干涉光谱仪进行目标探测的仿真研究

　　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。