機載成象光譜儀的製作方法

2023-08-06 22:14:16 5

專利名稱：機載成象光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及地球表面物體空間特徵及輻射光譜特徵的探測。是一種機載成象光譜儀，融合了光機掃描、精細分光、焦平面器件、弱信號接收、計算機與信息處理技術等多學科技術。適用於地質、地球物理和環境調查。
80年代美國加州理工學院噴氣推進實驗室(JPL)發展的AVIRIS機載成象光譜儀(SPIEVol.834)具有較大的科學實驗價值，但它尚不是一種實用型裝置。美國地球物理環境調查公司(GER)的63通道機載成象光譜儀(SPIEVol.1298)雖屬同一類型，但其採用四方稜鏡掃描的KENNEDY光學系統，為雙光路成象系統，結構複雜，光學效率低。多面體掃描易產生掃描行間象元配準精度低，影響圖象質量。
本發明的目的是提供一種安裝於飛機工作平臺的實用型機載成象光譜儀。它集光機掃描成象技術與光譜儀技術為一體，在探測目標空間特徵的同時，將每個空間象元色散形成數十個從可見光到熱紅外區域連續的光譜波段，從而在獲得二維掃描圖象的同時，可得到對應空間象元的光譜曲線。
本發明的目的是這樣達到的。由掃描頭接收來自地物目標的輻射。所說的掃描頭包括地物掃描系統、成象光學系統、分光計、焦平面探測器及前置放大器、光電編碼器、參考黑體板。掃描頭將地物目標輻射在可見一近紅外和短波紅外、熱紅外波段轉換成數十個連續的窄光譜通道信號，經電纜送至信號處理系統。所說的信號處理系統包括多通道模擬信號處理、模數轉換、數據記錄、格式形成和記錄控制器，實現多通道圖象數據的自動採集、編輯和記錄。
本發明的特點是所說的掃描頭具有經輕量化及動平衡設計的大口徑45度放置反射鏡。掃描頭的成象光學系統是一種短光路密集形結構。集公用的準直鏡與視場光欄於一體，結構緊湊，適合小安裝空間。視場光欄可根據系統不同的空間解析度要求方便地進行置換，不必重新校準。掃描頭設計採用模塊式的光路結構。可見一近紅外、短波紅外、熱紅外三個分光計為三個獨立模塊，分光計與主光學系統在平行光中聯接。掃描頭具有靈活的多組態工作模式。不同波段的分光計可單獨與主光學系統配置，也可以將可見一近紅外與短波紅外分光計組合在一起使用。所說的可見一近紅外分光計和短波紅外分光計均為全反射系統，簡單，高效。所說的熱紅外分光計具有超小F數的紅外會聚透鏡組。掃描頭採用的探測器為Si線列探測器、PbS線列探測器、HgCdTe線列探測器。
本發明的特點還在於將PbS探測器的頻帶通過前置放大器的頻率補償擴展到滿足成象系統的要求。此外，在所說的信號處理系統中，具有數據採集器、程序時序控制器、中央控制器，還設置了通頻帶可編程的電子濾波器，能提高圖象信號的信噪比，並能滿足不同瞬時視場和不同工作組態的要求。設置了信號箝位裝置，能採集定標信號或黑電平信號，並自動恢復信號中的直流分量。設置了高精度的模數轉換器和12位全量化數字數據輸出裝置，使處理系統的動態範圍變大，能滿足各種遙感場合的圖象數據自動採集。設置了波段和數據編輯、編程裝置，使系統操作簡化。設置了8位浮動數據口，能適應8位數據輸入的移動窗顯示器和8位的數據記錄系統。信號處理系統中還設有通道可選模擬監視口，監視通道序號顯示及8位電平位置顯示。數字記錄控制器對高速大容量成象光譜數據記錄進行緩衝並送數字記錄儀完成實時記錄。
下面結合附圖對本發明實施例作詳細闡述。


圖1是本發明機載成象光譜儀的原理框圖。圖中1為光機掃描器，2為主光學系統，3為分光計，4為參考黑體板，5為探測器及多路前置放大器，6為信號處理系統，7為記錄系統，8為實時顯示系統。
圖2是機載成象光譜儀的掃描頭的原理框圖。圖中9為光學編碼器，10為同步電機，11為45度旋轉反射鏡，9、10、11組成光機掃描器1。12為主反射鏡，13為視場光欄，14為準直鏡，15為斜反射鏡，12、13、14、15組成主光學系統2。16為光學系統出射平行光。光學編碼器9同時給出同步和時基信號41。
圖3是分光計原理框圖。圖中16為主光學系統出射平行光，17為可見-近紅外與短波紅外波段的分色片，18為可見光分色計的會聚準直單元，19為可見光分色元件，20為會聚鏡，21為Si線列探測器，22為短波紅外分光計的會聚準直單元，23為短波紅外分色元件，24為會聚鏡，25為PbS線列探測器，26為熱紅外分光計分光元件，27為會聚透射鏡組，28為HgCdTe線列探測器。
圖4是機載成象光譜儀信號處理系統的原理框圖。圖中5為探測器及其多路前置放大器，29為模擬信號放大及處理，30為12位模-數轉換器，31為程序時序控制器，32為面板控制，33為中央控制器，34為附加數據形成器，35為數據緩衝、格式形成器，36為12位至8位數位訊號轉換器，8為實時顯示系統，37為數字-模擬轉換，38為模擬監視輸出，39為數字記錄控制器，7為記錄系統，40為導航數據輸入，41為同步時基信號。
圖5為機載成象光譜儀結構示意圖。
圖6為機載成象光譜儀結構側視圖，它是圖5的左視圖。
圖7為機載成象光譜儀光學結構示意圖。
機載成象光譜儀工作時安裝於飛機平臺。掃描頭通過與光軸成45度角的旋轉反射鏡實現對地物的橫向掃描，飛機飛行運動形成縱向掃描條帶，從而構成對地面物體的二維掃描圖象。光機掃描器由磁帶同步電機、旋轉光學角度編碼器、掃描鏡和動平衡裝置組成。二頭出軸的二相磁帶同步電機，一端安裝掃描鏡，一端安裝光學角度編碼器。掃描鏡是一塊長軸為254mm，短軸為180mm的橢圓形平面反射鏡，選用鋁、鎂合金製成。為了減輕重量，並具有良好的剛度，其側面採用三角型蜂窩狀結構。由於掃描鏡對於轉軸嚴重不對稱，為校正轉鏡的靜平衡和動平衡機構，在電機兩頭出軸的圓盤上相對安裝了兩個動平衡塊，形成一對反力偶來抵消45度掃描鏡在軸上形成的力偶。
參見圖7，主光學系統設置了一塊拋物面主鏡12和一塊拋物面準直鏡14，且共焦於視場光欄，是一種短光路密集形結構。地物的光線通過45度鏡平行地入射到主鏡上，主鏡把光線會聚到焦面中的視場光欄上，以獲得空間像，並再由準直鏡把光線準直，由一塊斜反射鏡15將準直後的平行光束引出主光學系統，使三個分光計在平行光束中與主光學系統聯接，該特徵使得光學系統之間聯接安裝方便，引入誤差小，結構緊湊。專門設計的光欄機構，具有定位可靠，置換方便的特點。可見-近紅外和短波紅外的分光計可以同時使用，相互之間的光學聯接由一塊在平行光路中45度安裝的分色片17完成，分色片把可見/近紅外光能量反射到可見-近紅外的分色計中，而把短波紅外的光能量透射到短波紅外分光計中。
可見-近紅外分光計採用全反射結構，以提高光學效率，採用閃耀光柵-1級的衍射，獲得色散譜面，使得成象會聚鏡的總視場減小，像質得到改善。由於可見/近紅外波段為3mrad解析度，而短波紅外波段為4.5mrad解析度，為了使二者的空間象元得以匹配，在可見-近紅外分光計中設置二次會聚和準直系統，並設置二次視場光欄，把主光學系統中4.5mrad的視場轉換成3mrad的視場。色散後的光譜信號(0.44μm-1.08μm波段)由一個32元矽探測器列陣接收，通過多路前置放大器轉換成並行的電信號輸出。
短波紅外分光計也採用全反射結構和閃耀光柵的-1級衍射，以提高光學效率和提高像質。色散後的短波紅外光信號(1.50μm-2.50μm波段)由一個32元硫化鉛探測器列陣接收，並通過多路前置放大器轉換成並行的電信號輸出。
由於熱紅外波段的焦距相對較短，會聚鏡採用了由兩片鍺鏡組成的透鏡組。焦平面探測器採用了安裝於金屬杜瓦瓶內，液氮致冷的7元碲鎘汞探測器列陣，其工作溫度為77K。
機載成象光譜儀信號處理系統是具有完成多路並行模擬信號處理，並串轉換，模數轉換的大動態範圍圖象數據採集器，導航數據、工程數據採集與合成信號格式的系統控制器的把從前置放大器輸出的多路並行模擬信號進行放大，電平變換，並由模數轉換器轉換成相應的數位訊號，再由數據格式器把多路的數據形成一統一的格式輸出，送數據記錄器記錄。
信號處理系統中有16塊數據採集板，每塊板承擔四路模擬信號的放大、濾波、黑電平鉗位、採樣保持、4-1並串轉換及數據輸出。總共可採集64個通道的模擬信號。來自前放的模擬信號經放大後，進入程控低通濾波器，低通濾波器的3分貝帶寬可選，按不同掃描速率和空間解析度的需要設定。由於硫化鉛探測器的前置放大器採用了交流耦合，因此為了使信號中的直流分量不至於丟失，必須通過黑電平鉗位對其加以恢復。數據採集選用12位A/D轉換器，以保證成象光譜儀遙感信號足夠的動態範圍。二塊時序控制板以來自掃描頭光學角度編碼器輸出的採樣時鐘和掃描行同步信號為基準，產生系統工作所需的一系列時序信號。同時考慮到輸出信號碼的速率比碼盤的速率高得多，因此採用了二套時鐘通過電路同步的方法。二塊系統控制板控制信號處理系統中的監視、顯示部分和導航數據採集，及在圖象數據中混入行起始字、行計數、飛行姿態參數等工程性輔助數據。控制器選用價廉、通用的8031單片機，並用一片8155作輸入輸出口擴展。系統採用中斷方式作為基本工作模式，完成從輸出的數字流數據中選出需要監視的通道的數據，將其轉換成模擬信號，供操作者觀察、監視;選取12位輸出數字數據中的任意連續8位供移動窗實時顯示圖象;給出監視通道序號的顯示以及8位電平位置的顯示。允許操作者通過按動面板上的按鍵進行更改。
考慮到成象光譜儀中可見/近紅外為32個波段，短波紅外為32個波段，兩組波段相對獨立、因此信號處理系統的數據採集板、時序板、控制板、通道的監視和顯示也分成32個通道一組，兩組相對獨立。
經試用和測試，本實施例達到，如下技術指標工作波段
1.可見/近紅外0.44-1.08μm32波段2.短波紅外1.50-2.50μm32波段3.熱紅外8-12.5μm7波段光譜取樣間隔20nm(0.44-1.08μm)30nm(1.50-2.50μm)0.4，0.8μm(8-12.5μm)瞬時視場3mrad(0.44-1.08μm，8-12.5μm)4.5mrad(1.50-2.50μm)總視場90°掃描速率10線/秒光學口徑180mm行象元數512數據編碼12bit數據率5.12Mbps探測器32元Si線列32元PbS線列7元HgCdTe線列本發明有如下有益效果1.結構緊湊，光學系統效率高，體積小。能適合多種型號飛機安裝，尤其可安裝在輕型高空飛機(如獎狀S/Ⅱ)上作業。
2.靈活的多組態工作模式，適用面廣，可針對不同的遙感應用選擇最佳組合。
3.操作方便、可靠。機載實時監視系統能隨時了解儀器工作狀態及掃描圖象質量。
權利要求
1.一種機載成象光譜儀，包括掃描頭與機載信號處理系統，所說的掃描頭包含地物掃描系統、成象光學系統、分光計、探測器、前置放大器、光學編碼器，掃描頭將地物目標信號，經電纜送至信號處理系統，信號處理系統包含多通道模擬信號處理、模數轉換、格式形成與輸出記錄，其特徵在於(1)所說的掃描頭的成象光學系統為短光路密集形，在甚小空間中集公用的準直鏡與視場光闌於一體；(2)所說的掃描頭設置了可置換式視場光闌，對應不同的系統空間解析度；(3)所說的掃描頭採用模塊式光路結構；(4)所說的掃描頭具有多組態工作模式，不同波段分光計將地物目標輻射轉換為數十個連續的相應窄光譜通道信號；(5)所說的掃描頭具有可見一近紅外分光計、短波紅外分光計和熱紅外分光計；(6)所說的掃描頭具有經輕量化、動平衡設計的掃描鏡；(7)所說的掃描頭採用Si線列探測器、PbS線列探測器、HgCdTe線列探測器；(8)所說的機載信號處理系統具有數據採集器、程序時序控制器、中央控制器、及12位全量化數字數據輸出口和8位浮動數據輸出口；(9)所說的機載信號處理系統具有定標信號或黑電平採集和信號直流分量自動恢復裝置，波段編程、數據編程、數據編輯裝置。
2.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的掃描頭的成象光學系統，主反射鏡與準直鏡共焦，視場光欄裝置在焦點上。
3.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的掃描頭的模塊式光路結構，其主光學系統與分光計在平行光路中聯接，可見一近紅外分光計、短波紅外分光計、熱紅外分光計具有共同的聯接口，可方便地進行置換或組合使用。
4.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的掃描頭是具有全反射式可見一近紅外分光計、全反射式短波紅外分光計、和具有超小F數紅外會聚鏡組的熱紅外分光計。
5.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的掃描頭具有帶頻率提升特性的PbS線列探測器多路前置放大器。
6.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的掃描頭的掃描鏡採用45度橢圓形平面反射鏡。
7.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的機載信號處理系統是具有完成多路並行模擬信號處理，並串轉換、模數轉換的大動態範圍圖象數據採集器，導航數據、工程數據採集與合成信號格式的系統控制器。
8.根據權利要求1所規定的機載成象光譜儀，其特徵在於所說的機載信號處理系統設有通道可選模擬監視口，監視通道序號顯示及8位電平位置顯示。
全文摘要
本發明提供了一種機載成象光譜儀，是一種實用型成象光譜遙感儀器。它集成象與光譜功能於一體，包括掃描頭和信號處理系統兩大部分。中間由電纜聯結。它通過特有的光機設計，信息採集和信號處理系統，在探測目標空間特徵的同時將每個空間象元色散形成數十個連續的光譜波段。獲得從可見光至熱紅外波段的分光譜圖象數據。本發明具有靈活而實用的多組態工作模式。適合於海洋和陸地的環境、資源、地質、生態等航空遙感應用。
文檔編號G01J3/18GK1093802SQ9311240
公開日1994年10月19日 申請日期1993年4月13日 優先權日1993年4月13日
發明者薛永祺, 王建宇, 沈鳴明, 楊存武, 薛魁武, 耿瑞珍, 張泳, 錢鴻麟, 楊一德, 趙淑華, 朱國英, 餘偉國, 朱福清, 王斌永, 徐疾 申請人:中國科學院上海技術物理研究所