同光路系统10101.docx

传感器同光路系统光谱分光技术是遥感传感器的关键技术，我们通常所说的分光技术是指传感器内部的分光技术，它使得遥感图像的每一个像元都有按照波长范围排列的光谱维度。而传感器之间的分光技术则可归为同光路设计的范畴，它指不同传感器均由同一个采集器采光，即所有的传感器的光路是相同的。不同于传感器内部的光谱细分技术，传感器之间的分光则将同一个采集器采集的光按照较大范围的波长范围分开，然后由不同的传感器对这些特定波长范围的波段成像。1光谱分光技术目前成像光谱仪已经发展出多种光谱分光方法，本研究中主要涉及色散型和干涉型光谱分光技术。1.1色散型色散型光谱分光技术出现较早，技术比较成熟，常用的色散型分光器件包括色散棱镜与衍射光栅，制作的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅以及凹面反射光栅等。如图1-1所示，入瞳辐射通过位于准直系统的前焦面上的入射狭缝后，经棱镜或光栅色散后由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上。色散型光谱分光技术广泛应用于航空和航天成像光谱仪领域，其中大部分采用衍射光栅技术。典型色散型成像光谱仪包括机载的美国AVIRIS系统、加拿大的CASI系统、中国科学院上海技术物理研究所研制的PHI、OMIS等，星载的美国EO-1的Hyperion和欧洲空间局的CHRIS等。图 11 色散型成像光谱仪1.2干涉型干涉型光谱分光技术的理论依据是干涉信息和光谱辐射信号间的傅里叶变换关系。通过干涉成像光谱仪测量得到不同光程差下的干涉信息，对获取到的原始信号（干涉信息）进行傅里叶变换得到每个像元的光谱分布，因此干涉型成像光谱仪是一种间接光谱分光技术。由于干涉信息是入射光谱信息的傅里叶变换，因此此类仪器又称傅里叶成像光谱仪。干涉成像光谱技术的关键是对入瞳辐射光进行分束、实现分光束的干涉。根据光程差的产生方法，干涉成像光谱仪主要分为时间调制型和空间调制型。迈克尔逊干涉成像光谱仪属于典型的时间调制型，其光学原理如图1-2所示，系统由前置光学系统、准直镜、分束面、静平面镜、动平面镜、成像镜和探测器组成，任一像元的光谱辐射经准直镜变成平行光后，经半透半反分束面分成两束，分别照射在静平面镜与动平面镜上，经静平面镜和动平面镜反射后，两束光通过分束面和聚焦透镜在焦平面干涉成像，其中通过动镜的机械扫描改变两束光间的光程差。光谱分辨率和最大光程差正相关。图 12时间调制型成像光谱仪三角共路型（Sagnac）干涉成像光谱仪属于典型的空间调制型，光学原理如图 1-3所示。它由前置望远光学系统、入射狭缝、Sagnac棱镜、傅里叶透镜、柱面镜和面阵探测器构成，Sagnac棱镜为其核心，包括半透半反分束面和反射镜。入射狭缝出射的光经过Sagnac棱镜的分束面分束成一束反射光和一束透射光，经过Sagnac棱镜的两个反射面反射后，通过分束面后两束光入射到傅里叶透镜，在傅里叶透镜后的探测器焦平面上合束形成干涉。其中，利用两个反射面相对于分束面的不对称性，使得两束相干光产生光程差。此类的遥感器主要有美国的MightSatII-1卫星上搭载的FTHSI、中国环境与灾害监测预报小卫星星座（HJ）的HJ-1A星上搭载的HJ1A-HSI超光谱成像仪，以及CE-1探月卫星搭载的超光谱成像仪。图 1-3 空间调制型三角共路成像光谱仪2同光路设计2.1非同光路传感器的不足前面描述了目前成像光谱仪的常见成像技术，即成像光谱仪如何分光的技术，但是目前这只是针对一个传感器而言的传感器内部分光技术。目前绝大多数遥感平台均是采用不同的传感器对特定的波段范围成像的方式，而且所搭载的传感器均是各自采光成像，即一个传感器对应一个采光镜头，如图21所示。图 21同平台非同光路传感器由于同平台的不同传感器是通过不同光路各自成像的，这给利用不同的传感器进行影像配准，进而对多传感器信息进行一体化综合应用带来了麻烦，存在的问题主要有：不同的传感器的焦距不一致，会发生由于瞬时视场角不一致而导致配准无法准确进行的情况；各类传感器的传输速率不一致即测量数据不同步，现有的算法均忽略了这一点；传感器的偏差会随着环境等的变化而变化，现有算法均是假定传感器的偏差是固定不变的；无源被动(同类)传感器的匹配问题。在无源被动定位系统中，三角交叉定位法是最常见的方法之一，它可以唯一地确定目标的位置。在传感器存在测量偏差的情况下，利用系统中的两个被动传感器的测量角度，有时候无法构成三角形，不能确定目标的真实位置。图 22传感器偏差测量示意图图2-2所示为不同的传感器存在偏差测量的情况，其中Tk表示k时刻目标的位置；{rA，θA}和{rB，θB}分别表示传感器A和B对目标Tk的真实距离和方位角；{ΔrA，ΔθA }和{ΔrB，ΔθB }分别表示传感器A和B的测量偏差；TA,k和TB,k分别表示传感器A和B有测量偏差的情况下对目标的测量位置。2.2同