摘要:根据干涉超光谱仪的数据获取模型,提出一种以能量传输为路径的仿真方法,对干涉光谱仪的原理模块进行分析,进而研究各数据获取环节仿真算法与模型,其中考虑了模型中的各种可能影响仿真结果的噪声因素,包括探测器的响应的不一致性等等。然后采用MATLAB进行编程仿真,并针对仿真的结果进行分析。计算机仿真采用各种不同的输入进行实验。由仿真的结果可以知道,仿真模型具有足够的准确性,能够为工程仪器的研制提供理论依据。
1 引言
干涉成像光谱技术可以同时获得两维空间信息和一维的光谱信息,同时具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点,已成为空间对地侦察的重要光学遥感器,在灾害监视,生态环境长期监测,作物长势与估产,资源探测等方面有着重要的应用价值[1]。由于成像光谱技术是一项融光学,光谱学,电子技术,计算机技术及精密机械于一体的高新科技,因此从原理样机到真正的工程应用,特别是大型环境监测卫星,军事监测卫星的设计,往往是一个长期而耗资巨大的过程。而对地遥感成像可视化仿真的理论及实现方法研究,不论在民用还是军事领域,都有着强烈的要求和应用背景。在仪器使用前能够更全面,准确了解仪器工作状态,衡量仪器性能指标,发现仪器的潜在设计缺陷等方面,有着积极的指导意义,能够大大提高应用仪器的科研效率。
目前国内关于干涉型成像光谱仪仿真方面的研究还很少,而本文所要讲述的仿真是基于Sagnac型干涉超光谱成像仪而建立的,其仿真模型建立的原理是数据的获取流程的动态仿真,即是从目标背景,大气辐射传输,遥感平台,遥感器工作状态及数据传输等方面进行仿真的。
2 系统模型建立
对于专业遥感仿真而言,不光要考虑目标源和外界影响因素,例如三维场景,自然光照明,大气辐射特性等等一些基本数学建模问题,还应考虑光谱响应特性和空间信息传递特性在内的传感器系统综合响应等数学建模问题[2]。考虑到上述要求,开发了基于MATLAB的干涉光谱仪的数据获取动态仿真,以及用VC++软件来实现,以便和其他软件进行兼容。首先考虑的是用于仿真的目标源的选取,而实验中,主要采用标准辐射度计对室内模拟太阳采集的数据作为输入目标,还有为了便于以后软件的兼容,采用MODTRAN软件仿真得到天空漫反射强度作为目标本身辐射特征进行实验。
干涉超光谱仪数据获取与传输是一个十分复杂的过程,包括电磁辐射与目标,大气介质的相互作用,还包括信号在传感器内部光电转换的全过程,光谱仪是其中最主要的部分。当光学信号在光谱仪中传输时,其传输路径以及能量的计算方法都是以后进行仿真的根据。
Sagnac型光谱仪原理图如图1[3]:
在仿真时可以将其分成三个模块:前置光学成像模块,干涉分光模块和探测器响应模块,在仿真模型的建立前期,分别对这三个模块进行原理读取,参数输入等步骤进行仿真。由于大气模型的复杂性,为了简单起见,用标准辐射度计接收到的光谱信号和MODTRAN中仿真得到的光谱信号直接作为仿真系统的输入。
根据上述的步骤,可以简单建立干涉超光谱仪的数据获取仿真的简化模型示意图如图2。
2. 1 仿真步骤
在遥感传感器中的辐射度学计算中,辐亮度是一个及其重要的参数。因为在几何光学范围内,沿各向同性介质中传播的光线是守恒的[4][5]。更为普遍的是,基本辐亮度甚至在通过介质间的界面时也是守恒的,从而可以追迹几何光线去追踪辐射的传输过程。下图即为从辐射源到像的辐射功率传输示意图。
2. 1·1 前置成像模块
前置光学系统成像模块的输入为光谱仪入瞳处的m×1维(m为面阵探测器像元的列数)光谱辐亮度Lum(λ)(注:在软件中Lum(λ)为波长的函数,为具有一定长度的一维数组),则狭缝处的光谱辐照度为Eqm(λ)[4][5],单位为:W /m2:
2.1·2 干涉分光成像模块
干涉分光成像模块的输入是狭缝处的辐射能通量qm(λ)[4][5][6],其作用等效于将狭缝剪切为能量减半的虚狭缝。剪切后每个虚狭逢的辐射能通量为hm(λ)表示为: (τh表示横向剪切干涉仪的透过率):
2.1·3 探测器响应模块
由于探测器对不同的波段的光线能量响应程度不一致,即探测器的光谱响应曲线R,并且传感器内部的杂散辐射对探测器平面形成的均匀辐射C,关于这方面的文章很多,这里不详细介绍了。因此探测器上的光谱能量大小为:
2. 2 系统仿真的判别
而为了判断一个系统模型建立的好坏,需要用某一特定的方法来评价它。在这里我们主要采用的评价参数为干涉图的相对偏差σ。假定I(x)为由系统仿真后得到的干涉曲线,而I1(x)为干涉光谱仪得到的干涉曲线。因此规定干涉图的相对偏差σ的定义如下: (此处nΔx为在第n个探测器像元上的光程差)
3 计算机仿真
将要仿真的Sagnac型干涉光谱仪的参数如下,傅氏镜的f数为5·07,各光谱的光学透过率τo相同,且τo=0. 38,探测元的面积d=18×18μm2,单元狭缝的面积为0·028mm2,探测器零光程差位置为28,探测器空间方向的像元数为512,光谱方向的像元数为256,光谱范围为450~950·55nm,入射光的方位角为0度。本实验用一个标准辐射度计来测量物体的辐射强度,并将数据输出用文本文档储存,作为系统仿真的输入,同时用傅立叶变换干涉光谱仪所采集的数据作为实验结果,与系统仿真的结果相比较。
3. 1 仿真图像的评价
为了说明系统仿真质量的好坏,主要从以下两个方面进行了判断,一是采用室内模拟小太阳的能量辐射数据,另外是采用室外推扫的彩色布条的能量辐射数据,具体示意图如下。
3. 1·1 实验一
图4为同时采集室内模拟太阳的辐射数据后,仪器采集的干涉图和仿真得到的干涉图对比。根据上面的评价方法,此干涉图的相对误差为1·44%;图5同样是根据室内模拟太阳的辐射数据来进行仿真的,只不过在仿真的过程中未考虑像元间的不均匀性,此时与仪器采集的干涉图对比,此干涉图的相对误差为2·54%。
系统的仿真是一个很繁琐的问题,为了尽可能地使仿真结果与实验结果想符合,应考虑每一个细小的细节。本系统充分考虑到了噪声模块中可能带来更大误差的因素,因此在仿真系统中予以修正,比如说暗电流的影响, CCD探测器响应的不均匀性以及圆形光栏影响因子等等。根据上面的实验,可以得出此仿真系统的原理模型正确,充分考虑了现实实践中的大量影响因素,因此是一个良好的仿真系统。
3. 1·2 实验二
图6是室外推扫彩色布条中棕色布条所对应的能量辐射数据;图7为干涉光谱仪和采用建立的仿真系统后得到的干涉曲线,此干涉图的相对误差为3·66%。
由上面的图示可知,仪器采集得到的干涉图和仿真得到的干涉图间的相对误差比较小,这说明系统模型能够对一般事物的仿真,且仿真的结果令人满意,因此该仿真系统的建立合乎我们要求。
3·2 太阳辐射的仿真
采用从MODTRAN中仿真得到太阳辐射图像,然后导出其中的辐射能量数据,输入到仿真系统中,得到干涉曲线。图8为MODTRAN中仿真得到的太阳辐射数据,并将其作为我们仿真系统的输入;图9则为根据此系统仿真后得到的干涉图。
根据仿真结果可以看出,由于仿真模型建立的正确性,因此能够保证一个良好的整体仿真结果,但由于该模型的不够成熟,且在数据的输入上,仅仅从上万个数据中的几百个数据作为输入源,因此仿真的细节部分难以让人满意,这些将在以后的研究中继续完善.
4 结论
从上面的仿真结果可以看出,模型的仿真原理正确,且能够较好地满足我们的要求,为以后建立更好的仿真平台打下了基础,但其中还是有很多不足的地方,以及没有能够仔细考虑到的地方。比如说不能够满足复杂情形下的仿真,以及输入参数单一等等问题。而解决这个问题需要对系统模型作进一步的分析,比如可以把系统中的一些关键参数同时作为系统的输入,并且要求仿真结果能够随着各种参数的变化作出正确的响应。但总的来说,该仿真模型的建立一方面与干涉光谱仪的成像基理相吻合,有一定的应用价值。
参考文献:
[1] 吴航行,等.傅立叶变换光谱仪中干涉信号的畸变[J].红外技术, 2004-7, 26: 25-30.
[2] 王刚,禹秉熙.基于图象仿真的对地遥感过程科学可视化研究[J].系统仿真学报, 2002, 12(6): 756-760.
[3] 袁艳.成像光谱理论与技术研究[D].中国科学院西安光机所博士学位论文, 2005·43-46.
[4] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社, 2003-3·64-74.
[5] 韩心志,焦世举.航天光学遥感辐射度学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1994-12.
[6] 吴北婴,等.大气辐射传输实用算法[M].北京:气象出版社, 1998.
[作者简介]
胡 亮(1984·1- ),男(汉族),湖北大冶人,中国科学院西安光学精密机械研究所,硕士生,专业:光学工程,研究方向:干涉光谱仪的理论研究及其系统仿真。
黄 旻(1976·9-),男(汉族),安徽人,博士生,副主任,副研究员,研究方向:干涉光谱仪的理论研究及其数据处理。
周锦松(1977·5-),男(汉族),湖北武穴人,博士生,助理研究员,研究方向:图象处理与计算机软件。
刘 辉(1982·6-),男(汉族),湖北株洲人,硕士生,研究方向:图像处理与目标识别。
