基于多通道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法

摘要

基于多通道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法，涉及一种星载成像光谱仪实现方法，主要是解决现今的星载成像光谱仪由于谱段多而信噪比低要求帧频高问题。本发明基于拼接多条线阵图像传感器的思想提出了一种多通道EMCCD成像光谱仪的实现方法。每条线阵图像传感器接收不同谱段的物理信息，把原来要求很高的帧转移时间转换为了较低的行转移时间；把每条线阵图像传感器内产生的图像经电子倍增后再输出以提高多谱段信号的信噪比；每条线阵图像传感器根据该谱段内的量子效率来设置倍增增益值，使各谱段输出信号幅度保持一致，提高了各谱段输出信号的均匀性，增加了整体的动态范围。

说明书

技术领域

本发明是涉及一种星载成像光谱仪实现方法，具体涉及一种基于多通道EMCCD的星载 成像光谱仪实现方法。

背景技术

星载成像光谱仪主要由前置成像系统和后端光谱仪系统组成，其中前置成像系统用于获 取目标的空间信息，后端光谱仪系统用于获得目标的光谱信息为每个空间像元提供连续光谱 信息，通过入射狭缝将两者有机地结合在一起。根据光谱仪系统所采用的分光方式不同，成 像光谱仪可以分为棱镜、光栅色散型成像光谱仪，滤光片型成像光谱仪，二元光学型成像光 谱仪，干涉型成像光谱仪，干涉型成像光谱仪，计算层析型成像光谱仪和三维成像型成像光 谱仪等。其中色散型成像光谱仪在航天遥感领域应用最为广泛。

地面景物光线经扫描镜反射进入望远镜系统，在望远镜焦面前光谱仪的狭缝进入光谱仪 系统，从入射狭缝出射的光经准直镜后入射到色散元件上，经色散元件色散，再经聚焦镜成 像在面阵探测器上的不同像元上。在面阵探测器上得到狭缝上各点的光谱信息，与入射狭缝 长度方向平行的一维为空间维，与狭缝长度方向垂直的一维为光谱维，按光谱展开在可见近 红外焦面组件和短波红外焦面组件的光敏面上。地面景物在各光敏面上的光谱图像信息经光 电转换、放大、A/D采样后通过机上控制电箱以数字图像的形式存储到相应的存储器中。在 成像工作的同时，根据需要，扫描镜可以以一定的角速度进行运动补偿，来增加CCD光敏 面的积分时间。

由于成像光谱仪将景物像元的信息分成几十乃至上百个光谱通道，从而使得焦平面阵列 探测器每个像元所接受到的能量大为降低，直接导致信噪比严重下降，在高空间分辨率（优 于30m）的条件下成像光谱仪信噪比往往无法满足实际应用。

现有方法为，根据相关公式，计算星下点速度V_N，其中G为万有 引力常数，M为地球质量；R为平均地球半径，H为卫星的平均高度；积分时间t_int可近似为 $t_{\mathrm{int}}=\frac{\delta }{V_N};$

δ为地面像元分辨率；对于推扫式工作方式，通常采用面阵结构的图像传感器来接收光 谱图像信息，与飞行方向垂直的方向图像为不同物理位置的信息，与飞行方向相同的图像代 表同一物理位置的不同光谱段信息。随着光谱谱段的增多，一方面每个谱段上接收的能量信 息有限，存在信噪比过低的问题；另一方面，在有限的时间内转移出多谱段的图像信号，对 图像传感器的帧频要求特别高。另一种解决方法，结合图1，采用指向反射镜来进行运动补 偿，增加积分时间提高信噪比，同时降低图像传感器的帧频。采用此方法不仅增加了体积和 重量，由于存在运动部件，降低了航天应用的可靠性。

发明内容

本发明为解决现有星载成像光谱仪存在信噪比低，且要求帧频高，同时，采用指向反射 镜进行运动补偿存在降低图像传感器帧频及应用可靠性差的问题，本发明提供一种基于多通 道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法。

基于多通道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、选择成像光谱仪的传感器为面阵传感器，根据公式：确定传感器每行 的最小像元数n_mini，式中，D_A为幅宽，δ为地面像元分辨率；所述传感器最小行数等于成像 光谱仪的谱段数n_谱段；传感器每行输出的信号由一个或m个通道同时读出，传感器总的输出 通道数p_通道，所述p_通道＝m×n_谱段，m为大于0的正整数；

步骤二、根据成像光谱仪不同谱段的量子效率选择不同的倍增增益值，所述对应谱段的 倍增增益值与对应谱段的量子效率积分值成反比；设定对应谱段的光谱波长为λ_i～λ_i+1，i的 取值范围在0≤i＜n之间，量子效率变量为η，则对应谱段的倍增增益值A为：

式中k为系数，范围在0.1～100之间。

本发明基于拼接多条线阵图像传感器的思想提出了一种多通道EMCCD成像光谱仪的实 现方法。每条线阵图像传感器接收不同谱段的物理信息，把原来要求很高的帧转移时间转换 为了较低的行转移时间；把每条线阵图像传感器内产生的图像经电子倍增后再输出以提高多 谱段信号的信噪比；每条线阵图像传感器根据该谱段内的量子效率来设置倍增增益值，使各 谱段输出信号幅度保持一致，提高了各谱段输出信号的均匀性，增加了整体的动态范围。

本发明的有益效果：一、本发明取消了采用运动补偿方式来增加积分时间，缩小了体积 和重量，去掉了运动部件增加了航天应用的可靠性；

二、本发明根据不同的谱段的量子效率来选择不同的倍增增益，提高了各谱段输出信号 的均匀性，增加了整体的动态范围；

三、本发明通过多通道把高速的帧频转换为了同频的行频，从而降低了转移时钟；

附图说明

图1为现有成像光谱仪结构框图；

图2为本发明所述的基于多通道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法中成像光谱仪的结 构示意图；

图3为本发明所述的基于多通道EMCCD的星载成像光谱仪实现方法EMCCD的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2和图3说明本实施方式，基于多通道EMCCD的星载成像光 谱仪实现方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、光信号经望远镜光学系统进入光谱仪光学系统后经多通道EMCCD输出；

首先规定成像光谱仪的传感器为面阵传感器结构，其列数也就是传感器每行的最小像元 数n_mini根据公式：确定；成像光谱仪的传感器最小行数等于成像光谱仪的谱段数 n_谱段；成像光谱仪的传感器每行输出的信号采用m个通道同时读出，成像光谱仪的传感器总 的输出通道数p_通道由公式m×n_谱段＝p_通道决定；式中，n_mini为传感器每行的最小像元数，D_A为 幅宽，δ为地面像元分辨率，p_通道为成像光谱仪的传感器总的输出通道数，n_谱段为成像光谱 仪的谱段数，m为大于0的正整数；

步骤二、然后根据成像光谱仪传感器不同行对应不同谱段的量子效率不同，选择对应谱 段的倍增增益值，所述倍增增益值与该谱段的量子效率积分值成反比；设对应谱段的光谱波 长为λ_i～λ_i+1（0≤i＜n），量子效率变量为η，则对应谱段的倍增增益值A为：

式中k为根据具体的应用环境来确定系数，范围在0.1～100之间；

本实施方式中的EMCCD的电荷转移是每各谱段都通过独自的一个或多个倍增通道，而 不是传统的把所有行信号都通过相同的单个或多个通道输出。

本实施方式所述的望远镜光学系统为离轴三反光学系统；光谱仪光学系统为光栅色散系 统。