專利名稱：機(jī)載成象光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地球表面物體空間特征及輻射光譜特征的探測。是一種機(jī)載成象光譜儀，融合了光機(jī)掃描、精細(xì)分光、焦平面器件、弱信號(hào)接收、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)。適用于地質(zhì)、地球物理和環(huán)境調(diào)查。
80年代美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)發(fā)展的AVIRIS機(jī)載成象光譜儀(SPIEVol.834)具有較大的科學(xué)實(shí)驗(yàn)價(jià)值，但它尚不是一種實(shí)用型裝置。美國地球物理環(huán)境調(diào)查公司(GER)的63通道機(jī)載成象光譜儀(SPIEVol.1298)雖屬同一類型，但其采用四方棱鏡掃描的KENNEDY光學(xué)系統(tǒng)，為雙光路成象系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)效率低。多面體掃描易產(chǎn)生掃描行間象元配準(zhǔn)精度低，影響圖象質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是提供一種安裝于飛機(jī)工作平臺(tái)的實(shí)用型機(jī)載成象光譜儀。它集光機(jī)掃描成象技術(shù)與光譜儀技術(shù)為一體，在探測目標(biāo)空間特征的同時(shí)，將每個(gè)空間象元色散形成數(shù)十個(gè)從可見光到熱紅外區(qū)域連續(xù)的光譜波段，從而在獲得二維掃描圖象的同時(shí)，可得到對(duì)應(yīng)空間象元的光譜曲線。
本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的。由掃描頭接收來自地物目標(biāo)的輻射。所說的掃描頭包括地物掃描系統(tǒng)、成象光學(xué)系統(tǒng)、分光計(jì)、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(biāo)輻射在可見一近紅外和短波紅外、熱紅外波段轉(zhuǎn)換成數(shù)十個(gè)連續(xù)的窄光譜通道信號(hào)，經(jīng)電纜送至信號(hào)處理系統(tǒng)。所說的信號(hào)處理系統(tǒng)包括多通道模擬信號(hào)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)記錄、格式形成和記錄控制器，實(shí)現(xiàn)多通道圖象數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、編輯和記錄。
本發(fā)明的特點(diǎn)是所說的掃描頭具有經(jīng)輕量化及動(dòng)平衡設(shè)計(jì)的大口徑45度放置反射鏡。掃描頭的成象光學(xué)系統(tǒng)是一種短光路密集形結(jié)構(gòu)。集公用的準(zhǔn)直鏡與視場光欄于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，適合小安裝空間。視場光欄可根據(jù)系統(tǒng)不同的空間分辨率要求方便地進(jìn)行置換，不必重新校準(zhǔn)。掃描頭設(shè)計(jì)采用模塊式的光路結(jié)構(gòu)?？梢娨唤t外、短波紅外、熱紅外三個(gè)分光計(jì)為三個(gè)獨(dú)立模塊，分光計(jì)與主光學(xué)系統(tǒng)在平行光中聯(lián)接。掃描頭具有靈活的多組態(tài)工作模式。不同波段的分光計(jì)可單獨(dú)與主光學(xué)系統(tǒng)配置，也可以將可見一近紅外與短波紅外分光計(jì)組合在一起使用。所說的可見一近紅外分光計(jì)和短波紅外分光計(jì)均為全反射系統(tǒng)，簡單，高效。所說的熱紅外分光計(jì)具有超小F數(shù)的紅外會(huì)聚透鏡組。掃描頭采用的探測器為Si線列探測器、PbS線列探測器、HgCdTe線列探測器。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于將PbS探測器的頻帶通過前置放大器的頻率補(bǔ)償擴(kuò)展到滿足成象系統(tǒng)的要求。此外，在所說的信號(hào)處理系統(tǒng)中，具有數(shù)據(jù)采集器、程序時(shí)序控制器、中央控制器，還設(shè)置了通頻帶可編程的電子濾波器，能提高圖象信號(hào)的信噪比，并能滿足不同瞬時(shí)視場和不同工作組態(tài)的要求。設(shè)置了信號(hào)箝位裝置，能采集定標(biāo)信號(hào)或黑電平信號(hào)，并自動(dòng)恢復(fù)信號(hào)中的直流分量。設(shè)置了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和12位全量化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出裝置，使處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍變大，能滿足各種遙感場合的圖象數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。設(shè)置了波段和數(shù)據(jù)編輯、編程裝置，使系統(tǒng)操作簡化。設(shè)置了8位浮動(dòng)數(shù)據(jù)口，能適應(yīng)8位數(shù)據(jù)輸入的移動(dòng)窗顯示器和8位的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)中還設(shè)有通道可選模擬監(jiān)視口，監(jiān)視通道序號(hào)顯示及8位電平位置顯示。數(shù)字記錄控制器對(duì)高速大容量成象光譜數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行緩沖并送數(shù)字記錄儀完成實(shí)時(shí)記錄。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作詳細(xì)闡述。


圖1是本發(fā)明機(jī)載成象光譜儀的原理框圖。圖中1為光機(jī)掃描器，2為主光學(xué)系統(tǒng)，3為分光計(jì)，4為參考黑體板，5為探測器及多路前置放大器，6為信號(hào)處理系統(tǒng)，7為記錄系統(tǒng)，8為實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。
圖2是機(jī)載成象光譜儀的掃描頭的原理框圖。圖中9為光學(xué)編碼器，10為同步電機(jī)，11為45度旋轉(zhuǎn)反射鏡，9、10、11組成光機(jī)掃描器1。12為主反射鏡，13為視場光欄，14為準(zhǔn)直鏡，15為斜反射鏡，12、13、14、15組成主光學(xué)系統(tǒng)2。16為光學(xué)系統(tǒng)出射平行光。光學(xué)編碼器9同時(shí)給出同步和時(shí)基信號(hào)41。
圖3是分光計(jì)原理框圖。圖中16為主光學(xué)系統(tǒng)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(jì)的會(huì)聚準(zhǔn)直單元，19為可見光分色元件，20為會(huì)聚鏡，21為Si線列探測器，22為短波紅外分光計(jì)的會(huì)聚準(zhǔn)直單元，23為短波紅外分色元件，24為會(huì)聚鏡，25為PbS線列探測器，26為熱紅外分光計(jì)分光元件，27為會(huì)聚透射鏡組，28為HgCdTe線列探測器。
圖4是機(jī)載成象光譜儀信號(hào)處理系統(tǒng)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(hào)放大及處理，30為12位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，31為程序時(shí)序控制器，32為面板控制，33為中央控制器，34為附加數(shù)據(jù)形成器，35為數(shù)據(jù)緩沖、格式形成器，36為12位至8位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，8為實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，37為數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換，38為模擬監(jiān)視輸出，39為數(shù)字記錄控制器，7為記錄系統(tǒng)，40為導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入，41為同步時(shí)基信號(hào)。
圖5為機(jī)載成象光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為機(jī)載成象光譜儀結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，它是圖5的左視圖。
圖7為機(jī)載成象光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
機(jī)載成象光譜儀工作時(shí)安裝于飛機(jī)平臺(tái)。掃描頭通過與光軸成45度角的旋轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的橫向掃描，飛機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)形成縱向掃描條帶，從而構(gòu)成對(duì)地面物體的二維掃描圖象。光機(jī)掃描器由磁帶同步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)光學(xué)角度編碼器、掃描鏡和動(dòng)平衡裝置組成。二頭出軸的二相磁帶同步電機(jī)，一端安裝掃描鏡，一端安裝光學(xué)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、鎂合金制成。為了減輕重量，并具有良好的剛度，其側(cè)面采用三角型蜂窩狀結(jié)構(gòu)。由于掃描鏡對(duì)于轉(zhuǎn)軸嚴(yán)重不對(duì)稱，為校正轉(zhuǎn)鏡的靜平衡和動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，在電機(jī)兩頭出軸的圓盤上相對(duì)安裝了兩個(gè)動(dòng)平衡塊，形成一對(duì)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(xué)系統(tǒng)設(shè)置了一塊拋物面主鏡12和一塊拋物面準(zhǔn)直鏡14，且共焦于視場光欄，是一種短光路密集形結(jié)構(gòu)。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(huì)聚到焦面中的視場光欄上，以獲得空間像，并再由準(zhǔn)直鏡把光線準(zhǔn)直，由一塊斜反射鏡15將準(zhǔn)直后的平行光束引出主光學(xué)系統(tǒng)，使三個(gè)分光計(jì)在平行光束中與主光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)接，該特征使得光學(xué)系統(tǒng)之間聯(lián)接安裝方便，引入誤差小，結(jié)構(gòu)緊湊。專門設(shè)計(jì)的光欄機(jī)構(gòu)，具有定位可靠，置換方便的特點(diǎn)?？梢?近紅外和短波紅外的分光計(jì)可以同時(shí)使用，相互之間的光學(xué)聯(lián)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(jì)中，而把短波紅外的光能量透射到短波紅外分光計(jì)中。
可見-近紅外分光計(jì)采用全反射結(jié)構(gòu)，以提高光學(xué)效率，采用閃耀光柵-1級(jí)的衍射，獲得色散譜面，使得成象會(huì)聚鏡的總視場減小，像質(zhì)得到改善。由于可見/近紅外波段為3mrad分辨率，而短波紅外波段為4.5mrad分辨率，為了使二者的空間象元得以匹配，在可見-近紅外分光計(jì)中設(shè)置二次會(huì)聚和準(zhǔn)直系統(tǒng)，并設(shè)置二次視場光欄，把主光學(xué)系統(tǒng)中4.5mrad的視場轉(zhuǎn)換成3mrad的視場。色散后的光譜信號(hào)(0.44μm-1.08μm波段)由一個(gè)32元硅探測器列陣接收，通過多路前置放大器轉(zhuǎn)換成并行的電信號(hào)輸出。
短波紅外分光計(jì)也采用全反射結(jié)構(gòu)和閃耀光柵的-1級(jí)衍射，以提高光學(xué)效率和提高像質(zhì)。色散后的短波紅外光信號(hào)(1.50μm-2.50μm波段)由一個(gè)32元硫化鉛探測器列陣接收，并通過多路前置放大器轉(zhuǎn)換成并行的電信號(hào)輸出。
由于熱紅外波段的焦距相對(duì)較短，會(huì)聚鏡采用了由兩片鍺鏡組成的透鏡組。焦平面探測器采用了安裝于金屬杜瓦瓶內(nèi)，液氮致冷的7元碲鎘汞探測器列陣，其工作溫度為77K。
機(jī)載成象光譜儀信號(hào)處理系統(tǒng)是具有完成多路并行模擬信號(hào)處理，并串轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換的大動(dòng)態(tài)范圍圖象數(shù)據(jù)采集器，導(dǎo)航數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)采集與合成信號(hào)格式的系統(tǒng)控制器的把從前置放大器輸出的多路并行模擬信號(hào)進(jìn)行放大，電平變換，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再由數(shù)據(jù)格式器把多路的數(shù)據(jù)形成一統(tǒng)一的格式輸出，送數(shù)據(jù)記錄器記錄。
信號(hào)處理系統(tǒng)中有16塊數(shù)據(jù)采集板，每塊板承擔(dān)四路模擬信號(hào)的放大、濾波、黑電平鉗位、采樣保持、4-1并串轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)輸出?？偣部刹杉?4個(gè)通道的模擬信號(hào)。來自前放的模擬信號(hào)經(jīng)放大后，進(jìn)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分辨率的需要設(shè)定。由于硫化鉛探測器的前置放大器采用了交流耦合，因此為了使信號(hào)中的直流分量不至于丟失，必須通過黑電平鉗位對(duì)其加以恢復(fù)。數(shù)據(jù)采集選用12位A/D轉(zhuǎn)換器，以保證成象光譜儀遙感信號(hào)足夠的動(dòng)態(tài)范圍。二塊時(shí)序控制板以來自掃描頭光學(xué)角度編碼器輸出的采樣時(shí)鐘和掃描行同步信號(hào)為基準(zhǔn)，產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的一系列時(shí)序信號(hào)。同時(shí)考慮到輸出信號(hào)碼的速率比碼盤的速率高得多，因此采用了二套時(shí)鐘通過電路同步的方法。二塊系統(tǒng)控制板控制信號(hào)處理系統(tǒng)中的監(jiān)視、顯示部分和導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集，及在圖象數(shù)據(jù)中混入行起始字、行計(jì)數(shù)、飛行姿態(tài)參數(shù)等工程性輔助數(shù)據(jù)。控制器選用價(jià)廉、通用的8031單片機(jī)，并用一片8155作輸入輸出口擴(kuò)展。系統(tǒng)采用中斷方式作為基本工作模式，完成從輸出的數(shù)字流數(shù)據(jù)中選出需要監(jiān)視的通道的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，供操作者觀察、監(jiān)視;選取12位輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中的任意連續(xù)8位供移動(dòng)窗實(shí)時(shí)顯示圖象;給出監(jiān)視通道序號(hào)的顯示以及8位電平位置的顯示。允許操作者通過按動(dòng)面板上的按鍵進(jìn)行更改。
考慮到成象光譜儀中可見/近紅外為32個(gè)波段，短波紅外為32個(gè)波段，兩組波段相對(duì)獨(dú)立、因此信號(hào)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板、時(shí)序板、控制板、通道的監(jiān)視和顯示也分成32個(gè)通道一組，兩組相對(duì)獨(dú)立。
經(jīng)試用和測試，本實(shí)施例達(dá)到，如下技術(shù)指標(biāo)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(shí)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(xué)口徑180mm行象元數(shù)512數(shù)據(jù)編碼12bit數(shù)據(jù)率5.12Mbps探測器32元Si線列32元PbS線列7元HgCdTe線列本發(fā)明有如下有益效果1.結(jié)構(gòu)緊湊，光學(xué)系統(tǒng)效率高，體積小。能適合多種型號(hào)飛機(jī)安裝，尤其可安裝在輕型高空飛機(jī)(如獎(jiǎng)狀S/Ⅱ)上作業(yè)。
2.靈活的多組態(tài)工作模式，適用面廣，可針對(duì)不同的遙感應(yīng)用選擇最佳組合。
3.操作方便、可靠。機(jī)載實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)能隨時(shí)了解儀器工作狀態(tài)及掃描圖象質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)載成象光譜儀，包括掃描頭與機(jī)載信號(hào)處理系統(tǒng)，所說的掃描頭包含地物掃描系統(tǒng)、成象光學(xué)系統(tǒng)、分光計(jì)、探測器、前置放大器、光學(xué)編碼器，掃描頭將地物目標(biāo)信號(hào)，經(jīng)電纜送至信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)包含多通道模擬信號(hào)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、格式形成與輸出記錄，其特征在于(1)所說的掃描頭的成象光學(xué)系統(tǒng)為短光路密集形，在甚小空間中集公用的準(zhǔn)直鏡與視場光闌于一體；(2)所說的掃描頭設(shè)置了可置換式視場光闌，對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)空間分辨率；(3)所說的掃描頭采用模塊式光路結(jié)構(gòu)；(4)所說的掃描頭具有多組態(tài)工作模式，不同波段分光計(jì)將地物目標(biāo)輻射轉(zhuǎn)換為數(shù)十個(gè)連續(xù)的相應(yīng)窄光譜通道信號(hào)；(5)所說的掃描頭具有可見一近紅外分光計(jì)、短波紅外分光計(jì)和熱紅外分光計(jì)；(6)所說的掃描頭具有經(jīng)輕量化、動(dòng)平衡設(shè)計(jì)的掃描鏡；(7)所說的掃描頭采用Si線列探測器、PbS線列探測器、HgCdTe線列探測器；(8)所說的機(jī)載信號(hào)處理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集器、程序時(shí)序控制器、中央控制器、及12位全量化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出口和8位浮動(dòng)數(shù)據(jù)輸出口；(9)所說的機(jī)載信號(hào)處理系統(tǒng)具有定標(biāo)信號(hào)或黑電平采集和信號(hào)直流分量自動(dòng)恢復(fù)裝置，波段編程、數(shù)據(jù)編程、數(shù)據(jù)編輯裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的掃描頭的成象光學(xué)系統(tǒng)，主反射鏡與準(zhǔn)直鏡共焦，視場光欄裝置在焦點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的掃描頭的模塊式光路結(jié)構(gòu)，其主光學(xué)系統(tǒng)與分光計(jì)在平行光路中聯(lián)接，可見一近紅外分光計(jì)、短波紅外分光計(jì)、熱紅外分光計(jì)具有共同的聯(lián)接口，可方便地進(jìn)行置換或組合使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的掃描頭是具有全反射式可見一近紅外分光計(jì)、全反射式短波紅外分光計(jì)、和具有超小F數(shù)紅外會(huì)聚鏡組的熱紅外分光計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的掃描頭的掃描鏡采用45度橢圓形平面反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的機(jī)載信號(hào)處理系統(tǒng)是具有完成多路并行模擬信號(hào)處理，并串轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換的大動(dòng)態(tài)范圍圖象數(shù)據(jù)采集器，導(dǎo)航數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)采集與合成信號(hào)格式的系統(tǒng)控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的機(jī)載成象光譜儀，其特征在于所說的機(jī)載信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)有通道可選模擬監(jiān)視口，監(jiān)視通道序號(hào)顯示及8位電平位置顯示。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機(jī)載成象光譜儀，是一種實(shí)用型成象光譜遙感儀器。它集成象與光譜功能于一體，包括掃描頭和信號(hào)處理系統(tǒng)兩大部分。中間由電纜聯(lián)結(jié)。它通過特有的光機(jī)設(shè)計(jì)，信息采集和信號(hào)處理系統(tǒng)，在探測目標(biāo)空間特征的同時(shí)將每個(gè)空間象元色散形成數(shù)十個(gè)連續(xù)的光譜波段。獲得從可見光至熱紅外波段的分光譜圖象數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有靈活而實(shí)用的多組態(tài)工作模式。適合于海洋和陸地的環(huán)境、資源、地質(zhì)、生態(tài)等航空遙感應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01J3/18GK1093802SQ9311240
公開日1994年10月19日 申請(qǐng)日期1993年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月13日
發(fā)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, 余偉國, 朱福清, 王斌永, 徐疾 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所