航天超光譜成像儀原理分析
摘要介紹了國內外航天超光譜成像儀的研制概況，主要分析介紹了光柵型超光譜成像儀和干涉型超 光譜成像儀的原理，并指出了需要進一步研討的問題。

1 前言
超光譜成像儀(Hyper—Spectnzn Imc’tger)是國際 上一種新型的航天遙感器，它以精細光譜分辨能力 (優于5 nn1)獲取地表圖像，對于探測地表構成及其 變化具有特殊的識別能力。很多譜段數目的組合應 用可以為不同需求用戶提供大量的遙感圖像產品。 航天超光譜成像儀主要用于水體污染管理、城 市規劃、土地分類利用、土地沙化、植被分類和測繪、 農業估產、病蟲害分析、干旱分析、洪澇分析、火災分 析、地質分析、礦產調查、海岸帶和海洋生態研究、大 收稿日期：2001—09—01 氣探測等。它對自然災害、環境污染、危及人類的危 險事故等的預報、發生、評估等將起著重要作用。 目前，國際上航天超光譜成像儀的種類較多，按 照分光方式的不同可以分成光柵型、干涉型、楔型濾 光片型、棱鏡型等超光譜成像儀。這些分光方法都 可以獲得目標的精細光譜圖像，但無論哪種分光方 式在工程上都存在較明顯的缺陷。 中國從20世紀8O年代開始，跟蹤了國外多種 可供星載成像儀使用的先進分光技術和專用面陣 CCD器件成像技術。迄今為止，光柵型超光譜成像 儀和干涉型超光譜成像儀相對成熟，在理論上、工程 研制上取得了較大進展，可能成為未來中國遙感衛 星的新型光學有效載荷之一。 文章將就這兩種航天超光譜成像儀的原理進行 分析與評述，為中國選擇第一臺民用星載超光譜成 像儀提供參考。

2 國外航天超光譜成像儀的發展
20世紀7O年代初，國外開始發展機載光柵型 超光譜成像儀，通過20多年的努力，其工程化研制 技術日趨成熟。在1997年8月發射的Lewis衛星上 就載有1臺TRW公司研制的TRWISⅢ 光柵型超光 譜成像儀，但因發射失敗衛星未能人軌工作。 國外對星載干涉成像光譜技術的研究最早是從 2O世紀8o年代中后期開始的。當時大多采用基于 邁克爾遜干涉儀的動鏡掃描干涉型超光譜成像儀。 2O世紀8o年代末9o年代初，隨著面陣探測器 陣列制造技術的不斷提高，國外不少機構開始研究 無動鏡干涉成像光譜技術，如美國的噴氣推進實驗 室(肌)、美國空軍PHnJ,~ 實驗室、夏威夷大學、 佛羅里達工學院、華盛頓大學、密執安大學等，還有 法國空間局，歐洲空間局以及加拿大、日本等國家的 一些單位。 美國NASA研制了數字陣列掃描干涉型超光譜 成像儀DASI，有關文章最早于1993年發表。DASI波 段范圍是O．4～1．0 和1．1～2．2 ，光譜分辨率為 300咖_1(對應可見光／近紅外波段的譜段數5o個，短 波紅外可分辨譜段數約為15個)，視場角5。，體積400 r姍×150 ITnTI×100 r舯。在地面進行了多次不同譜段 的測量實驗，結果表明DASI具有很多優點，非常適合 遙感使用。1994年DASI進行了機載試驗，獲得了農 田的多光譜圖像。法國國家空間研究中心在1987年 提出一種無動鏡干涉成像光譜系統ISIS，光譜范圍 0．45～1．0 ，探測器為144×208元面陣。1995年 Kes缸d公司與佛羅里達工學院等單位合作，在美國空 軍支持下，對前期研制的空間調制干涉型成像儀 SM~IS進行改進提高，研制了機載傅里葉變換超光 譜成像儀ITfI~I，光譜范圍O．44～1．1腳，波段數 2．56，視場角為0．26 rad，瞬時視場角為0．8 mrad，采用 了1024×1024元面陣CCD器件，兩行兩列相加為一 行一列(bim 模式)。~NI-tSI的成功使用，使此類 干涉型超光譜成像儀受到了國際的關注。2001)年7 月19日美國在加州范登堡空軍基地發射了“強力小 衛星(Migh哆sat)”，其主要有效載荷是一臺傅里葉變換 超光譜成像儀嗍，也就是一臺星載干涉型超光譜 成像儀。表1給出了一些國家研制的部分超光譜成 像儀的一些參數。 表1 部分國外航天超光譜成像儀及其主要技術參數 儀器名稱 A P】硼 HsI FIHsI HY1 盈ION COIS／PIC 國家／機構 澳大利亞 歐空局 美國 美國 美國 美國 譜段 VNm O．4～1．1 0．45～0．95 O．4～1．O 0．47～1．cl5 O．4～1．O O．4～1．O ／pm SWm 2 ． O～2．5 O．9～2．5 1．O～2．5 O．9～2．5 1．O～2．5 通道 VN】吸 32 6o(190) l28 15o 60 數目 22O S咖 32 140 256 15o 空間分 VN】吸 30 5O 30 28 30 30 辨率／m S咖 30 5O 30 30 30 光譜分 VN】吸 21．9 10(3) 5～6 g6(~m～ ) lO 辨率／ lO rim SWⅢ 15．7 lO 5．8 lO 刈寬／km 15 50 7．68 15 7．5 30 分光 無 P】 SM 光柵 逆傅立葉 凸型 光柵 濾光片 變換 光柵 VN】吸 ≥ 6OO 30 ～ 974 ≥ 6OO ≥ 6OO 信噪比 @0．6 ttm @0．6岫 @0．6啪 >2oo t>400 ≥ 6OO ≥ 6OO S呱 @2 19～132=2 ． 1岫 @ 1．25 姍 @ 1．225 Ⅱm 軌道高度／kin 50o 丁72 523 55O 705 605 瞬時視場／mrad 0．06 0．065 0．Q57 0． 0．O43 0． 質量 23 20 61

3 中國航天超光譜成像儀研制現狀
中國目前研制的星載超光譜成像儀僅限于光柵 型超光譜成像儀和干涉型超光譜成像儀。 光柵型超光譜儀用光柵作為分光部件，能得到 較均勻分布的不同光譜的動態推掃圖像。中國目前 已經掌握了光柵對光譜精細分光的技術，研制了原 理樣機，在分光設計、焦面驅動、信號處理、定標、數 據編碼等技術上都取得了突破性進展。至2000年 已研制出了機載64波段超光譜成像儀(MAIS)，并 進行了校飛，對不同的地物目標進行了實際拍攝，獲 得了大量一手數據，并被邀請到日本、澳大利亞等國 家進行技術交流和實地拍攝，同時，還開始了128波 段超光譜成像儀(Oh虹s)的研制工作。已成功研制 了244譜段超光譜成像儀PHI，該儀器已在新疆塔 里木盆地、廣西北海、江西鄱陽湖以及江蘇常州地區 進行了多次航空飛行試驗，取得了較好的圖像和應 用效果。當然，對中國即將研制發射的亞太地區空 間技術與應用多邊合作小衛星(s )上將使用的 超光譜成像儀，現有技術還需要作較大改進，如：光 柵的研制、信號處理電路、星載定標燈技術等。下表 給出中國目前機載光柵型超光譜成像儀的主要技術 指標(見表2)。 為研制實用型超光譜分辨率成像光譜儀，探索 了面陣探測器的應用方法和特點，掌握了系統設計 的關鍵技術打下了堅實的基礎。 表2 中國機載光柵型超光譜成像儀的主要技術指標 光譜范圍 400～850砌 波段數 244 光譜間隔 1．8砌 光譜分辨率 <5 hill 總視場 21。 空間采樣元數 376 pixels／line 空間分辨率 1 mrad 量化等級 12 bit 掃描率 60 FI／s 干涉型超光譜成像儀也是中國20世紀9o年代 初期開始發宸的新型成像儀技術。在過去的十幾年 中，中國研究完成了干涉型超光譜成像儀的理論研 究和技術研究，完成了原理樣機和原型樣機的研制， 研制出了具有自主知識產權的橫向剪切干涉儀，在 快速光譜反演算法的研究上取得了突破性進展，實 現了外場成像。從理論上講，干涉型超光譜成像儀 與其它類型的超光譜成像儀相比具有一定的優點， 它可以獲得目標反射光的相對的高通量和較高的信 噪比，可以獲得較高的空間分辨率 ，具有較小的體積 和質量，節約星上資源，這也是今后星載超光譜成像 儀發展的趨勢。但是，干涉型超光譜成像儀目前的 工程化研究還不完善，距離用戶提出的實際要求還 有一定差距，有些問題需要在研制中逐步解決。

4 航天超光譜成像儀的原理
4．1 光柵型超光譜儀 光柵型超光譜成像儀的主要組成有光學系統 (包括前置望遠鏡、準直鏡、分光光柵、會聚鏡以及相 應的校正鏡系統)、指向鏡、電子學系統和機械結構 等，系統基本框圖見圖1。地物信號經前置望遠鏡 系統匯聚到視場光闌，由視場光闌確定系統的地面 分辨率和消除雜散光，然后經過準直鏡照射到光柵， 光柵分色后經會聚鏡會聚到探測器件上，探測器件 將光信號轉變成模擬電信號，經放大、濾波、A／D轉 換得到數字圖像信號，最后由格式器送給數傳和星 上固態存儲器。 昔 指向鏡H H 薔H準直鏡 H黿 }．___{會聚鏡H 光柵 星務 控制器H 莖蘑H數傳和固 圖1 系統基本框圖

1)光學系統 在超光譜成像儀中采用閃耀反射光柵分光的辦 法。經過分析計算和借鑒TRWIS的成功經驗，認為 采用反射和透射混合式光學系統較好。混合式系統 是指物鏡采用透射式，而準直鏡和成像鏡采用反射 式構成的系統。在光學效率和色散方面，反射式系 統均較好，從理論上講，反射系統幾乎不存在色差， 反射率波長的變化也很小，缺點是其像質較透射系統 差，但在儀器中，由于總視場較小，為4．4。，經過精心 設計是可以達到要求的。光學系統如下圖2所示： 圖2 光柵型超光譜成像儀光路示意圖 其中閃耀反射光柵的示意圖如： l 入射光 i 圖3 閃耀反射光柵示意圖 2)結構系統 結構系統的主要設計要求如下： (1)選用剛度高、熱變形小的結構材料，以保證 光學系統的穩定性； (2)結構件加工精度要求較高，可以實現高精 度定位； (3)從結構考慮，CCD探測器件具有二維調節 機構，并能鎖定； (4)整機裝配時采取結構件裝配與光學校裝配 合進行； (5)進行小型化、輕量化設計，以適應小衛星平 臺的需要； (6)對零件進行有效的表面處理，以有利于雜 光控制和熱控的需要。 3)電子學系統 電子學系統包括CCD驅動控制電路、信號處理 電路、波段和光譜的選擇、編碼器電路、中央控制電 路、指向鏡控制電路等。原理框圖如圖4所示。 圖4 電子學系統原理框圖

4．2 干涉型超光譜成像儀 由于干涉型超光譜儀在CCD器件上成的像是 帶有干涉條紋的圖像，而不是最終的圖像，所以經過 傅立葉變換成像后下傳，或將干涉條紋圖直接下傳。 理論上干涉型超光譜儀的譜分辨率更高，能量較充 足，可以獲得較高的SNR，傳輸帶有干涉條紋的圖像 比傳輸最終的圖像包含更為豐富的信息。 干涉型超光譜成像儀的光學系統是在一個寬譜 段光學成像系統中加入橫向剪切干涉儀實現的。它 有以下幾部分組成：前置物鏡、橫向剪切干涉儀和準 直成像鏡組(由富氏透鏡和柱面鏡組組成)，后面是 信號采集系統和圖像處理系統。目標光束首先被前 置物鏡會聚于其前置焦面，在焦面處放置視場光闌， 同時消除雜光。光束經光闌后進入橫向剪切干涉 儀，視場光闌被沿垂直于光軸的方向剪切成兩個虛 光闌，然后進入準直成像鏡組。準直成像鏡把已經 帶有干涉信息的光束成像到最終像面上。其系統組 成如圖5所示。 圖5 干涉型超光譜成像儀系統組成 圖6是橫向剪切儀的光路示意圖。 圖6 橫向剪切儀的光路不意圖 I)光學系統 干涉型超光譜成像儀光學系統由前置物鏡、干 涉儀、準直成像系統組成。在CCD器件上得到正交 的一維干涉條紋和一維空間圖像，通過推掃可以得 到另一維空間圖像。原理框圖如圖7所示。 2)電子學系統 電子學系統是為實時獲取高幀頻的干涉光譜圖 像而設計的，它的主要功能是：完成與星務的通訊， 接受各種指令，實現干涉成像光譜圖像信息的采集， 并通過星上軟件進行實時處理。電子學原理框圖和 星上軟件處理流程圖見圖8和圖9。 干涉儀 傅氏透鏡 圖7 干涉型超光譜成像儀光學系統不意圖 3)定標系統 干涉型超光譜成像儀的實驗室絕對定標裝置由 單色積分球、聚光鏡、準直鏡及微功率計等組成。單 色積分球有標準光源、單色儀、積分球以及聚光鏡組 成。為確保定標的準確性，在定標前需對標準光源、 單色儀和微功率計進行標定。由單色積分球出口處 輻射的是均勻、穩定的單色光。通過這套裝置將對 干涉型超光譜成像儀進行定標。如圖1O所示。 圖8 電子學原理框圖 干涉圖 甘 相位修正 ——— 逆傅里葉 甘 最終圖 變 像 換 圖9 星上軟件處理流程圖 標準光

5 需要進一步研討的問題
SMNS衛星是1顆小衛星，整星質量約為 500 kg，體積為1．2 m×1．2 r／l×0．98 r／l，星上供給有 效載荷的資源較為緊張，所以航天超光譜成像儀還 必須適應衛星的現有條件，有針對性地進行適應性 改進。下面就目前超光譜成像儀上星需進一步研討 的主要問題進行分析。

5．1 光柵型超光譜成像儀需研討的問題 光柵型超光譜成像儀的分光原理較為傳統，在 工程研制上相對成熟，但目前的水平與上星要求還 有一定的距離： 1)光柵型超光譜成像儀的體積和質量較大，目 前中國較為成熟的機載光柵型超光譜成像儀的體積 太大，外形與SI~IS整星相近。若要上SMMS星，與 機載超光譜成像儀相比，體積要縮小到1／4左右，質 量要小于原來的1／2。 圖1O 干涉型超光譜成像儀定標不意圖 2)需要解決光譜混疊的問題，在光柵衍射的主 基礎上獲得較高的信噪比。但相對孔徑的增大又受 極大和各級次極大的級數的選擇上要適當，否則會 到其它條件的制約。 引起較大的譜段混疊，即所獲得的光譜不純，包含其 5．2 干涉型超光譜成像儀需研討的主要問題 它譜段的光能量。 干涉型超光譜成像儀在中國已經研制出原理樣 3)必須解決像面的彎曲即色散圖像的中心和 機，正在準備飛行實驗，它的特點是體積小、質量輕， 兩端不處于一條直線上而是具有一定弧度的彎曲的 在相同的相對孔徑下可以獲得較高的光通量，可以 問題。由于CCD器件是面陣的，所以必須采取相應 節約有限的星上資源。但干涉型超光譜成像儀與上 措施，消除焦面的彎曲。 星要求也有相當的距離： 4)提高信噪比的問題，由于分光方式是將入射 1)星上處理的數據量較大，需要中心處理器的 光逐一分光到各譜段，所以各譜段獲得的能量較弱， 主頻約是5 GHz，或多臺并行處理。中國目前星上 一般是提高相對孔徑以得到較為充足的能量，在此 的電子技術手段無法實現。所以考慮到工程的可行 性，簡化星上設備，可以下傳帶有干涉條紋的圖像。 2)下傳的數據量較大，中國目前的數傳傳輸能 力不能滿足傳輸無壓縮數據的要求，所以必須進行 數據壓縮，壓縮比大于4：1。 3)干涉條紋與選擇CCD器件列數的問題，為了 獲得較好的復原圖像，須將干涉條紋取得越細越好， 但付出的代價是數據量的成倍增加，所以需要在數 據量與圖像復原程度之間權衡，選擇最佳方案。 4)提高信噪比的問題，雖然利用干涉條紋可以 獲得相對較高的信噪比，但在相對孔徑受限制的前 提下，如何確定能量與信噪比關系的最佳值還須深 入探討。 5)光學裝調的問題，干涉型超光譜成像儀運用 傅立葉光學的理論，須把CCD器件放置在后焦面 上，對這種光學系統的裝調工藝還須謹慎對待。電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 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

6 結束語 超光譜成像儀是20世紀末發展起來的一種新 型遙感成像儀器，目前在軌運營的為數不多，中國在 光學遙感器領域緊跟世界先進潮流，有針對性地研 究了超光譜成像的理論，并在多個重要研制環節取 得了重大突破，成功地研制了光柵型超光譜成像儀 和干涉型超光譜成像儀，其應用領域遠遠超出現有 可見光遙感器的范圍。盡管目前超光譜成像技術的 水平有限，但距離實際應用已為時不遠。中國計劃 于2005年發射的SMMS衛星和首顆月球探測器上 將采用超光譜成像遙感技術，這標志著中國航天光 學遙感的發展又向前邁進了一大步。