智能高光谱成像仪工业化研究论文

电气工程自动化工程控制体系则是社会工业化发展的关键,是其应用和功能表达的按钮和键盘 。下文是我为大家搜集整理的关于电气工程自动化专科毕业论文的内容，欢迎大家阅读参考! 电气工程自动化专科毕业论文篇1 探讨电气自动化在电气工程中的发展趋势 [摘要] 随着我国社会主义市场经济的进步和发展，电气自动化技术的发展越来越成熟，在电气工程中的运用越来越广泛。电气自动化技术在电气工程中的应用，对促进电气工程的发展，推动我国的经济建设有着非常重要的作用。本文论述电气自动化控制系统的设计理念和发展趋势来将电气自动化应用到电气工程中，并作相应的分析。 [关键词] 电气自动化;电气工程;设计理念;发展趋势;应用 1 电气工程以及电气自动化的概念 电气工程(Electrical Engineering，简称EE)是当今高新技术领域中举足轻重的关键学科之一，更是现代科学研究领域中的热门学科。最成功的例子就是电子通信技术的巨大进步推动了以计算机网络为中心的信息时代的蓬勃发展，并且在根本上改变了人们的工作和生活模式。从某些层次上来讲，电气工程的发达程度甚至可以代表一个国家的科技进步水平。 电气自动化(Electrical Automation)的专业全称一般为电气工程及其自动化，其应用范围涉及各行各业，小到电气开关的设计，大到科技航天的研究，到处都有它的身影。电力的发展是促进生产和提高人民生活水平的重要物质基础，随着电力应用的不断发展和深化，新时代背景下的电气自动化进程了国民经济和人民生活现代化的重要标志。 2 电气自动化控制系统在电气工程中的设计理念 利用集中监控式设计理念在电气工程中的应用 运用集中式监控方式的特点在于在电气工程中的运行维护很是方便，爱控制站上要求不是很高，在系统设计上比较容易。而且它是将系统中的各项功能集中到一个处理器中来进行处理工作的，而处理器的任务是相当的繁重的，处理的速度严重受到影响。而我们了解到电气设备进入到监控时，监控对象的大量增加是随之来的将是主机的冗余的下降的趋势，电缆方面的数量也是在加大的，投资上也有明显的加大，长距离的电缆的引入将会影响到系统上的可靠性。同时隔离刀闸上的操作闭锁还有断路器上的联锁都是采用的硬接线，然而隔离刀闸上的辅助接点经常会出现接点不到位的现象，这样就会造成电气工程中的设备无法进行操作。这种接线的二次接线是相当的复杂的，会出现检查线时不方便，在维护量上也大大的增加，还存在着检查线或传动过程中由于接线上的复杂而造成操作上失误的可能性等等，所以说集中监控方式也是在电气工程中运用比较广泛的。 利用远程监控式设计理念在电气工程中的应用 远程监控方式在电气工程中具有在电缆上可节约大量的增加数;还可以节省安装上的费用问题;在材料上也可节约很多;同时还具有组态灵活和可靠性上高的特点。但是由于电气工程中各种现场的总线的通讯速度不是很高，而电气电厂中的通讯量又是很大，所以远程监控方式适合运用在电气工程中较小的系统监控，不太适合面对全长的电气自动化系统控制的构建。 利用现场总线监控式设计理念在电气工程中的应用 在当今社会，已普遍应用于电气工程自动化系统的有现场总线、以太网等计算机网络技术，同时也累计了很多的运行丰富经验，这样就使电气自动化设备也有了较快的发展，这都是为了电气自动化系统可以再电气工程中的应用奠定了基础。而现场总线监控可以使系统设计有针对性，对于不同的间隔采用不同的功能，这样就可以根据间隔的情况来设计。采用这种监控方式除了这些优点外还具有远程监控方式的优点，同时还可以在隔离设备、模拟量、端子柜等等方面上也有少量的减少，而且电气智能设备是就地安装的，与监控系统是通过通讯设备连接的，可以节省了电缆的大量运用，还节约了过多的投资和安装维护上的工作量，进而减少了成本。还有就是各个装置的功能都是相对独立的，是通过网络来进行连接的，网络的组态是非常的灵活，使整个网络系统的可靠性有所提高，而任何的一个装置的故障仅仅的影响相应的元件，这样就不会导致系统上的瘫痪问题。因此，现场总线监控方式在电气工程中应用最多也是最好的一项，同时也是发展电气自动化的前景方向。 3 电气自动化技术在电气工程中的应用分析 电气工程中电网调度的自动化 由电网调度中心的服务器、大屏幕显示器、工作站以及相应的计算机网络等共同组成的称之为电网调度的自动化系统。而实现自动化的表现方式是通过电力系统上专用的局域网将其处于在调度范围内的夏季电网调度中心、发电厂以及测量的控制设备等变电站终端实现有效连接。由此我们可以知道，将电气自动化技术应用在电气工程中有着很重要的作用，主要就是能过实现实时评估电力系统的运行状态，并根据所积累的数据来对电力负荷进行预测，故而在此基础上将发电控制和经济调度实现自动化，但是这样的一个要求只有在省级以上的电网才给予要求。电力系统在运行的过程中要实现实时的进行数据上的采集和处理，并根据数据进行监控，且在数据支持的情况下对电网的运行状态和安全进行掌握，使其能够很好的适应现代电力市场的运营需求。 电气工程中发电厂分散测控系统 电气工程中发电厂分散测控系统在实际的应用过程中一般采用的是分层分布的结构，其组成是由以太网、远行人员工作站、过程控制单元以及高速数据通讯网等等方面。而这里说的远程控制单元就是由只能做输入和输出的模件与可冗余配置上的主控模件一起共同组合而成，且主控模件又是通过冗余智能上的输入与输出和总线上的输入与输出来进行通讯的。其中过程控制单元是可以直接用于生产运行过程中的，并且直接接受热电偶、热电阻、开关量和现场变送器等等设备上的信号，还可以再运算完成以后在对设备的运行状态和参数来进行实时的打印、显示和信号的输出，以此来直接驱动其执行机构，最终实现电气自动化在电气工程中的生产运行过程的联锁保护、控制和检测等方面的功能。 电气工程中变电站的自动化 电气工程中的变电站应用的是自动化技术，其主要的目的在于取代人工操作、人工监视和电话通讯，并根据相应的情况来加强对变电站的监控能力，并且还可以实现在变电站上运行的水平和效率都有所提高。这也就是说，变电站中应用自动化技术就是为了全方位的，多层次的来监视变电站各种电气设备的运行状况，完成有效地控制。该自动化的特点有：以全微机化的设备来代替以前使用的电磁装置，并实现计算机屏幕化操作上的监视，在数据传输过程中实现自动化运行的管理和统计记录，是利用计算机电缆来代替电力信号的电缆来实现的。这也就是说电气工程中变电站自动化是电力现代生产中一项不可获取的部分，也是因为可以很好的满足变电站中的各项操作任务而成为了电网调度自动化中的一个不可分割的重要部分。 4 电气自动化在电气工程中的发展趋势 我们都知道电气自动化的发展趋势应该是分布式、信息化和开放化这三种趋势进行的，分布式的结构在于以后总能够确保计算机网络中的每个职能的模块全部都能够独立的工作的一种网络，以达到系统危险分散的概念;信息化则是根据系统信息能够进行综合的信息处理能力，且与网络技术相互结合来实现网络自动化和管控一体化。而开放化是根据系统结构与外界具有借口的方面，来实现系统与外界网络上的连接。在电气工程中我们也应结合这三种方式来进行电气自动化系统的控制，以确保电气工程中的生产过程运行安全、可靠。 5 结语 通过以上的分析，电气工程是一项在技术性、专业性上都是要求很高的设施工程，而电网的建设、改造等方面都在快速的发展着，且也对电气自动化系统上要求很高，故而我们要在这些方面大大提高电气自动化系统的水平，使其在电气工程中发挥其本身的优势，同时电气自动化系统在电气工程的经济效益和安全运行方面都有着非常重要的地位，所以我们将电气自动化在电气工程中实现现代化、国际化和全球化。 电气工程自动化专科毕业论文篇2 浅析电气工程自动化中人工智能的运用 前言 近年来，随着人工智能技术快速的发展，自动化在很多领域得到了广泛的运用，尤其是电气工程自动化控制中取得了飞速的发展，其操作过程中简单、精准、针对性强。但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强人工智能自动化在电气工程中的运用，对我国电气工程有着重要意义。 1.人工智能的概述 人工智能的概念在1956年初次提出以后，在研究范畴得到了飞速的发展，逐步形成为了一套以计算机为主，包含了自动化、控制论、信息论、生物学、仿生学、心理学、语言学、数理逻辑、哲学和医学的一门综合性的科学。在人工智能范畴，使机械具有与人类智能进程相类似的体系， 能够胜任人类智能所能完成的工作。人工智能理论是开辟、研究若何延长、模拟人的智能的理论。 作为新兴的计算机科学的一个分支， 人工智能技术诠释了智能的实质， 并在此基础上生产出一种与人类智能有相近似反映的智能机械。在此范畴的研究首要包括：图像方法、语言方法、机器人、专家体系和自然语言处置等体系。电气工程主如果研究和电气工程有关的自动控制、体系运行、信息处理、电子电气技术、研制开发、信息处理和计算机与电子运用等。随着科学技术的不断发展， 计算机技术已开始运用在我们生活的每一个方面。飞速发展的计算机编程技术加快了传布、自动化运输和传布的发展。人类大脑作为最精密的仪器，计算机编程也只能仿照其对信息进行阐发、处置、互换、搜集和回馈，所以对人类大脑技术的仿照会增进电气工程自动化的发展。电气自动化控制在加强互换、生产、分派和畅通方面有主要的作用，实现电气工程的自动化，会下降人力资本的投入，使运作的效力不断提高。 2.电气自动化控制中人工智能技术的现状 (1)完善电气设备的设计是一项复杂的工作，其既需要运用电路及电磁场知识，还要运用一些设计里的经验性知识。以前的产品设计是运用简单的方法、依据经验采取手工方式进行，因此不容易选出最优的方案。然而，随着计算机技术的进步，电气产品的设计方式也发生了改变，逐渐由手工设计朝借助计算机设计转变，这极大地缩短了电气产品的研发周期。将人工智能技术运用于电气自动化控制中，使得以前的CAD技术得到了极大发展，不仅大大提升了产品设计的效率，也提高了产品的质量。 (2)智能控制功能变成现实。1)数据采集与处理：能够对所有的开关量和模拟量进行实时采集，还能根据需要进行处理或储存。2)运行监视和事件报警：可对各主要设备的模拟量数值、开关量状态进行实时智能监视，有事故报警越限和状态变化事件报警，事件顺序记录，事故处理提示和自动处理，声光、语音、电话、图像报警等功能。3)操作控制：通过键盘或鼠标就能实现对断路器及电动隔离开关的控制、励磁电流的调整。运行人员可按顺控程序进行同期并网带负荷或停机操作另外，系统还对运行人员的操作权限加以限制，以适应各级运行值班管理需要。4)故障录波：主要包括模拟量故障录波、波形捕捉、开关量的变位以及顺序记录等。 3.人工智能在电气工程自动化中的运用 电力系统中散布着大量的自动控制和手动控制装置，如继电器、断路器、断绝开关等，由这些相对于简略的局部控制的协同作用组成全部电力系统庞大的实时控制。电力系统的保护实时控制有分离和持续两种控制范例，因为人工智能技术具备清楚的逻辑思维和快速的处置本领，已成为在线状况评估的主要东西。励磁控制是控制无功功率发电机端电压的首要组成部分，是一种首要的实时持续控制体系，对保持电力体系不变性起首要作用，切负荷是别的一种分离型的控制体系，当发电机因为故障造成体系容量产生急剧变化时，人工智能体系能处置暂缓负荷容量，有杰出的适应性和实用性。 电气产品的优化设计 电气产品的优化设计是一项庞大的使命，在设计过程当中需要将科学设计和经验常识有机融会，才能使产品的设计科学而适用。近年来，随着计算机技术的飞速发展，经由过程采纳人工智能技术来进行电气产品的设计，使得这一设计进程正垂垂从手工逐步转向人工智能辅助设计，从而有用缩短了产品的设计周期，而且还使得产品的设计愈来愈优良、适用、科学。 电气设备的故障诊断 电气设备出现问题时，所表现出来的症状及其相干的现实问题是非常复杂的，有时间是很难判定和查找的，而人工智能技术的操纵恰好可以办理这一问题，同时操纵人工智能故障诊断技术在机电和发机电也是很常见的。由于电气设备故障的非线性，不确定性和复杂性的特点导致传统的诊断方法准确率低，效果不明显，而人工智能通过将专家系统和模糊理论有机结合起来使用，能够确保故障诊断的高精度。 运行过程的智能控制 随着对自动化的请求越来越高，人工智能控制技术将是将来发展的一个趋向，这在电气工程自动化中已得到了普遍的运用。电气设备的控制是一项庞大而综合的工作，请求具备很高的技术含量，还应该会将各类专业知识综合运用，再按照大量的数据进行计算和阐发，经由过程人工智能技术的运用，联系专家系统控制、模糊控制、神经网络控制三者彼此联系的方式，因为人工智能自己的特征可以确保计算速度快，计算精度高，从而节省了大量人力物力，对人力资源而言可以说是一种解放。 同时，电气行业与我们平常的生活和进修有密切联系，于是，将之前繁琐的操纵进行简化，晋升电气系统的操纵效力是颇有需要的。在平常的电气系统操纵过程当中操纵人工智能技术，便能够使庞大的操纵程序变得简略，在家中操纵电脑就能够完成有关操纵，从而实现远程遥控不仅如此，我们还可以简化界面，将有些主要的信息实时进行保留与处置，便于今后的盘问和操纵。除此以外，操纵人工智能技术还能够主动生成报表，这节省了良多时间，提高了工作效率。 4.计算机控制技术的发展趋势以及发展前景 计算机控制技术是操纵计算机常识在相关的行业范畴进行自动化生产，近年来，随着国民经济的发展，计算机信息技术被运用到各行各业中，计算机技术也在科技信息技术迅速发展的布景下有了很大水平的晋升。在现阶段，计算机技术的进步和改良影响自动化控制技术发展与前进。在社会不断发展和前进的前提下，计算机自动化技术的发展小断地趋向于深度和广度。一方面，计算机自动化技术小断的趋向于智能化，计算机控制技术可以仿照人类的一些感受，如触觉、听觉等，还可以仿照人类的知觉本领，便是按照一件物体的某个详细的特点推测出该物体的其他特点，或从团体感知该物体。另一方面，计算机控制技术和自动化办理技术开始向着分歧的范畴发展，并逐步被运用到幻化系统工程中，向着办理工作和技术工作的一体化的标的目的发展。 5.结语 人工智能在电气工程自动化中的运用至关重要，因此，在电气领域的后续发展中，要不断提高自动化的技能，加强对人工智能自动化的在电气工程中的运用，促进电气工程技术领域的发展。本文通过对人工智能在电气系统中的问题分析，人工智能控制器可以根据实际情况适当调整自身性能，进一步明确了其在电气工程运用中的方向，为电气工程自动化奠定了坚实基础。在科技占主导地位的21世纪，将人工智能技术运用于电气自动化控制系统中，实现了智能化设计，提高了电气自动化生产的效率，使人工智能化更好的为人类社会服务。 猜你喜欢： 1. 电气工程自动化大专毕业论文 2. 电气工程及其自动化专科毕业论文 3. 电气工程自动化毕业论文范文 4. 电气工程自动化研究毕业论文 5. 电气工程及自动化专业毕业论文

高光谱成像是一种结合成像和光谱的技术, 通过在二维检测器阵列的每个像素处收集光谱信息, 产生空间和光谱信息的三维数据集, 并称之为超立方体。 高光谱成像技术在公安刑侦领域的应用 在公安刑侦及司法鉴定领域，传统的光学成像方法只能记录被摄物的亮度分布信息，各种化学成分所蕴含的大量光学特性没有得到充分挖掘和利用，存在鉴定困难、复杂、以及有损检测。高光谱成像技术将图像与光谱技术相结合，可同时快速、准确地获取被检测物的图像信息和光谱信息，使得光谱成像具有形态检验和成分检验双重作用。同时，凭借无损、检测速度快和不损害被测物的优点，被广泛应用于公安刑侦领域的物证搜索、无损取证和鉴定。 高光谱成像技术在精准农业领域的应用 目前随着土地资源的逐步减少，精准农业近年来发展迅速。利用LCTF高光谱成像技术及光谱分析，配合其它如北斗GPS/GIS等技术，可精确设定最佳耕作、播种、施肥、灌溉、喷药、收获时机等多种操作，变传统的粗放经营为精细生产。针对需求，部署利用无人机部署高光谱成像仪，用以长期、持续地进行农作物监测，自然灾害动态监测等的光谱图像数据采集，分析。 高光谱仪器能够实现农作物长势监测；农作物分类；播种面积监测和产量预报；农田土地资源调查、土壤侵蚀调查；自然灾害实时动态监测和损失评估；农业自然资源与环境的监测与评估。 高光谱成像技术在生物医学 领域的应用 高光谱成像能够同时获取待测物体的图像信息和光谱信息, 具有图谱合一的优势。利用高光谱（简称：HSI)对组织进行检测时, 光能够穿透生物组织一定的厚度。由于生物组织结构的不均一性, 光在各个方向发生散射, 而血红蛋白、黑色素和水会吸收不同波长的光, 因此, 不同组织或器官的反射光谱取决于自身的生物化学和组织学特性, 这就为鉴别正常组织和癌变组织提供了强有力的依据。图像中每个像素的光谱特征使HSI技术能够识别各种病理状况。在非侵入性癌症检测、糖尿病足溃疡、心脏和循环系统病理学及其他疾病检测、手术指导等方面发挥了重要作用。 到目前为止, 组织病理学仍然是各种癌症诊断的金标准, 但是, 这种方法对人体损伤较大且成本较高, 最终的诊断结果仍取决于病理学专家的主观判断, 难免会存在一定的片面性。癌变过程往往伴随着组织结构在细胞和亚细胞水平上的变化, 这些组织内部结构和生物化学成分变化是癌症早期诊断非常重要的标识信号。HSI将成像技术和光谱技术相结合, 使得利用HSI技术能够同时获得实验对象的化学和物理特征, 并具有良好的空间分辨率, 在不同器官的癌症诊断方面具有很大的应用潜力。 高光谱成像技术在食品安全领域的应用 近年来,食品安全问题备受关注，人们对果蔬品质与安全标准的要求也越来越高，已成为社会关注的热点。传统果蔬品质检测方法如化学法、高效液相色谱法、质谱分析法等通常对待测物具有破坏性，且检测速度慢。高光谱成像技术将图像与光谱技术相结合，可同时快速、准确地获取被测食品的图像信息和光谱信息,凭借无损、检测速度快和不损害被测食品的优点，实现食品品质和质量的快速、高效检测，使得其在食品安全检测中有着极为广泛的应用。 高光谱成像技术在文物保护领域 的应用 很多文物古迹，都经历千百年时间，其表面多少都有一些损伤、风化或颜料的脱落、文字的消失以及不同程度的腐蚀，有不可复原性，且很难承受接触式检测带来地损伤和破坏，这对文物受损程度的评判、掩盖信息的发现和修复带来了巨大地阻碍。 高光谱凭借无损、无接触，且拥有可捕获物质的“指纹光谱”这一特性，在文物被掩盖信息的发现上和文物修复过程中发挥着越来越重要的作用。高光谱图像是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息检测技术，其特点在于极高的光谱分辨率和空间分辨率，只要被测物质留有微弱的信号，我们都可以根据光谱特征将其探测出来、并标明在什么位置。 高光谱成像技术在地物监测领域的应用 近年来，物候观测与研究的领域不断拓展，气候变化、土地利用和生物多样性等成为观测与研究的重要领域。高光谱成像技术结合了光学成像与光谱分析，在植物物候遥感观测方面已发挥重要作用。随着高光谱成像技术的发展，具有高空间分辨、高光谱分辨能力的的微小型LCTF高光谱成像技术日趋成熟。利用抵近观测的方式，可以获取植物物候的持续的高光谱图像数据；利用计算机网络，可以把物候高光谱成像观测从单一站点扩展到区域、全国乃至全球范围。  高光谱仪器介绍 科技改变生活，图谱合一，智能感知，行业应用，无限可能 （仪器图片摘于深圳中达瑞和官网）

国内高光谱成像仪的研究现状

国内高光谱成像技术的研究开始于20世纪80年代，对于机载成像光谱技术的研究，国内机载高光谱成像技术的发展基本与国外同步。世界上第一台高光谱仪AIS-1于1983年在美国喷气推进实验室研制成功，在矿物填图、植被化学成分、水色及大气水分等方面进行了试验应用，并获得成功。与此同时，以中国科学院上海技术物理研究所为主，与美国GER公司进行合作，成功研制出一台早期的6波段细分红外光谱仪（FIMS），在美国成功地进行了矿物填图试验。在我国“七五”期间，中国科学院上海技术物理研究所开展了64波段可见短波红外和7波段热红外模块航空高分辨率光谱仪的研制工作。由中国科学院上海技术物理研究所研制的MAIS，OMIS，PHI和WHI等系列机载高光谱成像仪，其性能指标均处于国际先进水平，并在国内外的遥感应用中获取了大量实用化的高光谱图像数据，极大地推动了国际上成像光谱技术的发展。

与国外相比，中国星载高光谱成像技术的发展有较大差距。我国第一台高光谱成像仪是中国科学院上海技术物理研究所研制的SZ-3中分辨率高光谱成像仪，于2002年发射，成为全球第二个上天的可见光/红外中分辨率光谱成像仪，其空间分辨率为500m，光谱通道数为30个，其成果获得2004年国家科技进步二等奖。在“九五”和“十五”期间，国家部署了星载高光谱成像仪的研究工作，已取得了重大进展。例如，中国科学院上海技术物理研究所承担的星载高光谱成像技术的研究项目，研制出了工程样机，其光谱范围为400～2500nm，光谱分辨率为5～12nm；在轨道高度500km下，空间分辨率达20m，幅宽为20km，通过了力学试验。2008年9月发射的环境一号A卫星上，装载了一台傅立叶分光高光谱成像仪，光谱覆盖可见近红外波段，光谱通道数为115个，空间分辨率为100m，幅宽为50km，用于环境和灾害的监测。

（1）实用型模块化高光谱成像仪（OMIS）

OMIS是20世纪70年代以来，在所研制的各类通用/专用航空扫描仪的基础上，为适应成像光谱技术的发展趋势而研制的一台光机扫描型高光谱成像仪。其波段覆盖全，在可见光到长波红外的所有大气窗口上设置探测波段，满足不同需求的综合遥感应用；工作效率高，采用70°以上的扫描视场，提高实用化作业效率；采样波段多，系统工作波段达到128个，是当时国际上光谱通道数最多的遥感仪器之一；定量化程度高，通过机上实时定标装置与实验室辐射和光谱定标装置，使系统具备定量化成像光谱数据的能力。

OMIS研制成功后，在国内外进行了数百次的遥感飞行，获取了大量的成像光谱数据，受到了国内外同行和用户的高度评价。该项目获得2002年上海市科技进步一等奖和2004年国家科技进步二等奖。OMIS系统的详细性能指标见表 ，图是OMIS系统的实物照片，图是OMIS典型遥感应用图像。

表 OMIS系统性能指标

（2）机载推帚式高光谱成像仪（Airborne WHI）

WHI是中国科学院上海技术物理研究所于1997年研制成功的机载推帚式高光谱成像仪。WHI实现了高性能、实用化的总体设计，技术指标达到国际先进水平。WHI仪器的主要技术指标如表所示。

图 OMIS系统的实物照片

图 OMIS典型遥感飞行图像（北京北郊）

表 WHI性能指标

WHI已成功用于我国广西、新疆、江西等地的生态环境、城市规划等遥感应用项目及日本、马来西亚等国际合作项目，取得了良好的社会和经济效益，并获得2004年国家科技进步二等奖。图是WHI高光谱成像仪的实物照片，图是WHI在日本名古屋飞行时获取的图像。

图 WHI高光谱成像仪的实物照片

图 WHI高光谱成像仪获取的图像（日本名古屋）

（3）HJ-1-A卫星高光谱成像仪

中国科学院西安光学精密机械研究所于2003年开始承担环境一号A星主载荷高光谱成像仪（HJ-1-A/FTHSI）的研制工作，环境一号卫星于2008年9月发射，主要用于环境和灾害的监测。HJ-1-A/FTHSI是我国第一台在轨运行的对地观测高光谱成像仪，对于促进我国高光谱成像技术的发展具有重要意义，其性能指标如表所示。图是HJ-1-A卫星高光谱成像仪的实物照片。

表 HJ-1-A卫星高光谱成像仪技术指标

续表

图 HJ-1-A卫星高光谱成像仪的实物照片

国外高光谱成像仪的研究现状

第一代高光谱成像仪

1983年，第一幅由航空高光谱成像仪（AIS-1）获取的高光谱分辨率图像以全新的面貌呈现在科学界面前，它的出现标志着第一代高光谱分辨率传感器的面世。第一代高光谱成像仪以AIS-I和AIS-2为代表，在以后数年中AIS数据被成功地应用于多个研究领域。

AIS高光谱成像仪由光学系统、探测器和电子线路三部分组成，其结构如图所示。AIS的光学系统由前置光学系统和光谱仪两部分组成，前置光学系统是由M1和M2两个反射镜组成的同轴许瓦茨希尔特望远镜，口径为，焦距为；光谱仪是由准直镜M3、光栅和会聚反射镜M4组成。

图 AIS系统结构图

表给出了AIS高光谱成像仪的主要性能指标，其光谱范围覆盖了短波红外～μm，谱段数多达128个，光谱采样间隔优于10nm，但幅宽只有150多米。因为当时探测器的研制技术有限，所以其幅宽非常窄。但它的确开创了兼顾高光谱和高空间分辨率、使光谱和图像合一的高光谱遥感技术新时代。

表 AIS主要性能指标

第二代高光谱成像仪

第二代高光谱成像仪于1987年问世，美国宇航局从1983年开始研制一种名为航空可见光高光谱成像仪（AVIRIS），它是第二代高光谱成像仪的代表。此后，许多国家先后研制出多种类型的航空高光谱成像仪，如美国的AVIRIS，DAIS，加拿大的FLI，CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等，国外典型的机载高光谱成像仪如表所示。与AIS传感器相比，AVIRIS在传感器本身、定标、数据系统及飞行高度等方面都有很大的改进。与AIS不同，AVIRIS是扫描型高光谱成像仪。

表 AVIRIS性能指标指标

如图所示，AVIRIS采用肯尼迪（Kennedy）扫描机构，利用三角形棱柱的两面反射镜实现高效率扫描，焦面上的四根光导纤维按垂直飞行轨迹方向排列，它们将收集到的各波段像元的辐射传送到四个光谱仪的入口处，其中四个光谱仪的波段范围分别为～μm，～μm，～μm，～μm。光谱仪采用一种自准直型施密特（Schmidt）全反射系统，使用光栅进行分光，光栅排列在非球面校正镜上。分光后的光线再经光谱仪的反射镜聚焦到探测器列阵上，以便得到多光谱图像。AVIRIS设计时有四项主要要求：①在光谱方面，比AIS宽，可以覆盖～μm的太阳反射波段；②在空间分辨率方面，比AIS提高将近一倍；③幅宽比AIS提高将近一个量级，总视场为30°，每行达到550 个像元；④提高数据质量，为应用研究部门提供高可靠性的有用数据。图和表分别给出了仪器的结构模型和主要性能指标。

第三代高光谱成像仪

在航天领域，由美国喷气推进实验室研制的对地观测计划中的中分辨率高光谱成像仪（MODIS），随TERRA卫星发射，成为第一颗在轨运行的星载高光谱成像仪。21世纪以来，在机载仪器成功研制并推广应用的基础上，世界航天大国纷纷开展高光谱成像技术的空间应用，主要有：

1）1997年发射失败的LEWIS-Hyperspectral Imager；

图 AVIRIS光机原理图

图 AVIRIS仪器结构模型图

2）2001年10月22日发射的欧洲CHRIS（Compact High Resolution Imaging Spectrometer）；

3）2000年7月19日发射的美国强力星傅立叶高光谱成像仪MightySatII-FTHSI（Fourier Transform Hyper-Spectral Imager）；

4）2000年12月21日发射的美国航空航天局新千年计划的EO1-Hyperion高光谱成像仪；

5）2001年9月21日发射失败的OrbView4-WarFighter1 hyperspectral imager；

6）2005年8月10日发射的火星勘探者MRO-CRISM（MARS Reconnaissance Orbiter-Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars）；

7）计划中的美国海军NEMO-COIS（Naval Earth Map Observer Program，Coastal Ocean Imaging Spectrometer）。

表 给出了国外星载高光谱成像仪的主要技术指标。光谱范围基本分布在 ～μm（CRISM覆盖到了μm），空间分辨率为8～60m，幅宽为5～30km，光谱分辨率为5～20nm。典型的星载高光谱成像仪有欧洲的CHRIS，美国的Hyperion和FTHSI，它们分别代表了以棱镜、傅立叶干涉和光栅分光的三种主要的分光方式。

表 国外星载高光谱成像技术的主要技术指标

（1）基于棱镜分光的CHRIS高光谱成像仪

CHRIS是欧空局在轨自主运行计划（PROBA-1，Project for On-Board Autonomy）的主要有效载荷，该卫星于2001年10月22日在印度Shriharikota 航天发射场发射升空。经过几年的在轨运行，CHRIS获取了大量高质量的空间成像光谱数据。

CHRIS覆盖400～1050nm的可见近红外谱段，采用棱镜分光，望远镜的口径为120mm，F数为6。望远镜采用折反射同轴两反系统，主反射镜和次反射镜均采用球面结构，光学入瞳处的弯月形大透镜校正球差，光学结构如图所示。CHRIS系统的光谱仪包括入射狭缝、两个曲面棱镜、三个球面反射镜（其中包含2个凹面和1个凸面）构成。类似Offner结构的三反镜起到二次成像的作用，光路中的两个球面棱镜起到色散和会聚的作用。

图 CHRIS系统光学结构图

CHRIS的特点是结构相对简单、质量轻、空间分辨率较高，不足的是仅覆盖了可见近红外谱段。另外，CHRIS的光谱采样间隔为非均匀分布。图是CHRIS的光谱带宽分布曲线，可以看出短波方向光谱带宽较窄，在400 nm的波段位置为 nm；长波方向光谱带宽较大，1050 nm的波段位置为11 nm。图给出了 CHRIS 在轨的系统信噪比，“Peak_SNR”来自图 中的（a）图像，“SNR”来自（b）图像。

图 CHRIS仪器光谱分辨率与波长的关系曲线

（2）基于傅立叶干涉分光的FTHSI高光谱成像仪

美国空军研究实验室于2000年7月19日在范登堡空军基地发射了一颗搭载首台空间平台傅立叶高光谱成像仪（FTHSI）的卫星MightySatII。FTHSI覆盖475～1050nm的光谱范围，采用Sagnac干涉仪进行分光，光谱分辨率约85 cm-1。FTHSI也是第一台应用于空间对地观测的高光谱成像仪。光学系统由有效口径为165 mm的R-C望远镜和Sagnac干涉仪组成。系统空间维的F数为 ，光谱维的F数为。探测器选用Thomson公司的TH7887A探测器，工作帧频为75～110 fps。根据不同的像元合并，量化精度为8 bit或12 bit。图是FTHSI系统的结构图，图给出了系统的测试信噪比，只有720～960 nm之间的光谱通道信噪比大于50 ，到550 nm之前的光谱通道信噪比已小于20 ，而500 nm以前光谱通道的信噪比已几乎为零。

图 CHRIS光谱各通道信噪比

图 CHRIS信噪比测试图像

图 MightySatII/FTHSI系统结构图

图 信噪比测试结果

（3）基于凸面光栅分光的Hyperion高光谱成像仪

EO-1（Earth Observing-1）是美国NASA为接替Landsat 7而研制的新地球观测卫星，于2002年11月发射升空。Hyperion高光谱成像仪是EO-1卫星的主要光学有效载荷，其主要任务是在轨验证高光谱成像技术，评估利用星载高光谱成像仪的对地观测能力。系统着眼于能够减少当前商业遥感卫星（LandSat）和相关地球观测系统成本的新型遥感器和卫星技术。

Hyperion仪器由光机头部组件（HSA）、电子学组件（HEA）、制冷电子学组件（HEA）组成，如图所示。HSA包括光学系统、制冷器、在轨定标系统和高速焦平面电子学电路。光学系统由望远物镜和两个光栅分光计组成。主光学采用离轴三反系统，口径为125mm，F数为8；后光学是基于凸面光栅分光的offner光谱仪，其空间分辨率为30m，在～μm范围内共有220个波段，其中在可见光近红外（400～1000nm）范围内有60个波段，在短波红外（900～2500nm）范围内有160个波段。两个通道在900～1000 nm的波段范围内有光谱重叠，可以利用这些光谱进行交叉定标。图给出了Hyperion各光谱通道的信噪比分布曲线。

图 Hyperion高光谱成像仪组成

图 Hyperion光谱通道信噪比

高光谱成像仪的发展趋势

从发展趋势来看，目前国外高光谱成像技术发展已经完成了演示验证阶段，正走向面向任务的业务化、商业化发展阶段。美国国家航天局JPL实验室负责的EO-1卫星Hyperion仪器在轨演示了星载高光谱成像仪在矿产资源探测、环境监测、城市规划等方面的突出能力。通过EO-1-Hyperion及机载AVIRIS的综合应用研究，目前美国产业界和军方均着手于星载高光谱成像仪在商业化运作、军事侦察等方面的业务应用。欧空局及俄罗斯在星载高光谱成像仪研制与应用方面也给予了极大的关注。

为满足业务化运行的需要，高光谱成像仪正向着更宽的光谱覆盖范围、更高的空间分辨率、更大的幅宽和更高的定量化水平方向发展。从表可以看出，目前国际上发展的高光谱成像仪的性能指标均有大幅提高。在“863”项目“宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究”的支持下，我国开展了相应载荷的研制工作，高光谱成像仪在幅宽和波段数上具有优势，其他指标与上述同类仪器相近。

表 国内外计划发展的高性能民用星载高光谱成像仪