[发明专利]基于电子倍增的超光谱成像系统

说明书

基于电子倍增的超光谱成像系统，涉及航天应用的光谱成像技术领域，解决现有光谱成像系统采用摆镜增加了系统的体积和重量，且获取图像不连续以及受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，信噪比受到较大制约的问题。本发明将超高速电子倍增与成像光谱有机结合，构建基于电子倍增的超光谱成像系统，取消摆镜的使用；通过建立基于电子倍增的超光谱成像系统信噪比模型；根据入射的光谱能量范围、电子倍增器件输出信号的幅度、视频处理器的最大输入信号幅度、量化位数等，设置最佳的模拟增益、电子倍增增益以提高光谱信号的信噪比，克服电子倍增增益与电子倍增附加噪声因子之间的矛盾。

技术领域

本发明涉及航天应用的光谱成像技术领域，具体涉及一种基于电子倍增的超光谱成像系统。

背景技术

由于成像光谱仪将景物像元的信息分成几十乃至上百个光谱通道，从而使得焦平面阵列探测器每个像元所接受到的能量大为降低，直接导致信噪比严重下降，在高空间分辨率(优于30m)的条件下成像光谱仪信噪比往往无法满足实际应用需求。成像光谱仪对地面目标推扫成像时，由于飞行器飞行速度很高，探测器上每个像元接收地面目标辐射的时间(积分时间)很短，当地面目标较暗时，探测器的信噪比将很低。例如，在轨道高度H＝400km时，飞行速度V＝6.878km/s，地面像元分辨力δ＝10m时，探测器每个像元积分时间只有1.45ms，探测器帧频将高达687.8fps。根据信噪比方程，要获得更高的信噪比，在系统的光学参数和探测器都确定的情况下，只有通过增加积分时间来实现。在成像光谱仪望远镜前端设置扫描镜进行运动补偿是增加积分时间的有效方法之一，美国的高分辨率成像光谱仪(HIRIS),沿海海洋成像光谱仪(COIS)等成像光谱仪均采用了该方法增加积分时间以提高信噪比。

超光谱成像在高空间分辨率下帧速率高、信噪比低，现今多采用摆镜降低应用要求，增加了体积和重量，获取图像不连续，且运动部件降低了航天可靠性。光谱成像系统的应用效果非常依赖获取的图像信噪比。但在低照度条件下，特别是高空间分辨率下超光谱成像领域，受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。由于光谱成像包含了空间和光谱两维信息，不能使用TDI模式解决光能量弱问题。

发明内容

本发明为解决现有光谱成像系统采用摆镜增加了系统的体积和重量，且获取图像不连续以及受入射光能量、积分时间、光谱分辨率以及分光元件透过率的影响，信噪比受到较大制约的问题，提供一种基于电子倍增的超光谱成像系统。

基于电子倍增的超光谱成像系统，包括光学系统、EMCCD传感器、预放器、视频处理器和数据处理器，地面景物光线经大气及光学系统成像在EMCCD传感器上的不同像元上，所述EMCCD传感器获得光学系统狭缝上各点的光谱图像信息，光谱图像信息经视频处理器和数据处理器处理后输出数字光谱图像数据；设定所述超谱成像系统的信噪比模型，根据输入的光谱能量大小，选择相应的电子倍增增益，具体为：

根据量化值对应等效输出电压V_o，获得总噪声的方差；总噪声的迭加遵循独立误差合成原理，所述总噪声的方差用下式表示为：

式中，F为电子倍增过程产生的额外噪声因子，G为电子倍增过程产生的增益，k_op为预放器的放大倍数，k_agc为视频处理器的成像增益，σ_s为霰粒噪声方差，σ_d为暗电流噪声方差，σ_CIC为时钟诱导噪声方差，σ_smear为smear引起的噪声方差，σ_re为读出噪声方差，σ_qua为量化噪声方差，σ_transfer为光生电荷在整个转移过程中受电源及驱动信号影响产生的噪声方差；

根据总噪声方差公式，获得超光谱成像系统电子倍增增益的成像信噪比，用下式表示为：