若干高光谱成像新技术及其应用研究

高光谱成像技术主要应用于航空航天遥感平台，遥感平台相对观测对象的速高比(V/H)和空间分辨率共同决定了探测的像元驻留时间(Tint)，与空间分辨率、系统F数、光谱分辨率(Δλ)等参数共同决定了探测器接收到的信号大小。相比较而言，航天遥感平台不像机载平台那样具有很大的灵活性，它的速高比可设计范围极小。色散型高光谱成像仪具有狭缝作为光阑，图谱同时获取、波段间配准精度高等优点，但同时也限制了系统的能量通量。在空间分辨率要求较高的情况下，即使达到了光子噪声限，色散型高光谱成像仪的信噪比(灵敏度)因能量限制而受到局限。不像一般的成像相机，可以通过TDI技术增加信号能量。色散型高光谱成像仪在将光机设计的口径、像元尺寸、光学效率等参数优化到极限的情况下，进一步采用运动补偿技术增加像元驻留时间，可以获取更高灵敏度的高光谱图像。

如图 1所示，如果采用物方扫描镜或卫星平台整体回扫实现成像传感器视轴获得一个与推扫方向相反的像移速度，则可以实现运动补偿，增加像元驻留时间，提高探测灵敏度。2011年9月29日发射入轨的天宫一号高光谱成像仪就采用了这项技术。飞行器飞行高度400 km，地面相对地速约7.2 km/s，短波红外高光谱成像仪设计地面分辨率20 m，如果不采用运动补偿技术，探测器采样工作帧频需要达到360 Hz。对于采用面阵探测模式的推扫式高光谱成像仪来说，高帧频的面阵探测器是难点，能否保证探测灵敏度也是关键。采用运动补偿技术后，这两个问题都得到有效化解。设计采用1:4运动补偿，探测器帧频降为90 Hz，最大驻留时间增加到11 ms左右。

运动补偿技术的关键技术难点可以通过补偿数学模型来进行阐述，如下式所示

式中，${\upsilon _{\rm{p}}}$ 为平台飞行速度， ${\upsilon _{\rm{c}}}$ 为扫描镜或平台整体回扫实现的补偿速度， ${\upsilon _{\rm{i}}}$ 为最终探测器获得的最终像移补偿速度。

良好的成像质量要求像移速度具有一定的稳定性，一般要求相对波动不超过10%。由于像移速度是推扫像移速度和补偿速度的差值，因此即使平台具有很好的速度稳定性，对补偿控制速度也有较高的要求。假设运动补偿比为k，则式(1)相关参量具有如下关系

补偿速度 ${\upsilon _{\rm{c}}}$ 的速度稳定性(相对误差 $\Delta {\upsilon _{\rm{c}}}$ )是系统系统成像质量的关键，不难看出，与最终像移速度相对误差 $\Delta {\upsilon _{\rm{i}}}$ 有k–1倍的关系，即

这说明，为了满足最终像移速度10%的相对误差要求，补偿速度相对误差要控制不超过3%，在补偿速度比较低(0.5°/s左右)的情况下，难度比较大，需要在扫描轴系、角度测量的精度和采样率方面有极高的要求。

天宫一号高光谱成像仪采用棱镜分光，可见近红外和短波红外谱段的空间分辨率分别达到了10 m和20 m的水平，由于采用了运动补偿技术，获取的图像仍然具有很高的信噪比。研制过程中，采用感应同步器进行高速高精度角度测量，为扫描镜的扫描控制提供反馈，采用输出力矩稳定性很好的有限转角力矩电机作为控制系统的执行元件。图 2是在轨获取的20 m分辨率的短波红外影像。

天宫一号是中国首台高分辨率航天高光谱成像仪，首次验证了基于扫描镜的运动补偿技术的有效性，为后续更高空间分辨率的空间高光谱成像技术奠定了技术基础。