多光谱与红外探测器技术方案

多光谱与红外探测器技术方案内容摘要：

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 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。 系统总体技术方案 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。 14 图 8 系统功能示意图 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。 成像会聚透镜成像会聚透镜成像会聚透镜可见光CCD面阵探测器短波红外面阵探测器长波红外面阵探测器前端电子学系统 1前端电子学系统 2前端电子学系统 3光谱波段分光滤光光谱波段分光滤光光谱波段分光滤光可见光近红外长波红外短波红外全波段折返式光学系统定标器目标光辐射A / D转换器图像信息处理图像数据存储测量数据输出逻辑时序控制二次电源系统测量控制通讯 15 光谱范围和波段选择 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、 m～ m 短波红外波段和 m～ μ m 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、 m～ m 的短波红外波段和 m～ m 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 可见 光 ～ 12 近红外 ～ 8 短波红外 ～ 8 长 波红外 ～ 8 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 通道名称 中心波长 (nm) 光谱带宽 (nm) 焦平面探测器 16 1 415 10 可见 2 436 10 可见 3 462 10 可见 4 484 10 可见 5 505 12 可见 6 532 12 可见 7 555 12 可见 8 580 12 可见 9 607 14 可见 10 626 14 可见 11 642 14 可见 12 654 14 可见 13 732 20 近红外 14 760 20 近红外 15 785 20 近红外 16 802 30 近红外 17 825 30 近红外 18 842 30 近红外 19 865 30 近红外 20 882 30 近红外 21 1130 50 短波红外 22 1280 50 短波红外 23 1440 50 短波红外 24 1610 50 短波红外 25 1780 50 短波红外 17 26 1950 70 短波红外 27 2110 70 短波红外 28 2250 70 短波红外 29 7860 400 长波红外 30 8140 400 长波红外 31 8350 400 长波红外 32 8660 400 长波红外 33 9020 500 长波红外 34 9370 500 长波红外 35 9760 600 长波红外 36 10130 600 长波红外 探测器选择 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 1024179。 1024 像元尺寸 (m) 179。 光学填充因子 100％ 光学尺寸 (mm) 179。 响应率 (mV/lux178。 s) 450 动态范围（ dB） ＞ 60 帧频 (fps) 30 18 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 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 项目 指标 波段 (m) ～ 像元数 320179。 256 像元尺寸 (m) 30179。 30 冷屏 F 数 平均峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) ＞ 179。 1012 19 平均 NETD(mK) 40 工作温度 (K) 250 重量 (g) ＜ 150 功耗 (W) 2（ 250K） 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 项目 指标 波段 (m) ～ 冷屏 F 数 1 平均峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) 9179。 1010 最低峰值 D*(cm178。 Hz1/2178。 W1) 3179。 1010 平均 NETD(mK) 25 预冷时间 (分钟 ) 6 工作温度 (K) 90 制冷量 (W) 重量 (g) 650 功耗 (W) 11（ 90K） 光学系统设计 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的探测能量，因此必须增加光学系统的有效通光口径。 20 反射 式系统、折射式系统和折反射系统各自具有不同的优势和适用范围。 反射式物镜在红外系统中得到广泛的应用，缺点是反射式物镜往往不能满足大视场大孔径成像时的像质要求；折反射镜系统体积大、加工难、成本高、系统中间挡光部分会造成透射光能量降低。 通过比较反射式系统、折射式系统和折反射系统的优缺点，综合考虑多光谱成像仪的技术指标要求，本方案选择采用指向镜机构的同轴折反式光学系统，前端的全波段双反射镜系统实现了光路可折叠，有效地缩短了光学系统的长度。 通过增大反射镜的口径，可以有效提高接收到的目标辐射能量，有助于改善系统信噪比。 后端的折射透镜将目标光束会聚到焦平面探测器上形成目标图像。 折射透镜采用非球面设计可以减少透镜数量，提高光学系统的能量传输效率。 多光谱成像仪光学系统光路如图 10 所示。 短波红外焦平面探测器长波红外焦平面探测器可见 / 近红外焦平面探测器可见 / 近红外定标源长波红外定标源指向镜机构图 10 多光谱成像仪光学系统光路图 光谱分光方法 光谱分光是 多 /高 /超光谱技术中的核心技术之一。 传统的 光谱 21 分光方式主要 包括 光栅 分光 、棱镜 分光 和干涉 分光，还有声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、渐变滤光片、二元光学元件等其他光谱分光方法。