多光谱与红外探测器技术方案Word文档格式.docx

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3.4.3长波红外焦平面探测器.19

3.5光学系统设计.19

3.5.1光学系统选型.19

3.5.2光谱分光方法.20

3.5.3光学系统技术指标.22

3.6结构设计23

3.7前端电子学系统.24

3.8后端信息处理与控制系统.26

3.9系统探测灵敏度和动态范围.29

3.9.1可见/近红外、短波红外通道.29

3.9.2长波红外通道.30

3.9.3探测通道的动态范围.30

3.10系统主要技术性能指标31

4关键技术分析33

4.1红外焦平面探测器及其空间应用技术33

4.2集成滤光片技术.33

4.3指向机构的空间适应性.33

4.4轻量化宽波段成像光学系统技术34

5系统性能指标测试方法34

5.1光谱分辨率测试.34

5.2空间分辨率测试.35

5.3探测灵敏度测试.35

5.4外场成像试验.35

6结论36

1引言

在遥感技术中，光谱分析技术仪以获得被观测目标的光谱信息为目标，具有较高的光谱分辨率；

二维成像技术以获取被观测目标的二维空间信息为目标，具有较高的空间分辨率。

随着遥感技术和应用的发展，开发高空间分辨率和高光谱分辨率的“图谱合一”的遥感技术成为必然趋势。

20世纪80年代出现的光谱成像技术正是这种全新的光电遥感技术，光谱成像技术的实质是将二维成像遥感技术和光谱分析技术有机地结合在一起，在实现对观测目标进行二维形态成像的同时，可以获取观测目标的连续光谱信息。

利用光谱成像技术获取的遥感信息中，既包含观测目标的二维空间信息，也包含观测目标丰富的光谱特征信息。

光谱成像技术经过二十多年的发展，技术水平日趋成熟，在航空航天遥感领域得到了广泛应用，世界各国都非常重视成像光谱技术的发展。

2多光谱成像技术的发展状况

2.1多光谱成像技术的特点

利用多光谱成像技术能够对观测目标进行精细探测，获得高灵敏度、高分辨率的信息，技术特点表现在以下几个方面。

1）波段多

光谱成像技术基本上属于多光谱扫描技术的范畴，不同之处在于光谱成像技术扫面的波段数目大大增加，在可见光和近红外光谱区间内一般可以有几十甚至数百个波段，在每一个通道上，按照波长排列顺序都可以得到该波段被观测目标的光谱曲线和图像。

如果对每个波段成像时的时间信息进行测量，那么每一个通道的像元就可得到一个影像光谱曲面。

2）光谱分辨率高

采用光谱成像技术对光谱进行扫描时，光谱间隔一般优于20nm。

光谱间隔越小，光谱分辨率越高；

精细的光谱分辨率可以反映被测目标光谱的细微特征，使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究被测目标的化学成分成为可能。

3）图像和光谱合二为一

在获取被观测对象二维空间信息的同时，在连续光谱段上对同一被观测目标进行分光谱成像。

光谱图像数据中每一个像元含有与被观测目标组分有关的光谱信息，能直接反映出目标的光谱特征，使得图像信息和光谱信息二者有机地结合在一起。

光谱波段选择、光谱定位精度和通道带宽可以根据应用目标确定，提高应用目标的针对性和准确性。

由于多光谱成像技术具有波段多、光谱分辨率高、图像和光谱相结合等特点，在人类对地观测领域中显示出了突出的优势，成为许多对地观测卫星遥感有效载荷的核心技术之一，已逐渐应用于大气、海洋、环境等变化的观测，受到各国的极大重视。

2.2多光谱成像遥感仪器

光学成像遥感仪器的发展历程如图1所示。

图1遥感仪器成像技术发展概况

采用单元探测器和扫描系统的光学成像遥感仪器是光学成像技术在空间应用的开始阶段。

比较典型的代表产品为可见红外扫描辐射计。

应用于美国NOAM星的扫描辐射计AdvaneedVeryHigh

ResolutionRadiometer（AVHRR具有可见、近红外、中红外、热

红外波段探测能力，可见光至近红外波段较宽，分为1个可见光通道和1个近红外通道，另外还有1个中红外通道和2个热红外通道。

采用同轴光学系统，用45°

扫描镜获取地面图像，地面分辨率为1.1km。

我国风云一号气象卫星的十通道扫描辐射计采用同轴共焦双抛物面反射式望远镜光学系统、辐射制冷碲镉汞探测器和扫描镜机构获取目标图像，在870km轨道高度上对应的地面分辨率为1.1km。

光谱分析仪经过近一个世纪的发展，研究对象扩展到各种物质层次和物态：

从离子、原子、分子到凝聚态，从气态、液态、固态到等离子体，从遥远的天体到显微镜下的DNA在光谱分析方法上也已多样化，除了发射、吸收、反射、荧光、散射光谱方法外，还有偏振、旋光、光声、光热、光导等光谱方法，以及微分光谱、调制光谱、富立叶变换、哈特玛变换光谱、干涉分光、相关光谱法等。

现在的光谱分析仪波段宽：

长波方向与毫米波相连，短波方向与软射线（100埃）相连；

光谱分析仪的光谱分辨率、灵敏度、高精确度、高重复性和稳定性都得到了显著提高。

随着线列阵和面阵探测器的出现，以中分辨率成像光谱仪为代表的、采用线列阵或面阵探测器推扫、并扫或凝视成像的新型光学成像遥感仪器得到发展。

MEdiumResolutionImagingSpectrometerinstrument（MERIS是欧空局研制、安装在运行高度为824km的欧洲极轨环境卫星Envisat-1上的中分辨率成像光谱仪。

MERIS主要用于测量海洋向上辐射部分的光谱特性、陆地变化监测和收集大气状况的数据。

MERIS在400nm^1050nm的波长范围内至少有10个光谱段，最高光谱分辨率为1.25nm,谱段、谱段宽度和空间分辨率可以通过遥控指令在轨道上进行调整。

MERIS的总视场为82°

，覆盖区宽度为1500km每两天覆盖全球一次；

具备指向功能，通过遥控指令可使其视场沿轨迹方向移动，从而可以消除太阳反辉区效应。

MERIS采用推扫方式成像，有2种空间分辨率模式，高分辨率模式下的星下点空间分辨率为300m压缩模式下为1200m

MERIS的光学系统采用模块化结构（如图2所示），总视场82°

分配给六个光学舱，每个光学舱的视场为14°

，相邻两个光学舱的视场具有一定的重叠,可以进行校准和标定。

六个光学舱按扇形排列,使进入舱内的光束在装置外部交于一点。

每个光学舱内配置一组透镜和一只CCD探测器，通过公共的指向棱镜来观测地球。

图2MERIS成像示意图

光学舱由一个地面成像透镜、一个狭缝和一个采用凹面光栅的光谱仪组成。

目标能量通过光栅光谱仪的狭缝在穿轨方向成像一个条带。

狭缝被成像在一个两维的CCD阵列上从而获得光谱和空间的瞬时信息。

每个光学舱内部采用离轴折反射光学系统，焦距71mm

狭缝宽度22.5卩m光学舱内的光学系统如图3所示。

MERIS的最大特点是探测通道的光谱位置和宽度可以编程控制，在400nm-1050nm范围内设置并下传15个光谱通道信息，谱段宽度1.25〜30nmMERIS在寿命期内可以根据任务目的和优先权而改变光谱通道的中心波长、带宽和增益。

图3MERIS光学舱内光路图

我国自行研制第一台中分辨率成像光谱仪于2002年3月25日

随“神舟三号”飞船发射并成功运行。

这台仪器工作在343km高度

的非太阳同步轨道，共有34个波段，光谱范围覆盖可见光到热红外，地面景象分辨率为500m温度分辨率0.2K，采用22元并行扫描、双面扫描反射镜、凹面光栅分光、20X22元Si面阵探测器、4波段带短波读出电路的4X22元HgTeCc红外焦平面组件、双驱动对置式Stirling制冷机、实时响应非均匀性校正处理等技术，促进了我国成像光谱遥感仪器的发展。

中分辨率成像光谱仪的主要技术指标如表1所示。

表1“神舟三号”飞船中分辨率成像光谱仪主要技术性能

光谱范围（卩m

可见光

近红外

短波红外

长波红外

0.403〜0.803

0.823〜1.023

2.15〜2.25

8.4〜8.9

10.3〜11.3

11.5〜12.5

波段数

20

10

1

2

光谱带宽

20nm

0.1卩m

0.5卩m

1卩m

信噪比

NETD

>

1000

（一个太阳常数，0.5卩m处）

300

（一个太阳常

数）

<

0.2K

（T=300K）

0.2K

测量精度

10%

1K

空间分辨率

1.5mr

扫描范围

±

44°

中分辨率成像光谱仪采用双面镜旋转扫描机构，探测器为22元面阵探测器，面阵探测器的一维是空间维，另一维是光谱维，对地面目标穿飞行轨迹扫描由旋转双面反射镜实现。

光学系统采用可见近红外和热红外独立设计的双光路设计、可见和近红外波段采用棱镜分束直接耦合和光栅分光；

探测器包含可见、近红外面阵探测器和红外焦平面集成组件，红外元件采用斯特林制冷方式。

光机结构采用为双光路结构，红外系统与可见/近红外系统分别在各自的光学系统中成像，如图4所示。

图4中分辨率成像光谱仪光学系统示意图

中分辨率光谱成像仪MODIS-N是美国EOS计划中最有特色的成像遥感仪器之一。

1999年12月和2000年2月MODIS-N^别安装在Terra星和Aqua星上成功发射。

MODIS勺主要技术指标如表2所示。

表2MODIS技术指标

项目

技术指标

轨道

705km,降轨上午10:

30过境，升轨下午1:

30过境，太阳同步，近

极地圆轨道。

扫描频率

每分钟20.3转，与轨道垂直。

刈幅

2330km

成像幅宽

10km

250m（通道1〜2）,500m通道3〜7）,1000m（通道8〜36）。

望远镜系统

直径17.78cm,离轴非球面（平行光）。

体积

1.0mx1.6mx1.0m

重量

250kg

功耗

225w

数据率

10.6Mbps（白天峰值）；

6.1Mbps（单轨）。

量化

12bit

MODIS采用双面镜旋转扫描的方式对地成像，以每次10km的宽

度将地物图像送到光学系统，MODIS吉构布局如图5所示。

WWNFRAME

spectrcradiometricCALIBRATIONASSEMBLY[SRCA>

RACATfVECOOLERDOOR

图5MODIS结构布局图

MODIS采用折反射混合光学系统，光线经双面镜旋转扫描入射到口径为门178mn的离轴两镜望远镜系统后，以平行光出射，然后经过分色片分光，将不同的波段分别送到可见光（VIS）,近红外（NIR）,短波及中波红外（SWIR/MWR）和长波红