推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

摘要：

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法.不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化.这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益.其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传.地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值.由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义.通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型.基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率.结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5mW·cm-2·μm-1·sr-1以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05mW·cm-2·μm-1·sr-1即可保证正常读出的概率大于99.6％.随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大.根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化.最后,利用宽波段成像光谱仪(W IS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点.根据噪声模型对中心波长为0.443μm的光谱图像添加1～3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响.结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB.该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和.成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考.

关键词：遥感、推扫式光谱成像、逐像元、多挡增益、系统仿真

所属期刊栏目：42

分类号：TH744(仪器、仪表)

资助基金：国家自然科学基金11573049

在线出版日期：2022-06-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：1922-1927