李建偉，危 峻，李 雪，劉寶麗，馮 鑫

?

應用于二類水體大氣校正的短波紅外推掃成像系統(tǒng)設計

李建偉，危 峻，李 雪，劉寶麗，馮 鑫

（上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

為了對近海渾濁的二類水體水色遙感進行大氣校正，采用國產(chǎn)800×2短波紅外InGaAs探測器、窄帶濾光片和透射式像方遠心光學系統(tǒng)研制了1.232～1.252mm和1.630～1.654mm雙波段短波紅外推掃成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)具備在軌注入工作參數(shù)的能力，可靈活調(diào)節(jié)成像工作模式。經(jīng)測試，雙波段線陣短波紅外成像系統(tǒng)的MTF、信噪比以及光譜響應均達到較高性能，有望提供一種有效的二類水體大氣校正手段。

800×2元線列；InGaAs；短波紅外；二類水體；大氣校正

0 引言

水色（water color）是由水中的浮游生物（葉綠素）、無機懸浮物和有機黃色物質(zhì)的存在所形成。這3個水色要素濃度的變化導致水體光學性質(zhì)隨之變化，主要表現(xiàn)為水體的散射和吸收信號的變化，即水體離水輻射的變化。通過衛(wèi)星上裝載的水色傳感器設法獲取離水輻射以后，根據(jù)生物光學等算法可以量化出葉綠素和其它成分的濃度，從而探測出水體表層的物質(zhì)組成[1]。水色遙感可以快速獲取大面積水體組分參數(shù)，探測水體表層的物質(zhì)組成，對于全球碳循環(huán)研究、海洋初級生產(chǎn)力預測、海洋漁業(yè)開發(fā)以及水環(huán)境監(jiān)測具有重要作用[2]。

太陽輻射在太陽-水體目標-傳感器的傳輸過程中，氣體的吸收、氣溶膠與分子的散射這兩種大氣過程影響了獲得的水體反射率信息。忽略白浪以及太陽耀斑的影響，水色傳感器測量到的大氣頂層（TOA）水體反射率可表示為：

t()＝r()＋A()＋()w() (1)

式中：()為大氣透過率；r()、A()和w()分別為大氣分子（瑞利散射）、氣溶膠（包括瑞利-氣溶膠間的散射）以及海水貢獻的反射率[3]。為了獲得攜帶海洋水色信息的離水輻射（w()），必須精確地確定大氣分子和氣溶膠在大氣頂層總輻射中的貢獻。這個去除大氣影響、還原真實離水輻射的過程就是大氣校正。由于水體在可見光和近紅外波段的反射率很低，傳感器接收到的信號只有5%～15%來自水體。因此，利用遙感影像精確反演水體信息，大氣校正是至關(guān)重要的[4]。

1 短波紅外應用于二類水體大氣校正原理

水體按其光學性質(zhì)的不同可劃分為一類水體（case I water）和二類水體（case Ⅱ water）。清潔的大洋開闊水體為一類水體，而與人類關(guān)系最密切、受人類活動影響最強烈的近海、河口、內(nèi)陸湖泊等受陸源物質(zhì)排放影響較為嚴重的渾濁水體為二類水體[5]。

對于一類水體，目前已形成兩類較成熟的業(yè)務化標準大氣校正算法，即NASA的SeaWiFS/MODIS業(yè)務化算法和ESA的MERIS業(yè)務化算法。這兩類算法都基于“暗像元”假設，即用于大氣校正的近紅外（NIR）波段（中心波長＞700nm的波段，SeaWiFS采用765nm和865nm，MODIS采用748nm和869nm，MERIS采用775nm和865nm）離水輻射為0，據(jù)此求出該譜段的大氣特性，并外推至可見光波段。從而將傳感器接收到的總信號中大氣效應和離水輻射分開[6]。

而二類水體組分復雜，一般含有較高濃度的懸浮顆粒物（suspended sediments）和溶解性色素有機物（colored dissolved organic matter），由于水體的散射，造成近紅外譜段的離水信號明顯地大于0（見圖1[7]），原來的假設不再成立，若應用標準的一類水體大氣校正算法會出現(xiàn)“過?！爆F(xiàn)象[2]。

圖1 渾濁泥水與清澈湖水的反射率比較

而水體在短波紅外波段較近紅外波段有更強的吸收，如圖2所示，在865、1000、1240、1640、2130 nm等大氣窗口附近，水體吸收系數(shù)分別為5、36、88、498、2228m－1，這使得短波紅外波段的離水輻射可以認為是0，即使在渾濁的二類水體中仍然成立[8]。

短波紅外雙波段配置應用于二類水體大氣校正，由NOAA的Menghua Wang提出，并利用MODIS上中心波長1.64mm和2.13mm兩個短波紅外（HgCdTe）通道對海洋水色通道進行了大氣校正，獲得了很大成功[8-9]。而InGaAs探測器無需機械制冷，在常溫下即可達到較高靈敏度，因此在空間遙感應用上可大大節(jié)省功耗和重量等資源[10]?？紤]到目前國產(chǎn)短波紅外InGaAs線陣探測器的性能水平，選擇了1.232～1.252mm和1.630～1.654mm兩個探測通道用作二類水體大氣校正通道。

圖2 純水的吸收系數(shù)

2 應用要求及技術(shù)指標

衛(wèi)星平臺軌道高度約為400km，結(jié)合用戶需求，雙波段短波紅外推掃成像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 雙波段短波紅外推掃成像系統(tǒng)主要技術(shù)指標

3 800×2短波紅外InGaAs探測器

由中科院上海技物所自研的800×2短波紅外焦平面探測器如圖3所示。其封裝結(jié)構(gòu)包括窗口、蓋板、濾光片、光闌、800×2元焦平面模塊、過渡電極板、熱電致冷器和金屬管殼等，如圖4所示。

圖3 800×2短波紅外InGaAs探測器實物圖

800×2元焦平面模塊由2條一字形平行排列的InGaAs光敏芯片和讀出電路倒焊而成，通過濾光片實現(xiàn)1.232～1.252mm和1.630～1.654mm波段的響應。光敏芯片采用背照結(jié)構(gòu)，像元大小為25mm×25mm，兩個波段光敏芯片外接口成鏡像關(guān)系，中心距離為1.2mm，如圖5所示。

在工作溫度設定為5℃時，該探測器暗電流≤5pA，讀出噪聲≤800e－，動態(tài)范圍約70dB；采用先積分后讀出的工作模式，最大讀出速率1MHz。

4 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

干涉型窄帶濾光片要求光線垂直入射，當入射角增大時，中心波長會向短波方向移動，帶寬展寬，透過率下降，如圖6所示。采用像方遠心設計可減小各視場主光線在濾光片上的入射角度，避免探測器像面上不同位置的光譜響應曲線出現(xiàn)較大差異，從而保證二類水體大氣校正的精度。由于反射式光學視場較小，所以采用透射式光學鏡頭進行視場拼接以實現(xiàn)42°視場。

為降低暗電流和熱噪聲的影響，通過封裝在金屬管殼中的半導體致冷器為探測器提供5℃或15℃的穩(wěn)定工作溫度，溫控點可在軌設置，缺省值為15℃；采用FPGA進行探測器的時序驅(qū)動和信號采集，具備在軌注入工作參數(shù)的能力，可靈活改變成像系統(tǒng)的工作方式；采用低噪聲放大電路和多次積分累加求平均的方式提高信噪比。

4.1 光學系統(tǒng)設計

短波紅外光學系統(tǒng)主要參數(shù)指標如表2所示，采用像方遠心光路設計，如圖7所示，總共由5塊透鏡組成。第1塊透鏡為熔融石英，以防止空間輻射，保護整個鏡頭。第2塊透鏡是硫化鋅，第3塊透鏡是鍺玻璃，第4塊透鏡是硫化鋅，第5塊透鏡是硒化鋅。透鏡表面全部為球面，以降低光學加工、檢測難度，并保證透鏡的加工精度。

為擴大視場，采用2個完全一致的短波紅外成像模塊進行視場拼接實現(xiàn)42°總視場，如圖8所示。

圖4 800×2元短波紅外焦平面探測器縱截面結(jié)構(gòu)圖

圖5 800×2元光敏芯片排布方式

圖6 1242nm和1642nm濾光片不同入射會聚角下光譜響應

圖7 短波紅外像方遠心光路

表2 短波紅外光學系統(tǒng)主要參數(shù)

圖8 短波紅外雙波段推掃成像模塊裝配圖

4.2 短波紅外成像電子學系統(tǒng)

短波紅外成像系統(tǒng)由2個短波紅外成像模塊視場拼接而成，其電子學系統(tǒng)框圖如圖9所示，主要包括TEC溫控電路、探測器供電電路、FPGA時序電路、低噪聲放大電路等4個模塊。

1）TEC溫控電路

短波紅外探測器自身封裝了半導體致冷器（TEC）以及測溫鉑電阻。為降低探測器暗電流和讀出噪聲，需要對其進行溫度控制。從降低致冷器開關(guān)噪聲的角度考慮，選擇模擬PID溫控方式，如圖10[11]所示。根據(jù)環(huán)境溫度，由指令注入選擇溫控點的高（＋5℃）低（＋15℃）。

圖9 短波紅外成像電子學系統(tǒng)

2）探測器供電電路

探測器正常工作時的電源需求如表3所示。模擬電源和數(shù)字電源要求5V供電，電流為mA級，均方根（RMS）噪聲電壓小于1mV，采用三端穩(wěn)壓器SG7805即可滿足要求；讀出電路偏置電壓VBIAS、讀出電路參考電壓VREF以及探測器偏壓VB18要求均方根噪聲電壓小于100mV，它們的性能是探測器噪聲的主要決定因素，且所需輸入電流近似為0（mA級），所以采用高精度、低噪聲的＋5V基準源AD586經(jīng)電阻分壓來得到3.6V、2.5V和1.8V等3路偏置電源，如圖11所示。本設計中采用AD公司的AD586，其輸出電壓精度為5.000V±2mV，電流負載能力為10mA，電源電壓漂移10ppm/℃，輸出噪聲等效電壓密度為100nV×Hz－1/2。

3）FPGA時序電路

800×2短波紅外探測器驅(qū)動時序如圖12所示，共6個驅(qū)動信號：CLK1、CLK2為驅(qū)動探測器內(nèi)部移位寄存器的時鐘信號，頻率相同，相位相反。讀出頻率為0.5～1.5MHz；RESET高電平控制積分時間，低電平控制讀出時間；SH1、SH2分別控制Vout1和Vout2采樣時間，低電平區(qū)間2個CP；ST為800×2元信號順序讀出出發(fā)脈沖。在ST低電平區(qū)間內(nèi)（0.5個CP），當CLK1上升沿來臨時，開始依次讀出800元信號。CLK1上升沿處于ST低電平1/2位置。此外，Vout1為參考輸出，Vout2為信號輸出。

A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的THS1408，其自帶可編程增益放大器，每秒最多可實現(xiàn)8M次14位轉(zhuǎn)換。上位機通過異步串行通信方式注入探測器的讀出頻率、積分時間、累加次數(shù)以及ADC增益等工作參數(shù)；FPGA根據(jù)注入?yún)?shù)設置ADC增益和工作模式，驅(qū)動探測器，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果進行累加存儲在FPGA內(nèi)部雙口乒乓RAM中；一個成像周期結(jié)束后，從RAM中讀出累加結(jié)果求平均，組幀，進行8bit/10bit轉(zhuǎn)換和并/串轉(zhuǎn)換，通過LVDS接口下傳數(shù)據(jù)包。

由于FPGA的輸出信號是3.3V TTL電平，而探測器需要的驅(qū)動信號是5V CMOS電平，因此，采用總線收發(fā)器CD54HCT244/F3A進行電平轉(zhuǎn)換?？紤]到FPGA上電在前，探測器以及模擬電路上電在后，為防止?jié)撏ǎ捎脦龖B(tài)輸出控制的SN54LVTH16245A用于FPGA輸出時序信號的緩沖器，如圖13所示。SN54LVTH16245A輸出使能端經(jīng)電阻上拉至FPGA的I/O供電電源，保證在FPGA上電配置過程中SN54LVTH16245A的輸出為高阻；FPGA上電配置結(jié)束后，在啟動探測器驅(qū)動時序前保證驅(qū)動信號為低電平輸出。

圖10 模擬PID溫控電路原理框圖

表3 探測器電源需求列表

圖11 探測器偏置電壓電路

圖12 800×2短波紅外探測器驅(qū)動時序

4）低噪聲放大電路

短波紅外探測器低噪聲放大電路由兩級構(gòu)成：輸入級為差動運放，用于消除Vout1和Vout2之間的共模干擾；輸出級為二級放大，進一步調(diào)整增益與ADC輸入電壓匹配。

AD公司的OP467是一款四通道、高速、精密運算放大器，其失調(diào)電壓低于0.5mV，電壓噪聲密度低于6nV×Hz－1/2，總電流低于10mA。采用OP467的兩級低噪聲放大電路如圖14所示，輸入級采用三運放儀表放大器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移的差分放大，實現(xiàn)2倍增益；輸出級為二級運放，增益可調(diào)，不同譜段探測器增益調(diào)節(jié)大小不同，通過定標試驗確定具體增益值。

5 實驗結(jié)果

雙波段短波紅外成像系統(tǒng)雙模塊視場拼接外場成像結(jié)果如圖15（自左至右推掃成像，未去除重疊和均勻性校正），可以看出短波紅外探測通道圖像清晰、層次豐富，具有較高的空間分辨率與探測靈敏度。經(jīng)測試，系統(tǒng)MTF優(yōu)于0.4，光譜定位精度優(yōu)于帶寬的5%。在20%太陽常數(shù)，積分時間5ms，1dB增益，0.625MHz讀出頻率，累加4次求平均的條件下，1.232～1.252mm和1.630～1.654mm兩個通道信噪比均超過1000。

圖13 驅(qū)動時序接口電路圖

圖14 低噪聲放大電路

Fig.14 Low noise amplifier circuit

圖15 雙波段短波紅外成像系統(tǒng)外場成像圖片

6 結(jié)論

根據(jù)二類水體大氣校正需求，設計了雙波段短波紅外推掃成像系統(tǒng)，具備探測器讀出頻率、積分時間、累加次數(shù)、增益設置等工作參數(shù)在軌更新能力，可靈活調(diào)節(jié)成像工作模式。經(jīng)測試，該系統(tǒng)光譜響應、MTF以及信噪比均達到較高性能，有望提供一種有效的二類水體大氣校正解決方案。

[1] 陳淼. 海洋水色衛(wèi)星遙感算法綜述[D]. 青島: 中國海洋大學, 2005.

CHEN Miao. Summarization of algorithms of ocean color remote sensing[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2005.

[2] 潘德爐, 白雁. 我國海洋水色遙感應用工程技術(shù)的新進展[J]. 中國工程科學, 2008, 10(9): 14-24.

PAN Delu, BAI yan. Progress in application of ocean color remote sensing engineering in China[J]., 2008, 10(9): 14-24.

[3] WANG M, TANG J, SHI W. MODIS-derived ocean color products along the China east coastal region [J]., 2007, 34(6): 306-316.

[4] 潘德爐, 王迪峰. 我國海洋光學遙感應用科學研究的新進展[J]. 地球科學進展, 2004, 19(4): 506-512.

PAN Delu, WANG Difeng. Advances in the science of marine optical remote sensing application in China[J]., 2004, 19(4): 506-512.

[5] 任敬萍, 趙進平. 二類水體水色遙感的主要進展與發(fā)展前景[J]. 地球科學進展, 2002, 17(3): 363-371.

REN Jingping, ZHAO Jinping. Progress and prospect of ccean color remote sensing in case II water[J]., 2002, 17(3): 363-371.

[6] 孫凌. 針對HY-1A CCD的大氣修正與水體組分反演[D]. 青島: 中國科學院研究生院(海洋研究所), 2005.

SUN Ling. Atmospheric correction and water components retrieval for HY-1A CCD[D]. QingDao: Institute of Oceanology CAS, 2005.

[7] 趙英時. 遙感應用分析原理與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2013.

ZHAO Yingshi.[M]. Beijing: Science Press, 2013.

[8] WANG M H. Remote sensing of the ocean contributions from ultraviolet to near-infrared using the shortwave infrared bands: simulations[J]., 2007, 46(9): 1535-1547.

[9] WANG M H, SHI W. The NIR-SWIR combined atmospheric correction approach for MODIS ocean color data processing [J]., 2007, 15(24): 15722-15733.

[10] 唐恒敬, 呂衍秋, 張可鋒, 等. 空間遙感用InGaAs短波紅外探測器[J]. 激光與光電子學進展, 2007, 44(5): 42-49.

TANG Hengjing, LYU Yanqiu, ZHANG Kefeng, et al. Short-wavelength infrared InGaAs photodetector for spatial remote sensing[J]., 2007, 44(5): 42-49.

[11] Wavelength Electronics Inc. Optimizing thermoelectric temperature control systems[R/OL]. http://www.teamwavelength.com, 2005/2016.

Design of SWIR Push-broom Imaging System for Case ⅡWater Atmospheric Correction

LI Jianwei，WEI Jun，LI Xue，LIU Baoli，F(xiàn)ENG Xin

(,200083,)

In order to apply atmospheric correction to the turbid coastal case II water, a SWIR dual band push-broom imaging system with response from 1.232 to 1.252mm and 1.630 to 1.654mm is designed and implemented. It consists of a homemade 800×2 InGaAs SWIR FPA, narrow bandpass filter and image telecentric optical system with the ability of on orbit injection of working parameters which can be used to adjust the working mode of the imaging system flexibly. Tests show the imaging system’s MTF, SNR and spectral response are perfect. It’s expected to provide an effective atmospheric correction method for caseⅡwater.

800×2 linear array detector，InGaAs，SWIR，caseⅡwater，atmospheric correction

TN216

A

1001-8891(2016)09-0721-07

2016-01-12；

2016-03-14.

李建偉（1978-），男，博士研究生，主要從事航天遙感儀器信號獲取與處理技術(shù)的研究。E-mail：lijianwei@mail.sitp.ac.cn。

危峻（1972-），男，研究員，主要從事航天遙感儀器總體技術(shù)研究。E-mail：weijun@mail.sitp.ac.cn。