视场合成技术在推扫式成像光谱仪中的应用研究

第9卷 第15期 2009年8月1671-1819(2009)15-4531-03
科 学 技 术 与 工 程
Sc ience T echno l ogy and Eng i nee ri ng
V ol 19 N o 115 A ug .2009
Z 2009 Sci 1T ech 1Engng 1
视场合成技术在推扫式成像光谱仪中的应用研究
危 峻 蔡海蛟 翁东山
(中国科学院上海技术物理研究所,上海200083)
摘 要 推扫式遥感仪器可以采用多个镜头进行视场合成以提高仪器的总视场。

视场合成技术涉及光学、机械、电子学系统技术。

从光机设计、装调工艺、电子学设计等方面阐述了视场合成技术中需要考虑的因素和主要的措施。

采用视场合成技术设计了五个子模块视场合成的成像光谱仪。

最后,采用两个成像子模块构建试验成像装置,得到效果良好的视场拼接图像。

关键词 视场合成 光谱仪 CCD 数据采集中图法分类号 TP751.1; 文献标志码
B
2009年4月10日收到
第一作者简介:危 峻,男,湖北人。

上海技术物理研究所研究员。

研究方向:航天遥感仪器。

总视场是遥感仪器的重要性能指标,它决定了遥感仪器全球覆盖的周期和局部重复观测周期
[1]。

总视场越大,周期越小。

在单镜头的推扫式遥感仪器中,系统的总视场取决于光学系统视场、瞬时视场以及探测器的规模。

瞬时视场由地面分辨率以及轨道高度决定。

作为一个系统指标,通常无法改变。

为了获得更大的总视场,设计者必须不断提高光学系统的视场或增加探测器的探测元数目。

对于一个推帚式、宽幅、视场要求大于90度的空间应用成像光谱仪,采用一个镜头的光学设计有很大的难度。

首先光学系统将产生很大畸变,会引起图像的失真;其次,可见近红外光谱分光系统会产生严重的谱线弯曲现象,最终导致光谱分辨率与定位精度的下降。

此外,大规模的探测器阵列设计存在较大困难,这些因素都限制了单镜头遥感仪器总视场的进一步提高。

参考当前国际航天对地观测系统的发展趋势,可以在除视场外的其他指标都满足总体要求的前提下,选择一个可设计性强的小视场子模块进行研制,然后将若干子模块依据一定的方式进行光学视场合成,组成符合要求的大视场仪器。

采用多镜头
的视场合成技术,可以在维持现有光学系统视场和探测器规模的情况下,成倍提高系统的总视场[2]。

理论上,如果单镜头的视场为A b ,则n 个镜头的系
统总视场可达n A b 。

视场合成技术涉及光、机、电等技术。

课题采用视场合成技术,将设计由5个镜头构成的推扫式宽视场成像光谱仪。

各个镜头采用独立的CCD 探测器成像,每个镜头获取对应子视场的图像。

在推扫方式下,面阵CCD 水平方向对应为空间维,垂直方向对应为光谱维。

1 视场合成中的关键技术
常见的视场合成技术包括两分总视场方案、三分总视场方案。

在航天遥感中使用视场合成技术的典型仪器是欧洲环境卫星一号Env isa-t 1装载的推帚式中分辨率成像光谱仪MER I S
[2,3]。

它采用视
场合成技术获取宽视场,由5个相同的模块扇形分布进行视场合成,每个相机子模块的视场角为14.15b ,合成总视场为68.5b ,刈幅1100km 。

各模块排列的布局如图1所示。

目前,国内已发射的星载对地遥感仪器中还未使用过多模块视场合成技术。

对于航天遥感中的多个模块合成而言,其关键技术包含如下4个方面:
图1M ER IS五个模块视场合成示意图
(1)机械设计
金属结构变形、温度波动引起地金属和玻璃的应力变化,尤其入轨后失重引起的变形等,均会使不同模块的光轴偏移,对机械设计和材料设计提出较高要求。

(2)星上电子学处理
电路要对多个模块进行统一的电信号采集时序控制,每个模块数据不能有丢帧,否则造成图像失配,对于各模块采得的数据帧要统一排队存储,对系统的实时性、处理能力、存储速率提出了较高的要求。

(3)地面检测和处理
由于采用多个模块,模块间的夹角会对均匀性校正、地面辐射定标和地检软件校正增加困难。

必须解决输出图像的电子无缝拼接技术,最好可以进行星上实时图像拼接,可以大大降低后期处理的工作量。

但增加了设备的复杂性。

(4)图像的匹配
图像的匹配包含两个方面:一方面为保证图像处理能无缝连接,各模块视场重叠区内的象元视场也要精确配准。

另一方面保证拼接图像不畸变,各模块调整光轴互相共面,焦平面探测器的空间维共线,光学制造和调试引起的各镜头焦距误差应控制在一定范围,保证各模块之间图像地面分辨率一致性。

2基于五个子模块的视场合成及光学配准
本论文设计的成像光谱仪采用五个子模块视场合成获取70b的总视场[5]。

每个子模块视场是14.5b,视场重叠为0.5b。

如图2所示。

图2五个子模块视场合成示意图
在完成系统的设计后,成像之前,首先要进行多模块视场合成配准测试。

目标是使多模块视轴配准,各模块间视场共线共面,并有一定重叠,视轴平面相互平行;各模块视场间实现精确的直线拼接,且实现星下点配准。

对于单个模块,要求波段间的视轴配准误差小于1.4b,飞行方向小于10个瞬时视场,约2.5m rad。

对于多同一波段内各模块间的视场配准,允许在飞行方向、狭缝或探测器排列的平行、光谱定标位置上以及各模块视场的重叠上有1/3个像元尺寸的错位。

考虑到测试任务量大,要求严格,采用二维转台成像配合光电联调进行光谱仪视场合成配准。

将多个子模块固定在转台上,光谱仪通过平行光管对一点源进行成像,点源由单色光源通过大小为1/3~1/5个瞬时视场的针孔产生。

光谱仪获取的针孔图像通过数据采集系统输入到PC机上,由地面检测设备采集和实时显示图像。

调节转台的俯仰,使针孔像在俯仰调节中达到最强,实现视轴配准。

调节转台在水平面内旋转,使针孔像在像面上移动,并调节光谱仪光学镜头,使像点沿同一光谱线移动,实现狭缝或探测器排列的平行配准和光谱定标配准。

4532科学技术与工程9卷
3 实验结果与总结
目前该仪器在实验中已完成了两个子模块的视场合成。

应用该双模块视场合成的仪器进行了成像实验。

图3(a)为某个波长通道下两个镜头获取的未拼接的图像。

(b)
为拼接后的图像。

图3 (a)未拼接的两个镜头获取的图像;(b)拼接后的图像
论文介绍了视场合成中的关键技术及国内外发展情况。

采用该技术设计了五个子模块进行视场合成的宽视场成像光谱仪。

采用设计成功的双模块视场合成成像光谱仪进行了光机联调,视场配准,并获取了良好的图像。

五模块的视场合成方案将以双模块视场合成技术为基础。

星上应用方案与此基本类似。

参 考 文 献
1 韩心志.航天遥感CCD 推帚式成像系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990
2 Bez y J L ,Dei wart S,RastM.The ESA m ed i um resol u ti on i m agi ng
s pectro m eterM ERIS.SPI E,1998;3439:594)604
3 Loiseaux D ,M i ch el A ,Bab ol at C.M ER IS ca m era opti cs d evelop -m en t :particu l ar proces ses f or an ori ginal concep t .SPI E,1994;3439:252)261
4 薛永祺.成像光谱技术.上海:中国科学院上海技术物理所,1991
5 危 峻,蔡海蛟,翁东山.基于视场合成的成像光谱仪数据采集系统设计.红外技术,2008;30(6):343)345
Applicati on R esearch of FOV Co mpositi on i n I m aging Spectro m eter
WE I Jun ,CA IH a-i jiao ,W ENG Dong -shan
(Shanghai In stit u te ofT echn i calPhysics ,Ch i nese Acade my of Sciences ,Shanghai 200083,P .R.Ch i na)
[A bstract] The push -broo m re m ote sensi n g dev ice cou l d increase its tota lFOV (Fie l d ofV ie w )by FOV co m po -sition usi n g m ultiple ca m eras and senso rs .The FOV co m positi o n technology inc l u des k i n ds of technology such as opti c s ,m echan ics and electron ics .The key techno l o gy i n FOV co m position and t h e realization of a w i d e -v ie w push-broo m i m ag ing spectro m eter m ade up o f 5sub-m odu les are i n troduced.The experi m ent process and resu lts are also i n troduced .
[Key words] FOV co mpositi o n i m ag i n g spectr o m eter CCD data acquisition
453315期危 峻,等:视场合成技术在推扫式成像光谱仪中的应用研究。