多光谱与红外探测器技术方案Word格式.docx

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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22.5μm，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1.25～30nm。

MERIS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、20×

22元Si面阵探测器、4波段带短波读出电路的4×

22元HgTeCd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（μm）

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

0.1μm

0.5μm

1μm

信噪比

NETD

≥1000

（一个太阳常数,0.5μm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分别安装在Terra星和Aqua星上成功发射。

MODIS的主要技术指标如表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

1.0m×

1.6m×

1.0m

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结构布局如图5所示。

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178mm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/MWIR）和长波红外（LWIR）等4个透镜组，最后成像到各波段焦平面探测器（FPA）上。

MODIS光学系统如图6所示。

MERIS分别采用10元、20元、40元的面阵探测器获取地面目标的信息，对应的空间分辨率分别为1000m、500m和250m。

在每个FPA上分别安有各波段的光电检测器和A/D变换器，将图像变为数字信号，再经格式化器和缓冲器将信号输出。

图6MODIS光学系统光路示意图

MODIS有36个分离的探测通道，其中可见近红外通道16个，短波红外通道4个，中波红外通道6个，热红外通道10个。

各通道的光谱分辨率依据研究目标的不同而不同，MODIS-N的波段分布特征如表3所示。

表3MODIS波段分布特征

波段序号

波段宽度

（nm）

光谱灵敏度

（W/m2·

μm·

sr）

信噪比或

NETD（K）

应用

620～670

21.8

128

陆地与云的界限

841～876

24.7

201

3

459～479

35.3

243

陆地与云的性质

4

545～565

29.0

228

5

1230～1250

5.4

74

6

1628～1652

7.3

275

7

2105～2155

1.0

110

8

405～420

44.9

880

海洋颜色、水体表层性质、生物化学

9

438～448

41.9

838

483～493

32.1

802

11

526～536

27.9

754

12

546～556

21.0

750

13

662～672

9.5

910

14

673～683

8.7

1087

15

743～753

10.2

586

16

862～877

6.2

516

17

890～920

10.0

167

大气水分

18

931～941

3.6

57

19

915～965

15.0

250

3.660～3.840

0.45（300K）

0.05

地表/云温度

21

3.929～3.989

2.38（335K）

2.00

22

0.67（300K）

0.07

23

4.020～4.080

0.79（300K）

24

4.433～4.498

0.17（250K）

0.25

大气温度

25

4.482～4.549

0.59（275K）

26

1.360～1.390

6.00

150

卷云

27

6.535～6.895

1.16（240K）

水汽

28

7.175～7.475

2.18（250K）

29

8.400～8.700

9.58（300K）

30

9.580～9.880

3.69（250K）

臭氧

31

10.780～11.280

9.55（300K）

32

11.770～12.270

8.94（300K）

33

13.185～13.485

4.52（260K）

云顶高度

34

13.485～13.785

3.76（250K）

35

13.785～14.085

3.11（240K）

36

14.085～14.385

2.08（220K）

MODIS-N在轨运行期间每天向地面传输2～4次多通道遥感数据，数据分辨率250m～1000m，在大气温度、降水、辐射、臭氧等方面，以及土地覆盖变化、生物生长量变化、生态环境监测等方面得到广泛应用，MODIS已成为目前世界上最为有效的环境监测遥感仪器，也为我国大气研究、地学研究和生态环境监测提供了不可多得的数据信息。

在MODIS成功应用的基础上，美国已开始研制新一代光谱成像仪Visible/InfraredImager/RadiometerSuite（VIIRS），作为MODIS的改进产品。

VIIRS共有22个通道，光谱范围覆盖可见至长波红外波段，其中可见/近红外有9个通道，中短波红外波段有8个通道，长波红外波段有4个通道，另有1个微光通道。

VIIRS将扫描幅宽拓宽至3000km，基本可以达到每天覆盖地球；

VIIRS有两种不同的空间分辨率，其中有一个长波红外通道的分辨率也达到370m。

VIIRS外形结构如图7所示。

图7VIIRS外形结构示意图

VIIRS采用离轴光学系统，系统口径为Φ191mm，由四个焦平面探测器和相应的电路部分构成信息获取系统。

主要性能如表4所示。

表4VIIRS主要性能指标

通道名称

中心波长

通道光谱带宽

（m）

焦平面组件

M1

412

740

可见近红外

M2

445

M3

488

M4

555

M5

672

M6

746

M7

865

39

M8

1240

短/中波红外

M9

1378

M10

1610

60

M11

2250

50

M12

3700

180

M13

4050

155

M14

8550

300

M15

10763

1000

M16

12013

950

DNB

700

400

370

微光通道

I1

640

80

I2

I3

I4

3740

380

I5

11450

1900

光学遥感仪器成像技术的发展历程表明：

每次的技术进步，都使光学成像遥感仪器的光谱分辨率和空间分辨率都得到了极大的提高，遥感应用对新型光学有效载荷的要求不仅是获取更为清晰的图像，而且要求在复杂背景下获得特定目标的特征光谱信息。

因此，将多光谱技术和二维成像技术结合在一起形成的多光谱成像技术成为新一代光学成像遥感仪器的发展趋势，也为遥感应用水平的提高奠定了技术基础。

3多光谱成像与红外探测传感器总体技术方案

3.1研究目标和主要技术指标要求

随着我国卫星技术的发展和国内用户对应用卫星的日益增长的需求，在军用、民用大卫星及其有效载荷发展较快的同时，小卫星平台和微小卫星平台及其有效载荷的发展也非常迅速，成为今后卫星和有效载荷研制的一种趋势。

由于小卫星和微小卫星的研制具有重量轻、成本低、易于批量生产等优点，将在国防、民用等领域发展中起着越来越重要的作用。

小卫星平台的应用迫切需要遥感仪器也朝着小型化、轻量化和微型化的方向发展。

基于以上应用背景和需求，本文提出研制适用于小卫星平台的多光谱成像和红外探测传感器技术方案。

多光谱成像仪的主要技术指标要求：

1）小卫星轨道高度为600km～700km；

2）波段数大于32个；

3）重量小于50kg；

4）地面分辨率小于100m。

3.2系统总体技术方案

3.2.1系统组成

多光谱成像仪由光学系统、定标源、探测器组件与前端电子学系统和后端信息处理与控制系统等五个部分组成。

多光谱成像仪的系统功能框图如图8所示。

图8系统功能示意图

3.2.2系统工作原理

光学系统由反射镜、透射镜、分光元件和光机结构等部分组成。

光学系统接收来自目标和背景的光辐射信号。

采用面阵探测器推扫技术获得目标二维图像信息，同时通过分光元件、滤光片和面阵探测器获得目标的光谱信息。

探测器组件采用可见光面阵CCD和红外焦平面器件，探测器安装在光学系统的焦平面上，将目标光辐射信号转化为模拟电信号；

前端电子学系统产生探测器信号读出和A/D转换控制时序、探测器偏置电压，对探测器输出的模拟信号放大、A/D转换，输出数字化目标光辐射信号。

后端信息处理与控制系统将不同光谱波段获取的图像信息按照规定的格式进行处理，加入其它与系统工作状态有关的参数信息，与图像信息进行编排，形成所要求的信息码流，发送至卫星数管/数传系统记录或下传地面。

同时，完成对指向镜机构的检测与控制、探测器制冷机控制、遥控遥测及数据通信等测控功能。

定标源由可见/近红外定标器、红外辐射黑体组成，可见/近红外定标器以太阳作为辐射光源，红外辐射黑体可以用标准黑体完成定标。

利用定标源可以获得探测通道的定量化的辐射强度数据。

3.3光谱范围和波段选择

3.3.1光谱范围

大量统计数据表明，各类地物目标（如植物、水体、土壤、物矿、岩石和热源体等）的特征光谱主要分布在400nm～1100nm的可见光/近红外波段、1.2μm～3.0μm短波红外波段和8.0μm～12.0μm长波红外波段。

从技术可行性和应用需求方面考虑，多光谱成像仪的光谱范围选择405nm～1030nm的可见光/近红外波段、1.0μm～2.3μm的短波红外波段和7.7μm～9.5μm的长波红外波段，如表5所示。

表5光谱范围选择

波段

光谱范围（m）

探测通道数

0.405～0.67

0.722～0.9

1.0～2.3

7.7～10.3

3.3.2波段数

波段数的选取主要根据探测器的光谱维像元数的多少及其像元合并而定，一般没有严格的标准。

已有的研究成果表明，特征光谱吸收峰的带宽大多小于20。

根据多光谱成像仪对技术方案的指标要求，选取36个波段，其中包括12个可见光波段、8个近红外波段、8个短波红外波段和8个长波红外波段。

各个波段中心波长和相应的光谱带宽的基本分布状态如表6所示。

表6光谱波段分布状态

焦平面探测器

415

可见

436

462

484

505

532

580

607

626

642

654

732

760

785

825

842

882

1130

1280

1440

1780

1950

70

2110

7860

8140

8350

8660

9020

500

9370

9760

600

10130

3.4探测器选择

3.4.1可见光/近红外焦平面探测器

可见/近红外CCD探测器的主要参数指标如表7所示。

表7可见/近红外CCD探测器

项目

指标

波段（nm）

400～900

像元数

1024×

1024

像元尺寸（m）

7.5×

7.5

光学填充因子

100％

光学尺寸（mm）

7.7×

7.7

响应率（mV/lux·

s）

450

动态范围（dB）

＞60

帧频（fps）

工作温度（℃）

－40～＋60

可见/近红外CCD探测器的响应波段涵盖了可见光波段和近红外波段，探测器在560nm处的量子转换效率最高，如图9所示。

图9可见/近红外CCD探测器量子转换效率与波长关系曲线

3.4.2短波红外焦平面探测器

短波红外焦平面探测器的主要参数指标如表8所示。

表8短波红外焦平面探测器主要技术指标

波段（m）

320×

256

30×

冷屏F数

0.5

平均峰值D*（cm·

Hz1/2·

W-1）

＞1.8×

1012

平均NETD（mK）

40

工作温度（K）

重量（g）

＜150

功耗（W）

2（250K）

3.4.3长波红外焦平面探测器

长波红外焦平面探测器的主要参数指标如表9所示。

表9长波红外焦平面探测器主要技术指标

9×

1010

最低峰值D*（cm·

3×

预冷时间（分钟）

90

制冷量（W）

0.4

650

11（90K）

3.5光学系统设计

3.5.1光学系统选型

光学系统选型要综合考虑光谱分辨率、空间分辨率、探测灵敏度和体积重量之间相互制约的因素。

在地面辐射和反射的能量相对稳定的情况下，增加光谱通道和提高光谱分辨率将会降低每个通道