾日益突出。為此，介紹了空間高光譜成像系統中的通道可編程技術，可以 較為有效地克服數據傳輸問題。

引言 高光譜成像系統是指既能對目標成像又可以測 量目標光譜特性的光學傳感器系統，具有光譜波段 多、光譜分辨率高、波段連續等特 ”。發展空間高 光譜成像技術和研制高光譜成像系統的核心基礎，是 各個光譜區域的焦平面探測器的技術成熟和實用化 程度，分光技術和光學系統設計決定了整機的結構和 靈活性，記錄設備或衛星下傳數據速率和容量限制系 統的分辨率和同時下傳的波段數。為此，本文介紹了 高光譜成像系統中的通道可編程技術，可以較為有效 地克服數據傳輸問題。

1 通道可編程研究的目的和意義 1)高光譜分辨與數據傳輸的矛盾 高光譜分辨率是成像光譜儀的重要特點，光譜儀 作者簡介：翁東~(1979年．)，男，博士研究生，主要從事空間遙感信號處理。 分辨率越高，可分解的光譜數目越多，獲得的光譜曲 線越精細，則越能更真實地反映地物目標的光譜特 征，從而能更精確地識別地物和進行分類。隨著遙感 應用不斷深入，對星載成像光譜儀光譜分辨率有了進 一步提高的需求，如正在發展中的超光譜成像儀光譜 間隔<2nm。由此帶來難題是，通道數多，一般大于 100，碼速率高達數百兆每秒，形成了海量的數據給 衛星數傳和存儲帶來很大的壓力，因此，要提高高光 譜分辨率就得必須先解決海量數據下傳的難題。 2)可編程通道選擇下傳的優點 采用通道帶寬和中心波長編程可選技術，能較好 地平衡了高光譜分辨率需求和海量數據傳輸之間的 矛盾。首先，根據衛星上數據傳輸的能力和遙感應用 部門的需求，預先確定合適探測通道數目，保證衛星 上數傳碼速率確定。衛星在空間運行中，用戶可以通 過地面指令控制，根據需要選擇通道位置和帶寬，從 而獲得不同譜段豐富的地物光譜景象信息，開展典型 的地物波譜探測研究。如果儀器的分光系統足夠精 細，就能實現特定波譜范圍的高光譜成像。 實際上，譜段選擇是遙感儀器目標識別能力的重 要決定因素之一，用最少量的譜段獲得最豐富的地物 信息，一直是多光譜遙感領域中的一個重要的基礎課 題。在充分考慮需要，選擇最佳的譜段配置，以及根 據實驗室和野外測量的地物反射光譜和輻射光譜特 性，優選區別它們的譜段組合，進行仔細的發射前標 定，作為光譜儀缺省的譜段配置。當探測通道的帶寬 配置為高或超光譜分辨率時，必須考慮大氣傳輸的影 響和進行大氣校正，以補償大氣在吸收與散射方面的 瞬時干擾，所以，采用通道的可編程特點，設置用于 大氣輻射校正譜段，能大大地提高對目標的反演精 ／童電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應器| 電能質量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀。

2 通道可編程技術原理分析及關鍵技術 目前，絕大多數成像光譜儀的敏感器采用了CCD (電荷耦合器件)探測器，面陣CCD器件讀出電路 技術的發展，和光譜儀分光系統結合，為實現成像光 譜通道中心波長和帶寬可編程帶來可能性，具體來 說，分光系統將視場光闌(狹縫)色散實現譜段分離， 成像于CCD面陣上，每行的探測元對于給定波長空 間像元(垂直于飛行方向)，不同的行代表連續分光 的光譜維【2】，有選擇讀出CCD面陣上某行或連續行電 荷累加，這樣就實現輸出成像光譜通道中心波長和帶 寬編程配置。 采用精細分光技術，能使CCD面陣每行光譜寬 度 <2nm，如果選擇單行空間像元讀出，就能實現 高光譜成像，選擇Ⅳ連續行累加讀出，通道的光譜帶 寬為Ⅳ× 。

實現通道可編程讀出的三項主要關鍵技術介紹 如下：
1)分光系統 焦平面探測器推帚成像原理如圖1所示，而分光 系統是關鍵的部件，直接決定著系統的光譜最小可分 辨率。為實現通道可編程，最好采用光柵型分光系統， 在光柵指標的選擇上要進行深入的研究和調研，通過 研究光柵各參數指標如光柵常數、閃耀波長、光柵加 工誤差等，制訂并選用合理的光柵指標，探測器的像 元陣在同一水平面，還要克服準直光束應用方法中像 面彎曲的問題【 。 232 圖1 焦平面探測器推帚成像原理 Fig．1 Schematic diagram of CCD pushbroom
2)CCD面陣探測器及面陣驅動電路 CCD 作為空間遙感儀器的敏感器得到了飛速的 發展，并逐漸成熟，廣泛應用于空間軍事偵察、地球 資源探測和測繪等領域，目前國際上已有很多廠商能 制造出像元數達到1024~1024、像元尺寸13-3×13．3 m航天級面陣CCD，隨著CCD幀轉移技術和讀出 電路提高，可以選擇讀出CCD幀存儲區任意行、列 或連續行電荷累加。能根據探測器的光譜量子效率和 輸入的能量，在讀出電路設置不同的增益，使得各波 段動態范圍盡量一致。 面陣CCD探測器的外部驅動電路是實現可見近 紅外波段中心波長和帶寬可選的核心，不僅要按CCD 手冊給予一定的偏置電壓，建立合適的工作點，還能 依據地面指令發送的通道配置表，采用大規模可編程 邏輯器件(FPGA)，完成相應的面陣CCD讀出電路 時序，控制讀出CCD面陣上某行或連續行電荷累加 實現通道可編程功能，具體如圖2所示。 光 譜 雛 — L 1個像元 CCB基本行 ]廣一 基本的光譜行1 基本的光譜行2 ⋯ J⋯ ⋯ ／⋯ 基本的光譜行‘N-1’ 基本的光譜行‘N’ ＼光譜子帶 J M I 探 通道1 圖2 面陣CCD光譜帶寬和中心波長可編程示意圖 1Vb1．29 NO．4 Apr． 2007 根據分光系統的線色散率和面陣CCD 元尺寸可 以確定光譜的采用間隔，即CCD 中一個基本行的光 譜寬度。通過選擇CCD 中連續進行累加的基本行數 目，實現探測通道帶寬的可編程；選擇探測通道基本 行起點在CCD中位置，實現光譜的中心波長可選。 當儀器發射入軌后，可以根據用戶提出的新的波 段需求，按探測通道編程的原理，在地面上生成配置 參數表，經過星上數管的1553B指令注入到光譜儀， 通過光譜儀的，2C總線將配置參數傳到可見光近紅外 通道電路的FPGA中，重新產生面陣CCD驅動時序 和系統時序， 實現在軌通道可編程。
3)星上輻射定標 遙感儀器發射前都要進行定標，通道可編程改變 了探測波段的中心波長和帶寬，所以要對上天后所有 可能改變的通道組合，全部都進行定標，工作量非常 巨大甚至不可能完成。必須考慮在采用飛行中定標， 最好引入太陽光源進行定標，發射前只需對缺省或幾 組常用的通道配置完成定標工作，在軌后如根據需要 改變了通道位置和帶寬，則依靠星上定標反演不同譜 段的地物光譜信息，從而開展典型的地物光譜研究 j。 因此，必須結合儀器的特點，研制一套高精度、高穩 定性、全系統和全口徑的星上輻射定標系統。

3 結論 綜上所述，空間高光譜成像儀采用通道可編程技 術，可編程讀出面陣CCD及驅動電路是基礎，精細 分光的水平決定了最小光譜分辨率，在軌任意配置通 道光譜帶寬和中心波長，結合有一套完整星上輻射定 標方案，對滿足定量化遙感和地物光譜研究的需求有 重要的意義。