第36卷，第10期 2016年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 36,No.10·pp3226-3231
October, 2016
卫星振动频率和振幅对高光谱成像质量影响的仿真分析和实验研究
南一冰，倪国强
北京理工大学光电学院，光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京100081
摘要在星载推扫式高光谱成像仪成像过程中，卫星平台以振动为典型形式的姿态运动会导致探测器上不同的地物信息相互混叠，引起高光谱图像质量的退化。为了更有效地抑制、校正与补偿卫星振动引人的成像误差，针对典型色散型推扫成像光谱仪受平台振动而产生的空间维、光谱维质量退化的机理进行仿真分析和实验研究。通过分析其曝光时间内的光谱混合过程，得到了地物光谱和卫星姿态之间的关系，建立了推扫光谱成像退化模型，该模型综合考患了不同姿态振动模式的影响，只要给出每个时刻的卫星平台态参数，即可通过普适的系数矩阵计算得出每个混合像元的平均混合比，进而获得仿真的退化高光谱数据立方体。详细推导了平均混合比的一般表达形式，对振幅、频率等振动参数对光谱混合的影响分别进行了定量分析。以实际运动状态下拍摄获得的高光谱数据立方体为例，进行了退化仿真和地面模拟运动退化实验，并对退化前后的高光谱数据进行了评价。结果表明，退化仿真和实际退化效果吻合，平均混合比能够直接反映高光谱图像退化的程度；卫星振动造成高光谱图像空间维质量恶化，使不同地物目标的光谱发生了混叠；高光
谱数据的退化程度主要由振幅决定，振动频率对退化的影响较小。关键词卫星振动；高光谱图像；退化；光谱混合
中图分类号：TH744
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 10000593(2016)10322606
动对大孔径静态干涉成像光谱仪成像质量的影响；文献[4] 针对典型干涉型成像光谱仪，文献[5］针对典型色散型成像光谱仪，进行了光谱运动成像退化建模和仿真等研究。但他
成像光谱仪能够同时获取地物目标的图像和波谱信息，
获得图谱合一的效果，通常推扫式成像光谱仪的焦平面探测器的穿轨方向像元对应为空间维，其轨方间像元对应为光谱维。由于这一优势，成像光谱仪被广泛应用于通感领域，然面其所依托的卫星平台，受自身各种机械运动部件等和外部空间环境干扰的影响，会产生包括以各种频谱下的以线性、非线性振动叠加为基本形式的运动以及多种运动形式振动混成的非理想运动（下面针对一般意义的运动形式时，均简记为“振动”）。随着近年来发射的高光谱成像仪空间分辨率与光谱分辨率的不断提高，卫星平台的非理想运动成为制约成像质量的一个重要因素，对于采用推扫机制的成像光谱仪来说，这种影响尤为严重，其绪果不仅是空间维图像质量的下降，也会带来不同像元之闻地物光谱的混叠和失真。
近年来许多学者针对不同类型的成像光谱仪，研究了卫星振动对成像质量的影响。文献[1]对傅里叶成像光谱仪在轨运动成像进行了建模研究；文献[2-3研究了卫星姿态抖
收稿日期：2015-07-01，修订日期：2015-11-18
基金项目：国家(973计划)项目（2009CB72400504)资助
作者简介：南一冰，1987年生，北京理工大学光电学院博士研生
万方数据系人e-mail：nigq@bita.org.cn
们的研究多是仿真分析，并没有进行真正的模拟仿真实验来验证其理论模型与真实情况的合程度，另外，抑制、校正与补偿卫星振动对成像质量的影响，是进行这类研究的主要目的。分析具体的空间维与光谱维的混叠过程，建立振动参数和光谱立方体数据质量之间的关系，尤其是振幅、频率等对成像质量退化的影响程度，将使我们对退化数据的校正变得有的放矢，本文推导以光栅为色散元件的成像光谱仪光谱成像退化模型，并基于实际运动状态下获取的数据，分别进
行仿真和地面模拟实验，验证模型的有效性， 1卫星平台振动
卫星振动在空域上表现为卫星本体的6个自由度上的振
动，一般归纳为沿3个轴的平动和绕3个轴的转动。由于载荷离地面距离远，而对像质影前较大的主要是转动，即佣仰、侧滚和偏航三个姿态角的振动。在频域上，通常根据探
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