一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统及方法

本发明涉及高光谱成像，尤其涉及一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统及方法。

背景技术：

1、高光谱成像技术能够获取目标连续的光谱曲线，相对于仅能获取离散波段数据的多光谱成像技术，可提取更丰富的目标指纹特征，在地物分类、目标识别等领域具有显著优势。以工作平台划分，高光谱成像主要有星载和机载两种实现形式，其中星载方式观测范围大，可实现全球覆盖，且无需进入他国领空。

2、目前，国内外已发展了多种星载高光谱成像系统。

3、中国天宫一号高光谱成像仪采用复合棱镜分光技术以提高光能利用率，并引入指向镜运动补偿机制以延长积分时间。该成像仪可见近红外（visible near infrared ，vnir）波段空间分辨率为10m，光谱分辨率约10nm，幅宽10km；短波红外（short waveinfrared ，swir）波段空间分辨率为20m，光谱分辨率约23nm，幅宽10km。该系统的空间分辨率处于10m量级，光谱分辨率尚未达到5nm。

4、星载高光谱陆地与海洋观测任务（spaceborne hyperspectral applicativeland and ocean mission，shalom）依托敏捷卫星平台，将积分时间提升至常规模式的4倍，并配置大口径、小f数光学系统。其空间分辨率优于10m，幅宽大于10km，光谱覆盖0.4-2.5μm，光谱分辨率10nm。该系统在1m级空间分辨率与5nm级光谱分辨率方面仍有不足。

5、法国高分辨率高光谱成像仪（hyperspectral x imagery，hypxim）基于敏捷卫星平台研制，前置望远系统采用三反结构，分光系统采用棱镜色散方案。系统幅宽16km，空间分辨率8m，光谱覆盖0.4-2.5μm，光谱分辨率10nm。该系统的空间分辨率未突破5m，光谱分辨率未达到5nm。

6、美国tacsat-3卫星搭载的先进战术响应型军用成像光谱仪（advancedresponsive tactically effective military imaging spectrometer，artemis），前置望远系统采用两反结构，分光系统基于offner凸面光栅架构。该系统空间分辨率达4m/5m，光谱覆盖0.4-2.5μm，光谱分辨率5nm。由于紫端波段衍射效率较低，该系统的信噪比受限于此，图像质量受到影响，空间分辨率未实现1m级突破。

7、中国北京三号b星基于增强型敏捷卫星平台cast3000e，其主载荷天舒相机实现了全色分辨率0.5m、多光谱分辨率2m、幅宽11km的性能指标。该卫星具备米级空间分辨率优势，但由于采用多光谱成像机制，仅配置离散光谱区间，无法获取连续高光谱曲线，不能满足高光谱遥感对精细光谱信息的需求。

8、由上述分析可知，现有星载成像系统在高空间分辨率与高光谱分辨率之间存在难以兼顾的问题：具备高光谱成像能力的系统，其空间分辨率多在米级以上；具备米级空间分辨率的系统，则受限于多光谱机制，无法获取连续光谱信息。在传统推扫成像模式下，受信噪比和探测器帧频的制约，同时实现1m级空间分辨率、5nm级光谱分辨率及高信噪比，对光学系统口径和探测器性能提出了较为苛刻的要求，工程实现难度较大。

9、针对上述问题，本发明提出一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统及方法，通过光纤阵列对前置像面进行重新排布，结合时间延迟积分探测器的信号累加机制，在推帚扫描成像模式下有效提升信噪比，从而以较小的光学系统口径兼顾高空间分辨率与高光谱分辨率的成像需求。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统及方法，用于解决现有技术中高空间分辨率与高光谱分辨率难以兼顾、信噪比不足的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统，包括：

3、前置望远系统，用于收集地面景物的光束并将地面景物成像于前置像面；所述前置望远系统包括分束器，所述分束器将所述光束分为可见近红外波段和短波红外波段；

4、入射端微透镜阵列，包括第一入射端微透镜阵列和第二入射端微透镜阵列，用于提高光纤阵列填充系数；

5、光纤阵列，包括第一光纤阵列和第二光纤阵列，分别通过所述第一入射端微透镜阵列和所述第二入射端微透镜阵列承接对应波段的前置像面的图像，并对各自图像进行重新排布后形成多条光纤狭缝；

6、出射端微透镜阵列，包括第一出射端微透镜阵列和第二出射端微透镜阵列，用于修正光纤出射光束的焦比；

7、分光系统，包括第一分光系统和第二分光系统，分别通过所述第一出射端微透镜阵列和所述第二出射端微透镜阵列接收从对应多条光纤狭缝出射的光束并进行分光，并形成光谱像面；

8、时间延迟积分探测器，包括第一时间延迟积分探测器和第二时间延迟积分探测器，分别设置于所述第一分光系统和所述第二分光系统的光谱像面处，各自具有多个光敏面区域，所述多个光敏面区域分别与对应多条光纤狭缝相对应，用于通过时间延迟积分对信号电子进行累加，输出高信噪比光谱图像数据。

9、优选地，所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列各自包括依次连接的密排阵列、光纤传像束和光纤狭缝组；所述密排阵列用于承接所述前置像面的图像；所述光纤传像束用于将所述密排阵列接收的图像传递至所述光纤狭缝组并进行重新排布；所述光纤狭缝组由经重新排布形成的所述多条光纤狭缝组成。

10、优选地，所述密排阵列中的光纤在穿轨方向排列为多列，在沿轨方向排列为多行；对应时间延迟积分探测器的积分级次等于所述密排阵列的沿轨方向行数。

11、优选地，所述密排阵列的各列被划分为多个组；在所述光纤狭缝组中，同一组内的各列光纤间隔排布，间隔的距离不小于单列光纤经所述分光系统后所形成的光谱像面在色散方向上的宽度，不同组中处于相同序位的列的光纤组合形成同一条光纤狭缝。

12、优选地，同一组内的各列光纤在所述光纤狭缝组中的排布位置对应于所述时间延迟积分探测器的同一光敏面区域；所述时间延迟积分探测器的相邻光敏面区域之间具有物理间隔。

13、优选地，所述第一入射端微透镜阵列和所述第二入射端微透镜阵列为正方形密排微透镜阵列；所述第一出射端微透镜阵列和所述第二出射端微透镜阵列各自包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜将光纤出射光束准直为平行光束并将纤芯成像于中间光瞳面，所述第二透镜将平行光束聚焦至像方焦平面，通过调控第一透镜与第二透镜的焦距比实现对光纤出射焦比的调控。

14、优选地，所述第一时间延迟积分探测器和所述第二时间延迟积分探测器各自由多块探测器拼接而成，每块探测器包含多个光敏面区域。

15、优选地，所述第一分光系统和所述第二分光系统各自形成的所述光谱像面，在色散方向上一端为长波谱线，另一端为短波谱线。

16、优选地，所述前置像面具有沿轨方向的像面移动方向，所述时间延迟积分探测器具有电荷累加方向，所述像面移动方向与所述电荷累加方向一致。

17、本发明实施例还提供了一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像方法，该方法采用上述所述的一种基于时间延迟积分的星载高光谱成像系统，具体包括：

18、s1、通过前置望远系统收集地面景物的光束，经分束器将所述光束分为可见近红外波段和短波红外波段，并分别成像于对应的前置像面；

19、s2、对应每个波段，通过入射端微透镜阵列后，由光纤阵列承接对应前置像面的图像，并对所述图像进行重新排布后形成多条光纤狭缝；

20、s3、通过出射端微透镜阵列接收从所述多条光纤狭缝出射的光束，以所述多条光纤狭缝作为分光系统的入射狭缝进行分光，并形成光谱像面；

21、s4、通过时间延迟积分探测器接收所述光谱像面，所述时间延迟积分探测器具有多个光敏面区域，所述多个光敏面区域分别与对应多条光纤狭缝相对应，对信号电子进行时间延迟积分累加，输出高信噪比光谱图像数据。

22、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

23、本发明通过光纤阵列对前置像面进行重新排布，结合时间延迟积分探测器对信号电子的多次累加，有效提升系统信噪比，使米级口径光学系统即可实现1m级空间分辨率的高光谱成像；在推帚扫描模式下实现连续不间断成像，兼顾高空间分辨率与高光谱分辨率；通过入射端微透镜阵列和出射端微透镜阵列分别提高光纤阵列填充系数和修正光纤出射焦比，减少光能损耗，保障系统的高信噪比成像性能；数据处理简单，可应用于城市环境遥感、海岸带环境监测及国防应用领域。