可见近红外波段光谱辐射采集系统的设计与应用

周安萌，刘恩超，李 新，郑小兵

(1.中国科学院 安徽光学精密机械研究所，中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026)

引言

随着“十二·五”阶段越来越多的光谱卫星遥感器的发射，卫星遥感器的场地定标对光谱辐射观测仪器也提出了更高的需求[1]。为满足野外辐射测量仪器的数据采集精度与可靠性需求，本文研制了一套可见近红外波段的光谱辐射测量电路系统，该系统的成功研制可以应用到光谱辐射测量模块并直接用于野外辐射测量仪器中，为卫星遥感器场地定标的辐射测量仪器的研制提供了技术基础。

国外光谱仪技术发展较为成熟，已成功研制了一些高性能的仪器，如日本的MS-700DNI太阳辐射计用于350 nm～1 050 nm波段太阳直射光谱辐射量的室外连续观测，美国的OL756是一款高精度、紫外到近红外波段的便携式光谱辐射仪[2]，可以在实验室或野外实现高精度的光谱辐射测量，美国的SVC是手持便携式光谱分析仪[3]，可以实现350 nm～2 500 nm的辐亮度观测。但这些设备价格高、采购周期长、技术固定，不适于满足国内技术需求的应用。而国内的光谱仪器还是以线阵CCD为探测器件进行设计[4]，这种技术虽然已经成熟，但是其可靠性、温度稳定性、精度上不适用于在野外的高低温环境下进行高精度观测。在分析了国外仪器的工作指标与性能以及国内仪器的技术后，设计了应用于野外辐射测量的光谱辐射测量系统，可以满足太阳反射谱段场地定标的地表特性观测。

根据野外仪器的工作环境与需求，选用高精度、低温漂的线阵传感器，并设计了基于STM32的驱动与数字化系统，保证观测性能的基础上简化了硬件与软件控制方面的工作。探测器输出信号经过仪表放大器电路处理后，由STM32内部的A/D转换器采集。最后针对整个电路系统的性能进行了数据分析，并给出了野外辐射测量的应用及比对结果。

1 探测器辐射采集系统设计

探测器辐射采集系统主要由线阵探测器、主控电路、模拟信号处理电路与电源部分组成，设计总体框图如图1所示。辐射采集系统以线阵探测器为核心，采用微处理器STM32F103作为主控芯片完成驱动信号的生成和控制功能。探测器的辐射输出经过模拟信号处理电路后，由微处理器进行采集，并将采集结果发送到上位机，电源为各部分工作提供所需电压。

图1 辐射测量系统电路设计

1.1 线阵传感器工作原理

利用线阵传感器实现可见近红外波段的野外辐射测量，要求线阵传感器的光谱范围、像元尺寸、工作环境能够满足工作辐射观测、分辨率方面的要求。系统中选用了线阵图像传感器S3924-512Q，表1给出了其性能参数[5]。

表1 线阵传感器性能参数

1.2 线阵传感器驱动设计

线阵传感器S3924-512Q工作时需要4路驱动时钟信号供电荷产生、转移和读出，其中包括移位脉冲φ1、φ2，转移脉冲φst，复位脉冲RESET。φst为低电平时，探测器进行光积分，此阶段不发生电荷转移。φst为高电平时，探测器将光积分转移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2作用下将电荷逐位移到输出端。在下一个信号到来前，RESET对相元中的残余信号进行清除。传感器时序如图2所示[6]。

图2 线阵传感器驱动时序

采用STM32单片机的高级定时器产生S3924-512Q工作所需的时序驱动。φ、φ2分别由STM32的高级定时器TIM4_Channel1、TIM4_Channel2产生。STM32时钟主频为72 MHz，TIM4工作在PWM2模式，设置TIM4自动重装载寄存器的值为899，输出比较值为449，TIM4_Channel1输出比较极性为低，TIM4_Channel2输出比较极性为高[7]，便可以产生频率为80 kHz，占空比1∶1的两个反相时序波形。Channel1和Channel2的输出信号分别经过74ACT00的两个与非门，并转换为5 V电平后即得到驱动信号φ1、φ2。

RESET由STM32的TIM3_Channel1、TIM3_Channel2产生。由S3924-512Q的驱动信号可以看出，以φ2的信号周期为标准，RESET上升沿在φ2的高电平期间，RESET下降沿在φ2的低电平期间。因此设计中采用定时器的两个通道输出两个占空比不同的脉冲，经过与非门来产生所需信号。TIM3工作在PWM1模式，设置TIM3自动重装载寄存器为899，Channel1和Channel2的比较值分别为240，380，输出比较极性为低。Channel1和Channel2输出信号经过74ACT00与非门，并转换为5 V电平得到驱动信号RESET。

A/D转换触发时序(trigger)通过TIM4_Channel3产生，与NMOS图像传感器输出信号同步，直接输出给STM32配置好外部中断触发的引脚PA_5，用于触发中断，启动A/D转换器采集。STM32高级定时器产生PWM波由KEIL中集成的logic analyzer仿真[8]如图3所示。

图3 STM32高级定时器产生PWM波仿真图

φst配置到引脚PA_10，控制I/O口高低电平翻转产生一个脉冲，使φ2的下降沿落在φst的高电平, PA_10输出信号在经过74ACT00与非门，并转换为5 V电平得到驱动信号φst。STM32产生的驱动信号经过与非门电路后时序图和在时序驱动下S3924-512Q的输出信号图如图4所示。其中ST为转移脉冲，P1、P2为移位脉冲，RS为复位脉冲，AD为触发脉冲，SIGN为线阵探测器输出信号。

图4 线阵传感器驱动时序和输出信号

2 探测器信号处理与采集

2.1 模拟输出信号处理

采用正确的驱动时序提供到S3924-512Q中，可以输出Active Video有效信号和Dummy Video暗电流信号。两路信号具有以下特点：负极性，有限信号幅值小、都叠加在1.26 V直流电压上。鉴于以上特点不能直接送入A/D转换器，必须先从硬件上对其进行一系列预处理，扣除直流本底信号及传感器暗电流引起的噪声，因此系统设计采用AD8220来实现前端的差分和放大功能。AD8220是输入轨至轨输出的仪表放大器，其可调增益范围为1～1 000倍，仅需要通过单电阻来设置[9]。Active和Dummy信号分别送至差分放大器的同相和反相输入端，模拟信号处理电路设计如图5所示。

图5 探测器输出信号预处理电路

S3924-512Q饱和输出电压幅值的典型值为820 mV，AD8220参考电压为2.5 V，因此差分放大电路可设的最大放大倍数G为3倍。设RG是增益调节电阻，则AD8220的增益与调节电阻的关系为

(1)

在图5电路设计中，预留了2个电阻R9、R10组成RG，当放大倍数设定为3时，其阻值大小可设置为49.4 kΩ。

2.2 探测器信号采集

根据S3924-512Q输出信号的特点，电路采样频率需大于200 kHz，最大转换电压为2.5 V，设计中采用了STM32内部12位高速ADC完成模数转换工作[10]，满足测量要求且简化了电路结构。A/D转换触发信号AD与NMOS传感器输出信号SIGN如图6所示。

图6 A/D转换触发信号与输出信号

3 光谱辐射测量系统

光谱辐射测量系统由辐射测量探测器电路系统、平场凹面光栅、入射狭缝、光纤等部分组成，如图7所示。其中辐射测量探测器电路系统为上述设计的结果，平场凹面光栅集分光、汇聚、像差校正于一体[11]，用于将入射狭缝的光色散并汇聚到探测器焦平面上。该设计方法最大化减少了光电器件数量，并具备性能保障，保证了系统在野外工作的可靠性和稳定性。

图7 分光探测结构图

4 辐射采集系统测量分析与应用

4.1 系统观测与性能分析

整个辐射采集系统设计完成后，进行了简单的场景模型测试，如图8所示，测量实验设计场景为探测器在部分遮挡下系统检测光谱数据。当线阵探测器经过以上电路处理后可得到理想的数字信号输出，可通过CAN通信发送到上位机进行分析处理。

图8 实验模型图

图9为上位机接收到的探测器采集的输出波形图，从图中可以看出，输出波形为透光区域的探测器像元采集到的光信号，这与本设计的预期符合。但遮光区域边缘漏光，造成系统采集的光谱在遮光边缘处谱线缓慢的上升或下降。

图9 上位机接收的输出波形图

整个辐射采集系统是利用微处理器STM32内部12位的ADC完成采集，它的参考电压为3.3 V。整个系统在完全遮挡的测量场景下进行工作，所有像元之间的电压偏差如图10所示，可看出系统的量化误差为1 LSB，约为0.8 mV。

图10 探测器采集的量化误差

4.2 光谱采集系统应用

为了实现光谱采集系统的野外应用与比对，在实验室进行基于中国计量院标准灯的辐照度响应度定标，以标准灯标准辐照度值和辐照度测量电压值的比值作为光谱采集系统的定标系数[12]。定标完成后选择晴朗日对辐射测量系统进行野外测量实验，并与MODTRAN[13-14]模拟数据进行对比。其中辐射测量系统采用积分球进行总照度直接观测，MODTRAN的结果采用实时的经纬度、时间、大气光学厚度等条件进行模拟，最终的比对结果如图11所示。由图中可看出，两者得到的地面光谱辐照度趋势一致，验证了辐射测量系统的设计原理和系统定标方法的正确性。将光谱采集系统的总照度观测结果EVNIR(λ)与MODTRAN的模拟结果EMODTRAN(λ)进行比对计算，计算方法如(2)式所示，最终两者的总照度存在5%的相对偏差，考虑到理论模型中水汽、臭氧等参数[15]采用理论输入结果，与环境的实际值有差异，引起总照度的偏差。为了进一步验证总照度比对偏差，首先进行理论模拟中的水汽、臭氧等参数的现场测量，获得实测参数的大气总照度模拟数据，其次采用另外的野外光谱仪器进行同步比对测试，验证光谱采集系统的最终观测结果。

(2)

图11 太阳光谱总照度对比

5 结论

为满足卫星遥感器在轨场地定标的野外观测仪器的应用需求，本文完成了可见近红外波段的光谱辐射测量系统的设计，并给出了其应用与分析。选用高性能的线阵传感器，分析驱动时序的需求并进行了设计。获得探测器的模拟输出信号后，对信号进行预处理和信号采集，得到了可见近红外波段的辐射信号测量结果。通过对辐射测量系统进行验证与分析，电路系统的数据采集精度小于0.8 mV，光谱辐射采集系统的野外总照度测量的比对结果小于5.0%。整个系统实现了可见近红外谱段的光谱数据测量，并通过试验和系统应用进行了验证，可以直接应用于野外光谱观测仪器中。