夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析_张宇.pdf

收稿日期：基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（，）；中 科院前沿科学重点研发项目（）通信作者：邱实 ：光电技术及应用 ：夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析张宇，崔皓东，张曦，高彩霞，钱永刚，马灵玲，邱实（中国科学院空天信息创新研究院 中国科学院定量遥感信息技术重点实验室，北京 ）摘要：针对目前传统的地物光谱仪对光信号强度要求较高，只能白天使用，无法在夜间使用而导致夜间遥感在轨辐射定标不确定度较高的问题，提出一种将传统光谱仪的 （）探测器与像增强器直接耦合提升光谱仪低照度条件下信息获取能力的技术方案。基于该技术方案的光谱仪可有效实现地面目标光谱信息的夜间测量。相关测试试验结果表明：在入射光源只有月光和星光的条件下，该微光光谱仪可有效实现对地面目标光谱信息的测量，且性能良好稳定，未来可应用于夜间遥感定标、夜间目标光谱信息获取等应用领域，为夜间遥感在轨定标精度的提升奠定技术基础。关键词：夜间遥感；微弱光光谱仪；直接耦合；像增强器中图分类号：文章编号：（），（，）：，（），：；半导体光电 年 月第 卷第期张宇 等：夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析引言夜间遥感是近年来遥感领域的前沿热点，它可以弥补红外遥感夜间监测的局限性，获取具有白天分辨率的夜晚地表辐射产品。但由于夜间遥感载荷的特殊性，导致其在轨定标不确定性高，辐射产品精度低，难以满足日益提高的定量化应用需求。为了提高夜间遥感在轨定标精度，国内外专家学者围绕夜间遥感在轨定标开展了一系列的研究工作，相关工作结果表明，获取低照度环境下的地表真值是夜间遥感在轨定标决定性的一环。传统的白天遥感在轨定标可以利用便携式光谱仪等设备获取地表真值，具有代表性的便携式光谱仪 主 要 有 地 物 光 谱 仪、地物光谱仪、高精度地物光谱仪以及 高光谱地物光谱仪等，但因其均适用于光照条件良好的环境中，对光信号强度要求较高，只能白天使用，无法应用于夜间月光和星光等微弱光环境下的目标光谱及反射率的测量。针对上述问题，目前国内外很多研究人员在夜间遥感定标中，尝试过采用多种方式来获取微弱光环境下的地表辐射值或反射率。如 年 等选择美国 （）沙地作为夜间遥感场地替代定标场，选用 年月 月 地区在某段时间内的平均反射率数据来代替卫星过境时刻的实测值进行夜间遥感载荷的场地替代定标，但因季节性变化带来的水汽含量的变化对地表反射率带来一定的影响，其判定误差范围在 左右，最终的辐射定标不确定度仅为。此外，也有不少学者选择冰雪为场地替代定标场，如 年 和 年 选择南极 地区和北极 地区作为研究区域，采用月球辐照度模型 和卫星观测值计算了雪地表面 的 发 射 率，并 以 高 光 谱 卫 星 （）的反射率产品作为真值进行了比对分析，但由于在计算过程中未考虑到 卫星本身定标的不确定度以及不同观测几何因素，影响了其最终的辐射定标精度。年国防科技大学王锋选择茶卡盐湖、古里雅冰帽、普若岗日冰原三个高海拔、高反射率地区作为夜间遥感替代定标场，但由于缺乏真实的地面反射率数据，无法开展辐射定标工作，只是通过美国 卫星数据，评估分析了这三处区域的情况。总而言之，目前的大部分针对夜间遥感在轨辐射定标的研究工作都是利用地表对月球光的反射来进行替代定标，但由于月球模型本身的精度不高，又缺乏可以直接测量场地辐射特性的实效性工具，限制了替代定标方法的夜间遥感在轨定标精度。综上可知，要提高夜间遥感的定量化应用水平，关键是获取低照度环境下的地表辐射值或反射率。鉴于目前没有适合于夜间目标反射率和光谱测量的光谱仪设备情况，本文在传统光谱仪的基础上进行技术改进，提出一种适用于微弱光环境下测量的 （）光谱仪系统，并对其稳定性、线性方面的性能进行了评估。该系统采用高性能像增强器与传统光谱仪中的 直接耦合的方式集成，大幅度地提高了传统光谱仪的灵敏度，具有成本低、易于实现且性能稳定的优点，可在低照度环境下直接获取地表辐射值或反射率真值，为提高夜间遥感定标精度奠定技术基础。微光光谱仪设计方案针对便携式光谱仪在微弱光条件下进行光谱测量时存在探测灵敏度不足的问题，本文借鉴微光夜视领域的像增强技术，提出一种将便携式光谱仪的 探测器与微光像增强器相耦合的光增强技术方案，以提升便携式光谱仪在微弱光条件下的信息获取能力。本文以白天遥感广泛使用的 野外便携式光谱仪为基础，采用微光直耦增强的技术方案将其改造成为高灵敏度微弱光光谱仪，以满足微弱光光谱探测的使用要求。增强工作原理微光像增强技术，是指将景物的极微弱的辐射光投射到成像器件的光敏面上，产生光电子，经过电子光学系统聚焦到荧光屏上，显示出被增强了的、人眼直接可视的景物图像。为了使传统的光谱仪能在微弱光环境下使用，本文采用微光像增强技术，将传统普通光栅衍射光谱仪采用的传感器（线阵 ）与像增强器直接耦合形成高感光度的 ，是微光光谱仪的核心部件，其增强工作原理图如图所示。为实现透光效率高、灵敏度高且结构紧凑，本文在综合考虑透光效率和灵敏度兼顾的基础上，采用将像增强器直接耦合到 靶面上的新工艺（直接耦合技术）。采用直耦技术研制而成的成像器件 （），透光效率更高，均匀性更好，同时结构紧凑，灵敏度高，分辨率高。图增强型微弱光光谱仪技术原理图系统集成方案光谱仪选型本文选择 公司的 野外便携式光谱仪作为微光光谱仪的信息接收采集设备。能够提供目前世界较高水平的光谱分辨率，并具备坚固的设计、独立的工作模式、超轻的重量，且具有多个可选择的光学镜头和光纤光学包，适合野外使用。由于微弱夜天光光谱范围集中在 附近，选择 可见光波段进行耦合增强有利于进行对应光谱的分析比较。的 可 见 光 探 测 器 为 线 阵 ，形貌如图所示。图光谱仪线阵 探测器像增强器选型根据所选取的光谱仪 参数，耦合的像增强器的成像面积应覆盖光谱仪的 成像面积。线 阵 的 感 光 区 尺 寸 为 ，则像增强器的成像面直径要达到 ，其中预留 的加工空间；像增强器的图像分辨率要 高 于 光 谱 仪 的 图 像 分 辨 率，光 谱 仪 的像元尺寸为，因此像增强器的最小有效分辨直径要小于，即像增强器的分辨率要大于 。此外，要将 微光光谱仪应用于 夜间遥感定标，光谱响应范围要涵盖 ，并且其感光灵敏度要满足微弱光环境下成像，即在月光的照明条件下可以正常工作，因此像增强器的亮度增益需高于 倍，同时具有强光保护功能。综合以上情况，本文选择了北方夜视公司的 像 增 强 器，其 空 间 分 辨 率 可 达 ，信噪比为，光谱响应曲线如图所示。像增强器 与 光谱仪的线阵 进行直接耦合，在分辨率和信噪比特性方面均具有较高的匹配值，可满足微光环境下的光谱探测。图 像增强器光谱响应曲线直耦增强 结构设计直耦 成像器件需要将像增强器和 图像传感器两大部分的结构耦合构成一个整体，成像器件结构设计图如图所示。图线阵直耦 结构示意图为实现最大光效率和最好图像质量的传递，在像增强器荧光屏与 图像传感器耦合过程中，必须确保两个器件耦合光轴的一致且与光敏元相对应，以及整体结构的牢固。为确保高精度、高效率、高可靠性，像增强器的输出面需要加工成 光谱仪线阵 感光区尺寸的 长条形状，如图所示。半导体光电 年 月第 卷第期张宇 等：夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析图像增强器的输出面加工形状为了能够成功地将像增强器耦合到 上，像增强器输出光纤面板和 必须精密贴紧，防止光线在光纤的输出端输出时产生很大的角度扩散，导致分辨力的损失。在耦合过程中，像增强器输出光纤面板和 的间隙要尽量地减小到最小，同时又不能引起应力，以免损坏 或 的性能。耦合过程中使用了光学匹配油，用以防止空气间隙引起的空间分辨力和耦合效率损失。在探测器的温度反复变化时，耦合面要保持水平稳定，以避免产生应力或引起破裂。直耦 耦合工艺实现本文的直耦 耦合工艺包括三种工艺技术和十个工艺环节。三种工艺技术如图所示，分别如下：（）高可靠耦合固化工艺。该技术可实现微米级像增强器的光轴和 的光轴精准重合，通过 耦合装调系统在耦合时控制像增强的下落速度和下落方向，耦合装调系统结构如图所示。该系统由精密机械部件组成，可以手动调节像增强器下落速度和准确定位位置；图直耦 耦合工艺技术图直耦 耦合装调系统（）无缝隙靶面耦合点胶工艺。该技术可使得像增强器和 在耦合时间隙控制到最小，在保证图像分辨率和对比度的同时又不引起应力而导致损坏 的性能。主要操作是对 感光面使用光学胶或光学匹配油并使其均匀地平铺在 靶面；（）超精准光轴耦合对准工艺。该技术可提升 在耦合之后的连接强度、稳定可靠性和良品率。主要操作是通过控制风干的温度和固化的时间，来保证器件使用可靠性。以上工艺技术通过以下十个工艺环节来实现，工艺流程如图所示。图直耦 耦合工艺环节 微光光谱仪整体装调直耦增强线阵 组件完成后，需要将 组件装入光谱仪完成整机研制，装配后 组件的成像平面要与 原始成像平面位置完全重合，以保证光谱测量的正确性。安装好 组件的光谱仪，像增强器电源需要直流电压供电，工作电流，直流电源线及电源地线接入点如图所示。光谱仪面板设有像增强器电源控制开关，只有在进行测量时才打开像增强器，而在回放、设置等其他操作时关闭像增强器，以保护像增强器不受强光损害。图像增强器安装及电源接入点 微光光谱仪实验室定标 微光光谱仪辐亮度响应度定标由于像增强器的光谱响应曲线不是均衡的水平直线，故像增强器与光谱仪 耦合后改变了原有光谱仪的光谱响应特性，需要对研制的微光光谱仪进行重新标定。该仪器的实验室标定委托中国科学 院计量院进行，基于标准辐射源的实验室辐射标定方案，获取了 微光光谱仪辐亮度响应度系数。通过实验室定标，可确定 微光光谱仪的标定系数（）：（）（）（）（）式中，（）为 微光光谱仪入瞳处的光谱辐亮度，（）为参考标准器测量的光谱辐亮度，参考标准器为计量院经过标定且各方面性能稳定的标准辐射计。微光光谱仪定标结果分析为确保 微光光谱仪能够在夜间正常工作，本次标定需要在不同的低照度下进行，分别选择了 ，和 三个低照度量级。标定过程通过将不同量级的光源照射在漫射板上，使用微弱照度计测量漫射板处的照度。设定某量级后，保持光源不变，用 微光光谱仪与标准辐射计分别测量漫射板上的辐射亮度值。测试结果如图 所示。测量结果表明，在 量级下，仪器基本无响应；在 量级下，仪器信噪比比较低；在 量级下，仪器信号明显增强，信噪比较高。由此可确定在环境照度大于等于 量级时，微光光谱仪可以正常投入使用。夜间遥感场地替代定标在月到满月情况下定标精度更高。在晴朗的夜空下，月到满月（）照度下（）照度下（）照度下图 不同照度下的 微光光谱仪响应值时地面照度范围在 ，因此，本文设计的 微光光谱仪满足低照度场地替代定标所需的工作照度条件。图 为 照度下参考标准器测量的辐亮度曲线，由于参考标准器只针对可见光波段，因此定标波段为 。通过对 光谱响应值进行适当的数据处理，可根据式（）可求出定标系数曲线（辐亮度值），如图 所示。图 下参考标准器测量的辐亮度曲线图 下的定标系数曲线 微光光谱仪外场应用示范为检验本文研制的 微光光谱仪的实际工作情况，本文利用该 微光光谱仪进行了外场 半导体光电 年 月第 卷第期张宇 等：夜间遥感场地替代定标的微光光谱仪设计与试验分析微光测试研究试验。外场区域情况夜间遥感场地替代定标均基于场地目标对月光反射的物理原理进行，因此，在通过外场验证 微光光谱仪系统时，需选择光源只有月光的站点进行验 证 分 析。本 文 选 择 的 试 验 地 点 为 位 于 海 拔 多米 的 青 海 格 尔 木 大 柴 旦 地 区（，），地处柴达木盆地边缘，地质构造形成了自然荒漠，远离城市灯光污染，可确保场地目标只反射月光，无其他杂散光，其一年中大多数时间夜晚天空晴朗无云，水汽含量、气溶胶含量、风速低，大气确定性高，满足 微光光谱仪验证分析工作的相关要求，图 为站点的具体地理位置。图 大柴旦站点均一地物光谱测量分析试验选取在 年月 日月 日时间段内进行，该时间段处于农历八月十五前后，满足满月月的照度条件，且天气晴朗无云，大气状况良好，无其他杂