多光谱与红外探测器技术方案Word文档格式.docx

1、3.4.3长波红外焦平面探测器 . 193.5 光学系统设计 . 193.5.1光学系统选型. 193.5.2光谱分光方法. 203.5.3光学系统技术指标 . 223.6 结构设计 233.7 前端电子学系统 . 243.8 后端信息处理与控制系统 . 263.9 系统探测灵敏度和动态范围 . 293.9.1 可见/近红外、短波红外通道 . 293.9.2长波红外通道. 303.9.3探测通道的动态范围 . 303.10 系统主要技术性能指标 314 关键技术分析 334.1 红外焦平面探测器及其空间应用技术 334.2 集成滤光片技术 . 334.3指向机构的空间适应性 . 334.4轻量

2、化宽波段成像光学系统技术 345 系统性能指标测试方法 345.1 光谱分辨率测试 . 345.2 空间分辨率测试 . 355.3 探测灵敏度测试 . 355.4 外场成像试验 . 356 结论 361 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

3、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

4、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，

5、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

6、计。应用于美国 NOAM星的扫描辐射计 Adva need Very HighResolution Radiometer （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

7、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

8、像遥感仪器得到发展。 MEdiumResolution Imaging Spectrometer instrument （ 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1.25 nm,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

9、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1200mMERIS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2 MERIS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

10、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 1.2530nm 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3 MERIS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

11、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、20X 22元Si面阵探测器、4波段 带短波读出电路的4X 22元HgTeCc红外焦平面组件、双驱动对置式 Stirli ng 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 0.8030.823 1.0232.15 2.258.4 8.910.3 11.311.5 12.5波段数201012光谱带宽20 nm0.1 卩 m0.5 卩 m1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）RACATfVE COOLER DOOR图5 MODIS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