应用于二类水体大气校正的短波红外推扫成像系统设计

李建伟，危 峻，李 雪，刘宝丽，冯 鑫



应用于二类水体大气校正的短波红外推扫成像系统设计

李建伟，危 峻，李 雪，刘宝丽，冯 鑫

（上海技术物理研究所，上海 200083）

为了对近海浑浊的二类水体水色遥感进行大气校正，采用国产800×2短波红外InGaAs探测器、窄带滤光片和透射式像方远心光学系统研制了1.232～1.252mm和1.630～1.654mm双波段短波红外推扫成像系统。该成像系统具备在轨注入工作参数的能力，可灵活调节成像工作模式。经测试，双波段线阵短波红外成像系统的MTF、信噪比以及光谱响应均达到较高性能，有望提供一种有效的二类水体大气校正手段。

800×2元线列；InGaAs；短波红外；二类水体；大气校正

0 引言

水色（water color）是由水中的浮游生物（叶绿素）、无机悬浮物和有机黄色物质的存在所形成。这3个水色要素浓度的变化导致水体光学性质随之变化，主要表现为水体的散射和吸收信号的变化，即水体离水辐射的变化。通过卫星上装载的水色传感器设法获取离水辐射以后，根据生物光学等算法可以量化出叶绿素和其它成分的浓度，从而探测出水体表层的物质组成[1]。水色遥感可以快速获取大面积水体组分参数，探测水体表层的物质组成，对于全球碳循环研究、海洋初级生产力预测、海洋渔业开发以及水环境监测具有重要作用[2]。

太阳辐射在太阳-水体目标-传感器的传输过程中，气体的吸收、气溶胶与分子的散射这两种大气过程影响了获得的水体反射率信息。忽略白浪以及太阳耀斑的影响，水色传感器测量到的大气顶层（TOA）水体反射率可表示为：

t()＝r()＋A()＋()w() (1)

式中：()为大气透过率；r()、A()和w()分别为大气分子（瑞利散射）、气溶胶（包括瑞利-气溶胶间的散射）以及海水贡献的反射率[3]。为了获得携带海洋水色信息的离水辐射（w()），必须精确地确定大气分子和气溶胶在大气顶层总辐射中的贡献。这个去除大气影响、还原真实离水辐射的过程就是大气校正。由于水体在可见光和近红外波段的反射率很低，传感器接收到的信号只有5%～15%来自水体。因此，利用遥感影像精确反演水体信息，大气校正是至关重要的[4]。

1 短波红外应用于二类水体大气校正原理

水体按其光学性质的不同可划分为一类水体（case I water）和二类水体（case Ⅱ water）。清洁的大洋开阔水体为一类水体，而与人类关系最密切、受人类活动影响最强烈的近海、河口、内陆湖泊等受陆源物质排放影响较为严重的浑浊水体为二类水体[5]。

对于一类水体，目前已形成两类较成熟的业务化标准大气校正算法，即NASA的SeaWiFS/MODIS业务化算法和ESA的MERIS业务化算法。这两类算法都基于“暗像元”假设，即用于大气校正的近红外（NIR）波段（中心波长＞700nm的波段，SeaWiFS采用765nm和865nm，MODIS采用748nm和869nm，MERIS采用775nm和865nm）离水辐射为0，据此求出该谱段的大气特性，并外推至可见光波段。从而将传感器接收到的总信号中大气效应和离水辐射分开[6]。

而二类水体组分复杂，一般含有较高浓度的悬浮颗粒物（suspended sediments）和溶解性色素有机物（colored dissolved organic matter），由于水体的散射，造成近红外谱段的离水信号明显地大于0（见图1[7]），原来的假设不再成立，若应用标准的一类水体大气校正算法会出现“过校”现象[2]。

图1 浑浊泥水与清澈湖水的反射率比较

而水体在短波红外波段较近红外波段有更强的吸收，如图2所示，在865、1000、1240、1640、2130 nm等大气窗口附近，水体吸收系数分别为5、36、88、498、2228m－1，这使得短波红外波段的离水辐射可以认为是0，即使在浑浊的二类水体中仍然成立[8]。

短波红外双波段配置应用于二类水体大气校正，由NOAA的Menghua Wang提出，并利用MODIS上中心波长1.64mm和2.13mm两个短波红外（HgCdTe）通道对海洋水色通道进行了大气校正，获得了很大成功[8-9]。而InGaAs探测器无需机械制冷，在常温下即可达到较高灵敏度，因此在空间遥感应用上可大大节省功耗和重量等资源[10]。考虑到目前国产短波红外InGaAs线阵探测器的性能水平，选择了1.232～1.252mm和1.630～1.654mm两个探测通道用作二类水体大气校正通道。

图2 纯水的吸收系数

2 应用要求及技术指标

卫星平台轨道高度约为400km，结合用户需求，双波段短波红外推扫成像系统的主要技术指标如表1所示。

表1 双波段短波红外推扫成像系统主要技术指标

3 800×2短波红外InGaAs探测器

由中科院上海技物所自研的800×2短波红外焦平面探测器如图3所示。其封装结构包括窗口、盖板、滤光片、光阑、800×2元焦平面模块、过渡电极板、热电致冷器和金属管壳等，如图4所示。

图3 800×2短波红外InGaAs探测器实物图

800×2元焦平面模块由2条一字形平行排列的InGaAs光敏芯片和读出电路倒焊而成，通过滤光片实现1.232～1.252mm和1.630～1.654mm波段的响应。光敏芯片采用背照结构，像元大小为25mm×25mm，两个波段光敏芯片外接口成镜像关系，中心距离为1.2mm，如图5所示。

在工作温度设定为5℃时，该探测器暗电流≤5pA，读出噪声≤800e－，动态范围约70dB；采用先积分后读出的工作模式，最大读出速率1MHz。

4 系统总体实现

干涉型窄带滤光片要求光线垂直入射，当入射角增大时，中心波长会向短波方向移动，带宽展宽，透过率下降，如图6所示。采用像方远心设计可减小各视场主光线在滤光片上的入射角度，避免探测器像面上不同位置的光谱响应曲线出现较大差异，从而保证二类水体大气校正的精度。由于反射式光学视场较小，所以采用透射式光学镜头进行视场拼接以实现42°视场。

为降低暗电流和热噪声的影响，通过封装在金属管壳中的半导体致冷器为探测器提供5℃或15℃的稳定工作温度，温控点可在轨设置，缺省值为15℃；采用FPGA进行探测器的时序驱动和信号采集，具备在轨注入工作参数的能力，可灵活改变成像系统的工作方式；采用低噪声放大电路和多次积分累加求平均的方式提高信噪比。

4.1 光学系统设计

短波红外光学系统主要参数指标如表2所示，采用像方远心光路设计，如图7所示，总共由5块透镜组成。第1块透镜为熔融石英，以防止空间辐射，保护整个镜头。第2块透镜是硫化锌，第3块透镜是锗玻璃，第4块透镜是硫化锌，第5块透镜是硒化锌。透镜表面全部为球面，以降低光学加工、检测难度，并保证透镜的加工精度。

为扩大视场，采用2个完全一致的短波红外成像模块进行视场拼接实现42°总视场，如图8所示。

图4 800×2元短波红外焦平面探测器纵截面结构图

图5 800×2元光敏芯片排布方式

图6 1242nm和1642nm滤光片不同入射会聚角下光谱响应

图7 短波红外像方远心光路

表2 短波红外光学系统主要参数

图8 短波红外双波段推扫成像模块装配图

4.2 短波红外成像电子学系统

短波红外成像系统由2个短波红外成像模块视场拼接而成，其电子学系统框图如图9所示，主要包括TEC温控电路、探测器供电电路、FPGA时序电路、低噪声放大电路等4个模块。

1）TEC温控电路

短波红外探测器自身封装了半导体致冷器（TEC）以及测温铂电阻。为降低探测器暗电流和读出噪声，需要对其进行温度控制。从降低致冷器开关噪声的角度考虑，选择模拟PID温控方式，如图10[11]所示。根据环境温度，由指令注入选择温控点的高（＋5℃）低（＋15℃）。

图9 短波红外成像电子学系统

2）探测器供电电路

探测器正常工作时的电源需求如表3所示。模拟电源和数字电源要求5V供电，电流为mA级，均方根（RMS）噪声电压小于1mV，采用三端稳压器SG7805即可满足要求；读出电路偏置电压VBIAS、读出电路参考电压VREF以及探测器偏压VB18要求均方根噪声电压小于100mV，它们的性能是探测器噪声的主要决定因素，且所需输入电流近似为0（mA级），所以采用高精度、低噪声的＋5V基准源AD586经电阻分压来得到3.6V、2.5V和1.8V等3路偏置电源，如图11所示。本设计中采用AD公司的AD586，其输出电压精度为5.000V±2mV，电流负载能力为10mA，电源电压漂移10ppm/℃，输出噪声等效电压密度为100nV×Hz－1/2。

3）FPGA时序电路

800×2短波红外探测器驱动时序如图12所示，共6个驱动信号：CLK1、CLK2为驱动探测器内部移位寄存器的时钟信号，频率相同，相位相反。读出频率为0.5～1.5MHz；RESET高电平控制积分时间，低电平控制读出时间；SH1、SH2分别控制Vout1和Vout2采样时间，低电平区间2个CP；ST为800×2元信号顺序读出出发脉冲。在ST低电平区间内（0.5个CP），当CLK1上升沿来临时，开始依次读出800元信号。CLK1上升沿处于ST低电平1/2位置。此外，Vout1为参考输出，Vout2为信号输出。

A/D转换器采用TI公司的THS1408，其自带可编程增益放大器，每秒最多可实现8M次14位转换。上位机通过异步串行通信方式注入探测器的读出频率、积分时间、累加次数以及ADC增益等工作参数；FPGA根据注入参数设置ADC增益和工作模式，驱动探测器，实现A/D转换，并将转换结果进行累加存储在FPGA内部双口乒乓RAM中；一个成像周期结束后，从RAM中读出累加结果求平均，组帧，进行8bit/10bit转换和并/串转换，通过LVDS接口下传数据包。

由于FPGA的输出信号是3.3V TTL电平，而探测器需要的驱动信号是5V CMOS电平，因此，采用总线收发器CD54HCT244/F3A进行电平转换。考虑到FPGA上电在前，探测器以及模拟电路上电在后，为防止潜通，采用带三态输出控制的SN54LVTH16245A用于FPGA输出时序信号的缓冲器，如图13所示。SN54LVTH16245A输出使能端经电阻上拉至FPGA的I/O供电电源，保证在FPGA上电配置过程中SN54LVTH16245A的输出为高阻；FPGA上电配置结束后，在启动探测器驱动时序前保证驱动信号为低电平输出。

图10 模拟PID温控电路原理框图

表3 探测器电源需求列表

图11 探测器偏置电压电路

图12 800×2短波红外探测器驱动时序

4）低噪声放大电路

短波红外探测器低噪声放大电路由两级构成：输入级为差动运放，用于消除Vout1和Vout2之间的共模干扰；输出级为二级放大，进一步调整增益与ADC输入电压匹配。

AD公司的OP467是一款四通道、高速、精密运算放大器，其失调电压低于0.5mV，电压噪声密度低于6nV×Hz－1/2，总电流低于10mA。采用OP467的两级低噪声放大电路如图14所示，输入级采用三运放仪表放大器结构，实现高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的差分放大，实现2倍增益；输出级为二级运放，增益可调，不同谱段探测器增益调节大小不同，通过定标试验确定具体增益值。

5 实验结果

双波段短波红外成像系统双模块视场拼接外场成像结果如图15（自左至右推扫成像，未去除重叠和均匀性校正），可以看出短波红外探测通道图像清晰、层次丰富，具有较高的空间分辨率与探测灵敏度。经测试，系统MTF优于0.4，光谱定位精度优于带宽的5%。在20%太阳常数，积分时间5ms，1dB增益，0.625MHz读出频率，累加4次求平均的条件下，1.232～1.252mm和1.630～1.654mm两个通道信噪比均超过1000。

图13 驱动时序接口电路图

图14 低噪声放大电路

Fig.14 Low noise amplifier circuit

图15 双波段短波红外成像系统外场成像图片

6 结论

根据二类水体大气校正需求，设计了双波段短波红外推扫成像系统，具备探测器读出频率、积分时间、累加次数、增益设置等工作参数在轨更新能力，可灵活调节成像工作模式。经测试，该系统光谱响应、MTF以及信噪比均达到较高性能，有望提供一种有效的二类水体大气校正解决方案。

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

LI Jianwei，WEI Jun，LI Xue，LIU Baoli，FENG 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.

李建伟（1978-），男，博士研究生，主要从事航天遥感仪器信号获取与处理技术的研究。E-mail：lijianwei@mail.sitp.ac.cn。

危峻（1972-），男，研究员，主要从事航天遥感仪器总体技术研究。E-mail：weijun@mail.sitp.ac.cn。