梁德印 安萌 王嘯虎 朱海健

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(3 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

成像光譜儀是一種譜像合一的新型星載成像遙感儀器，可同時(shí)采集目標(biāo)的幾何、輻射及光譜信息，形成圖像立方體，通過獲得地面像元的光譜特征曲線，實(shí)現(xiàn)地物的“指紋”識別[1]，具有特殊的識別能力，數(shù)目很多的光譜譜段的組合應(yīng)用可以為不同需求用戶提供大量相應(yīng)的遙感圖像產(chǎn)品，光譜數(shù)據(jù)在物質(zhì)分類、目標(biāo)識別和定量遙感方面價(jià)值的體現(xiàn)尤為突出，在大氣環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、流域調(diào)查和海岸地區(qū)分析、軍事偵查等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)搭載的高光譜相機(jī)基于改進(jìn)型的凸面光柵Offner光譜儀結(jié)構(gòu)，其主要任務(wù)是在衛(wèi)星運(yùn)行的軌道上獲取星下點(diǎn)附近地面像元分辨率優(yōu)于30 m，幅寬優(yōu)于60 km的高光譜圖像，光譜范圍400～2500 nm，光譜通道數(shù)166個(gè)，可見近紅外光譜分辨率10 nm，短波紅外光譜分辨率20 nm，兼顧了高空間分辨率、高光譜分辨率和高信噪比，綜合性能在國際上處于領(lǐng)先水平。

本文介紹了資源一號02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)的論證及總體研制經(jīng)驗(yàn)，提出了面向國土應(yīng)用的高光譜相機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)論證方法和圖像質(zhì)量保障措施，為后續(xù)光柵分光型光譜儀的總體研制提供參考。

1 高光譜相機(jī)應(yīng)用需求分析

1.1 礦產(chǎn)資源勘查

高光譜遙感數(shù)據(jù)具有波段數(shù)目多、光譜分辨率高、波段連續(xù)等特點(diǎn),在地表物質(zhì)分類、識別等方面具有明顯的優(yōu)勢[2]，在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域,特別是礦物識別和礦物填圖等方面，具有廣泛的需求。高光譜數(shù)據(jù)可用于對不同礦物元素的精細(xì)化探測和分類，定性或定量地反演礦物種類和含量，開展礦物填圖和找礦預(yù)測等研究。目前，常用的研究方法主要包括基于地物光譜的吸收特征、混合光譜分解和多元統(tǒng)計(jì)分析方法等。

高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)上的應(yīng)用具有2個(gè)特殊優(yōu)勢：①通過礦物填圖，可以快速、大面積地提取蝕變礦物；②圖譜合一，既可以通過譜識別礦物，特別是蝕變礦物，又可以通過圖，直觀蝕變礦物的位置、規(guī)模、形態(tài)、控制要素和分布規(guī)律等[3]。

1.2 農(nóng)林遙感應(yīng)用

航天高光譜相機(jī)能夠獲取地物準(zhǔn)確的精細(xì)光譜曲線，便于提取出葉面積指數(shù)、生物量、葉綠素含量等農(nóng)林作物的生理生化屬性，在精確監(jiān)測農(nóng)作物的類別、種植面積、產(chǎn)量估計(jì)和作物分類等方面有廣泛的應(yīng)用，為精細(xì)農(nóng)、林業(yè)管理提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)技術(shù)支持。

農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測需要高光譜分辨率的數(shù)據(jù)來支持農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測，如農(nóng)業(yè)生態(tài)參數(shù)的定量反演、作物及雜草種類的識別需要光譜分辨率優(yōu)于10～30 nm，而草原物種變化等草原生態(tài)結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測則主要依賴具有高光譜分辨率的高光譜數(shù)據(jù)，病蟲害、地表元素含量探測需要譜段更為細(xì)膩的高光譜載荷[4]。

森林樹種分類與識別、森林生態(tài)物理參數(shù)反演與提取、林木養(yǎng)分元素監(jiān)測與診斷、森林郁閉度信息提取等方面的應(yīng)用中，使用高光譜數(shù)據(jù)可獲取更加精確的、定量化的結(jié)果，從而為森林管理決策、植被生產(chǎn)力模擬、森林更新和演替模擬以及生態(tài)學(xué)和生物學(xué)過程制圖提供重要信息[5]。

1.3 水體監(jiān)測

水體光學(xué)特性復(fù)雜，且隨區(qū)域和季節(jié)變化大。波段較寬的多光譜遙感很難探測到水體組分的光譜信息，因此具有很大的局限性[6]。高光譜遙感以其光譜分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)、可以獲得多光譜傳感器無法獲得的精細(xì)的光譜信息，可以建立光譜特征與水質(zhì)指標(biāo)濃度之間的關(guān)系[7]。利用高光譜遙感數(shù)據(jù)可以反演葉綠素、懸浮物、黃色物質(zhì)、透明度、渾濁度等水色參數(shù)，可以對遠(yuǎn)洋、近岸和內(nèi)陸水體的藻類組成進(jìn)行分析，監(jiān)測藍(lán)藻水華，探測海冰及海岸帶等，豐富的譜段信息可以大幅提高水質(zhì)參數(shù)的反演精度。

高光譜數(shù)據(jù)還可以對海上溢油進(jìn)行檢測，分析相關(guān)區(qū)域的高光譜遙感影像，可以將疑似發(fā)生溢油的區(qū)域與正常的海面的光譜曲線進(jìn)行對比，分析得到差異，從而得到發(fā)生溢油的程度及影響范圍，有助于人們對大規(guī)模的海上污染檢測和調(diào)查，可使有關(guān)部門對海洋上不同的災(zāi)難在有效的時(shí)間內(nèi)快速做出決策。

1.4 災(zāi)害監(jiān)測

在火災(zāi)預(yù)防方面，高光譜數(shù)據(jù)可通過光譜混合物分析法(SMA)反演可燃物類型及覆蓋情況，根據(jù)高吸水性光譜區(qū)域的光譜特征推導(dǎo)出植被含水量等參數(shù)，這些信息對于火災(zāi)的預(yù)防和撲救有很大的參考價(jià)值。高光譜數(shù)據(jù)也可應(yīng)用在火山噴發(fā)規(guī)律分析、火山分類、火山監(jiān)測等方面，以及對有害氣體如SO2含量監(jiān)測等方面，還可以用于災(zāi)后對植被退化、災(zāi)害恢復(fù)等方面進(jìn)行監(jiān)測。

2 高光譜相機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)論證

資源一號02D衛(wèi)星的工程目標(biāo)包括開展土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、成礦帶礦產(chǎn)資源調(diào)查、資源開發(fā)現(xiàn)狀監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、境外礦產(chǎn)資源調(diào)查等，兼顧林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利等其他業(yè)務(wù)的需求。

其中高光譜相機(jī)的業(yè)務(wù)重點(diǎn)是為礦產(chǎn)資源勘探與監(jiān)測提供數(shù)據(jù)，在礦物填圖(Mineral Mapping)方面，高光譜數(shù)據(jù)具有較大的優(yōu)勢，它使遙感地質(zhì)由識別巖性發(fā)展到識別單礦物以至礦物的化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)，在礦物種類識別、礦物豐度識別、礦物化學(xué)成分反演與地質(zhì)成因信息分析方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2.1 星載高光譜相機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 國外發(fā)展情況

20世紀(jì)70年代，美國提出了高光譜遙感的概念，并在1983年成功研制了首個(gè)航空成像光譜儀AIS-1[8]。此后，美國、加拿大、歐洲、日本及印度等國家和地區(qū)在高光譜遙感領(lǐng)域開展了大量研究工作，研制了涵蓋不同光譜波段、具有不同空間分辨率的機(jī)載和星載高光譜遙感載荷。自第1臺星載中分辨率成像光譜儀(MODIS)于1999年12月8日發(fā)射以來，星載高光譜得到了快速發(fā)展，國外典型的高光譜衛(wèi)星包括了地球觀測-1(EO-1)衛(wèi)星、“星上自主項(xiàng)目”(PROBA)衛(wèi)星、“碳”衛(wèi)星等。

部分典型星載高光譜載荷見表1。

表1 典型星載高光譜相機(jī)Table 1 Typical spaceborne hyperspectral camera

可以看到，30 m空間分辨率、10～20 nm光譜分辨率、30 km幅寬是目前國際上的主流研制方向，后續(xù)研制的光譜儀當(dāng)中，空間分辨率指標(biāo)不斷優(yōu)化。

2.1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

1)HJ-1A超光譜相機(jī)

HJ-1A超光譜相機(jī)是我國于2008年9月發(fā)射升空的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測小衛(wèi)星(HJ-1A)上搭載的國內(nèi)第一臺超光譜相機(jī)[9]，其光譜范圍為0.45～0.95 μm，光譜分辨率為5 nm，共有110～128個(gè)譜段，空間分辨率為100 m，幅寬為50 km，主要用于監(jiān)測環(huán)境生態(tài)變化、自然災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展過程。

2)天宮一號高光譜相機(jī)

天宮一號高光譜相機(jī)是我國于2011年9月發(fā)射升空的天宮一號目標(biāo)飛行器上搭載的高光譜相機(jī)，在軌運(yùn)行四年半，是當(dāng)時(shí)在空間分辨率和光譜分辨率綜合指標(biāo)上最高的航天高光譜相機(jī)，其可見近紅外光譜范圍為0.4～1.0 μm，光譜分辨率為10 nm，譜段數(shù)64個(gè)，空間分辨率為10 m；短波紅外1.0～2.5 μm，光譜分辨率為20 nm，譜段數(shù)64個(gè)，空間分辨率為20 m。在國土資源、海洋檢測、林業(yè)遙感、城市環(huán)境監(jiān)測、水文生態(tài)監(jiān)測等方面開展應(yīng)用研究工作。

3)高分五號可見短波紅外高光譜相機(jī)

可見短波紅外高光譜相機(jī)是我國于2018年5月發(fā)射升空的高分五號上搭載的高光譜相機(jī)，在0.4～2.5 μm的光譜范圍內(nèi)細(xì)分了330個(gè)譜段，0.4～1.0 μm范圍內(nèi)的光譜分辨率為5 nm；1.0～2.5 μm范圍內(nèi)的光譜分辨率為10 nm，空間分辨率為30 m，幅寬為60 km，其與Hyperion相比，信噪比更高，幅寬更寬，譜段數(shù)更多。

2.2 高光譜相機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.2.1 分光方式的選擇

高光譜傳感器實(shí)現(xiàn)光譜分光的方式主要有棱鏡分光、光柵分光和干涉分光。

1)棱鏡分光特點(diǎn)

(1)光譜非線性，對于相同的角色散寬度，折射率變化呈非線性，這會(huì)導(dǎo)致光譜采樣間隔不一致，從而使儀器的輻射靈敏度受到影響。

(2)直狹縫圖像會(huì)彎曲，這是由于在狹縫的末端準(zhǔn)直光束入射角傾斜而引起的，彎曲與波長有關(guān)，呈非線性，光譜彎曲可達(dá)微米級。

(3)棱鏡色散只有單級光譜，不存在多幾次光譜混疊問題。

(4)經(jīng)棱鏡色散后的光譜是連續(xù)性的，對整個(gè)光譜，光的通過量不變，能量相對普通光柵器件更高。

2)干涉型分光的光譜儀特點(diǎn)

(1)保留了所有波長的譜強(qiáng)度信息，直接測量得到干涉圖。

(2)干涉光譜儀光譜分辨率與波長有關(guān)，存在光譜的非線性。

(3)干涉型光譜儀星上定標(biāo)相比色散型困難。

3)光柵分光光譜儀特點(diǎn)

(1)對整個(gè)光譜范圍可提供線性光譜色散，色散線性有利于定量化應(yīng)用。

(2)存在高級次光譜重疊現(xiàn)象，需要采取高級次光譜抑制措施。

(3)全反射式結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)焦面穩(wěn)定性和輻射/光譜穩(wěn)定性，適合于空間環(huán)境應(yīng)用。

(4)直入射狹縫存在光譜彎曲，但采用Offner凸面光柵的“無像差”系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得圖像彎曲問題對于光柵分光來說已不再是顯著問題。

(5)光柵效率與波長有很大關(guān)系，絕對效率較低(典型的效率為30%～40%)。

(6)閃耀波長的選擇與探測器響應(yīng)、太陽光譜輻照度匹配設(shè)計(jì)可獲得對特定地物較好的探測靈敏度。

光柵分光方式非常適合地物定量化遙感應(yīng)用，光柵分光的光譜儀具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，性能穩(wěn)定，因此光柵的分光的方式是星載高光譜相機(jī)的首選。

2.2.2 高光譜相機(jī)指標(biāo)體系

高光譜相機(jī)是一種譜像合一的新型星載成像遙感儀器，和全色多光譜相機(jī)相比，有其獨(dú)特的指標(biāo)體系。高光譜相機(jī)指標(biāo)可分為光譜性能指標(biāo)、輻射性能指標(biāo)、幾何性能指標(biāo)3類。其中輻射指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、輻射定標(biāo)精度、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等；幾何指標(biāo)包括空間分辨率、幅寬、定位精度、內(nèi)部畸變等；光譜性能指標(biāo)包括光譜范圍、光譜分辨率、橫向光譜偏差、光譜定標(biāo)精度等。高光譜遙感器的成像幅寬決定了單次掃描獲取圖像的區(qū)域大??；空間分辨率則反映了獲取目標(biāo)的精細(xì)程度；光譜分辨率反映了獲取目標(biāo)光譜的精細(xì)程度；信噪比決定了高光譜圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量；定標(biāo)精度則是高光譜數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的保證。

高光譜相機(jī)指標(biāo)體系中比較特殊的是光譜類指標(biāo)，對定量化應(yīng)用有很大影響，其影響因素如圖1所示。

圖1 高光譜相機(jī)光譜質(zhì)量Fig.1 Hyperspectral camera spectral quality

1)光譜范圍

光譜范圍與光學(xué)各零部件的反射和透射特性、光柵光譜儀的分光特性，以及探測器的響應(yīng)特性有關(guān)。CCD探測器響應(yīng)光譜范圍為380～1050 nm，SWIR探測器響應(yīng)光譜范圍為1000～2550 nm；凸面光柵分光效率按395～1050 nm、1000～2510 nm分成可見近紅外波段(VNIR)和短波紅外波段(SWIR)兩個(gè)高效率凸面光柵，進(jìn)行設(shè)計(jì)和定制；光學(xué)薄膜亦按上述光譜范圍進(jìn)行反射增強(qiáng)和增透。對探測器規(guī)模、探測器像元尺寸等關(guān)鍵指標(biāo)以及設(shè)計(jì)裕度要求進(jìn)行分析，確保工作譜段的總色散寬度在探測器尺寸范圍以內(nèi)并留有一定余量，以滿足光譜范圍的要求。綜合各部件，高光譜相機(jī)光譜響應(yīng)設(shè)計(jì)在395～2510 nm光譜范圍，確保高光譜相機(jī)光譜范圍在400～2500 nm無間斷。

2)光譜分辨率

光譜分辨率是相機(jī)能分辨的最小波長間隔，反映了高光譜相機(jī)光譜分辨的本領(lǐng)，基于光柵光譜儀的高光譜相機(jī)其光譜分辨率主要由光柵的刻線密度、工作光譜級次、狹縫寬度、光譜儀的焦距、光譜儀的像質(zhì)和探測器像元等決定。光柵的線色散本領(lǐng)由光柵方程推導(dǎo)出，假設(shè)l為不同波長譜線在焦面分開的距離，λ為波長，光柵的線色散本領(lǐng)定義:波長相差單位長度的兩條譜線在焦面上分開的距離為

式中：f為系統(tǒng)焦距；θ為衍射角；m為光譜級次；D為光柵常數(shù)。光譜采樣間隔越小，對應(yīng)光譜分辨率越高，通過光譜維像元合并，可以實(shí)現(xiàn)不同的光譜分辨率。

在方案選取和設(shè)計(jì)中，充分優(yōu)化了相機(jī)的光譜特性，通過采取改進(jìn)型的凸面光柵Offner光譜儀，并進(jìn)一步擴(kuò)大光譜色散寬度，使得相機(jī)的光譜彎曲優(yōu)于0.1個(gè)像元、光譜混疊小于5%。凸面光柵刻線密度直接影響光譜分辨率，光柵的面型精度和閃耀角加工精度，對光譜質(zhì)量也有很大影響，需要嚴(yán)格保障光柵的加工精度。針對1∶1倍率的光譜儀，狹縫寬度與探測器像元尺寸一致，狹縫過窄會(huì)造成系統(tǒng)信噪比偏低，狹縫過寬會(huì)造成光譜分辨率不達(dá)標(biāo)，因此，對狹縫加工的工藝過程應(yīng)加強(qiáng)控制。

3)橫向光譜偏差

橫向光譜偏差又稱為光譜彎曲，是指通過線視場的光信號經(jīng)過分光成像后，在探測器同一光譜維上波長的偏離程度，反映了相機(jī)不同視場對應(yīng)光譜波長的一致性，主要由分光方式、光學(xué)加工和光學(xué)裝校的工藝決定。

橫向光譜偏差由光譜儀自身光譜彎曲(smile)及探測器安裝誤差造成，光譜彎曲源于未經(jīng)準(zhǔn)直的光路里中心視場與邊緣視場主光學(xué)對色散元件入射角的不同。由于凸面閃耀光柵光譜儀基于完善成像結(jié)構(gòu)Offner系統(tǒng)，Offner同心結(jié)構(gòu)的光譜儀可以平衡入射角的差異，具有很小的光譜畸變(keystone)和光譜彎曲，對于狹縫長度比較大的光譜儀(資源一號02D衛(wèi)星狹縫長度60 mm，超出當(dāng)前國際先進(jìn)水平一倍)，即便采用Offner系統(tǒng)，邊緣視場也會(huì)存在比較大的光譜畸變，需采取特殊措施。VNIR光譜儀和SWIR光譜儀分別增加一塊校正透鏡，通過校正透鏡的像差與Offner系統(tǒng)的光譜彎曲和像差平衡，能夠?qū)⒐庾V儀自身的光譜彎曲控制在1/20像元以內(nèi)。探測器芯片與狹縫之間的安裝平行度是決定橫向光譜彎曲的另一個(gè)重要因素，通過高精度數(shù)字化無應(yīng)力裝調(diào)及實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)技術(shù)，可將該指標(biāo)控制在1/20像元內(nèi)，通過以上控制措施，并且配合地面系統(tǒng)進(jìn)行光譜彎曲糾正處理，橫向光譜偏差可以控制在1 nm之內(nèi)。

4)光譜定標(biāo)精度

光譜定標(biāo)精度反映光譜定標(biāo)的設(shè)備、方法及算法造成光譜標(biāo)定的誤差大小。實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)精度由用于光譜定標(biāo)的光源穩(wěn)定性、光源平坦度、單色儀單色光純度、單色儀位置及姿態(tài)誤差、定標(biāo)裝置誤差、相機(jī)穩(wěn)定性、相機(jī)雜光、相機(jī)工作溫度等因素決定。

其中光源穩(wěn)定性、平坦度一般由定標(biāo)使用的鹵素?zé)魠?shù)給出，光譜定標(biāo)采用鹵素?zé)艄庠矗涔庾V平坦度較好，本身可以提供穩(wěn)定的光譜輸出，其穩(wěn)定度和平坦度可由測試給出；單色儀單色光純度由光譜定標(biāo)時(shí)所使用的光柵參數(shù)、入射狹縫寬度、出射狹縫寬度決定，系統(tǒng)穩(wěn)定性和相機(jī)溫度引入的誤差由相機(jī)實(shí)測給出；光學(xué)雜光有專用測試設(shè)備獲取，某一視場的雜光是在足夠大均勻面光源照明下，相機(jī)無視場遮攔和有效視場遮攔輸出信號的差值，與有效視場遮攔輸出信號的比；其他因素為儀器的自身精度。

據(jù)研究表明，各種巖礦在短波紅外波段具有多個(gè)特征吸收峰[10]，從400～1000 nm的可見近紅外波段到1000～2500 nm的短波紅外波段，基本覆蓋了植被、水體、礦物、巖石等信息，可滿足各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。

目前國際主流的光譜儀采用空間分辨率30 m，可滿足礦產(chǎn)資源調(diào)查精細(xì)化應(yīng)用的空間分辨率需求。幅寬方面，基于改進(jìn)型Offner光譜儀，克服了大狹縫長度下光譜畸變較大的問題，幅寬比國際主流光譜儀的指標(biāo)大了一倍，達(dá)到60 km，該幅寬可大大提高遙感找礦的效率。同時(shí)為了提高光譜反演的精度，高光譜相機(jī)在保證光譜分辨率10 nm/20 nm的基礎(chǔ)上，采用了合并像元的方式，使信噪比在400～900 nm范圍內(nèi)大于240，在900～1750 nm范圍內(nèi)大于180，在750～2500 nm范圍內(nèi)大于120，與同類載荷比，信噪比有大幅提升，圖像質(zhì)量進(jìn)一步提高。

綜合考慮應(yīng)用需求、國內(nèi)外發(fā)展水平以及繼承性等因素，高光譜相機(jī)各系統(tǒng)指標(biāo)確定如表2所示。

表2 高光譜相機(jī)指標(biāo)體系Table 2 Hyperspectral camera index system

3 高光譜圖像質(zhì)量保障

高光譜相機(jī)光學(xué)子系統(tǒng)由主光學(xué)系統(tǒng)、視場分離器、VINR光譜儀和SWIR光譜儀4部分組成，如圖2所示。來自目標(biāo)的可見光及短波紅外輻射信號經(jīng)過離軸三反光學(xué)系統(tǒng)及視場分離器分別匯聚到可見近紅外光譜儀和短波紅外光譜儀的狹縫，經(jīng)過1∶1的Offner系統(tǒng)分光成像于探測器。

圖2 高光譜相機(jī)光路圖Fig.2 Hyperspectral camera optical path diagram

高光譜相機(jī)因?yàn)樽V段細(xì)分，很多問題都會(huì)放大，比如探測器的不均勻性、空間力熱環(huán)境變化、Etalon現(xiàn)象等，給圖像處理和應(yīng)用帶來很大的困難。對于這些問題，在研制過程中采取了大量措施，以保證在軌圖像質(zhì)量達(dá)到要求，包括Etalon效應(yīng)專項(xiàng)復(fù)核測試、力熱變形分析、設(shè)計(jì)高光譜偏航定標(biāo)流程等。

3.1 Etalon效應(yīng)專項(xiàng)測試

Etalon效應(yīng)是由于探測器接收的光信號在光敏區(qū)的兩個(gè)分界面上來回反射產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。高光譜相機(jī)由于入射光的波段范圍很窄，相干性較好，Etalon效應(yīng)難以避免，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成25%甚至更大的響應(yīng)非均勻性，對圖像的后續(xù)處理造成較大的困難。Etalon效應(yīng)波紋與探測器的溫度、入射光波長、入射角、耗盡層厚度均勻性均有關(guān)系，控制難度較大。

資源一號02D衛(wèi)星針對此問題進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)與復(fù)核。根據(jù)用戶需求，為改善Etalon效應(yīng)、提高信噪比，資源一號02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)進(jìn)行了譜段合并，相機(jī)Etalon效應(yīng)的調(diào)制度從譜段合并前的23%左右，降低到5%以內(nèi)；Etalon效應(yīng)、探測器暗電平對溫度敏感，高光譜提高了相機(jī)溫控精度，有助于提高圖像質(zhì)量，提高地面處理效率；在此基礎(chǔ)上，安排了高光譜相機(jī)Etalon專項(xiàng)測試，以評估Etalon效應(yīng)的影響，以及獲取輻射校正(含Etalon效應(yīng))的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。

通過測試結(jié)果可知，通過譜段合并，高光譜相機(jī)圖像Etalon效應(yīng)已經(jīng)非常弱化，由Etalon效應(yīng)產(chǎn)生的信號調(diào)制度在可見近紅外波段中小于3%，在短波紅外波段中小于5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳感器非均勻性造成的響應(yīng)差異，可通過地面處理進(jìn)行校正。

3.2 載荷平臺一體化力熱變形分析

高光譜相機(jī)安裝在載荷艙頂部，為滿足星下點(diǎn)無控定位精度優(yōu)于100 m(Circle Error 90%，CE90)的指標(biāo)要求，對結(jié)構(gòu)熱變形引起的相機(jī)光軸指向誤差進(jìn)行了分析。將整星各個(gè)工況的溫度場分布數(shù)據(jù)，映射到熱變形分析模型中，作為熱變形分析的載荷開展熱變形分析工作，計(jì)算相機(jī)安裝點(diǎn)相對位移，將計(jì)算結(jié)果作為輸入，進(jìn)而分析對高光譜相機(jī)光軸指向的影響，如圖3所示。

根據(jù)在軌熱分析結(jié)果及高光譜相機(jī)在軌工作狀態(tài)，在高溫工況和低溫工況各選取4種工作狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱變形分析。通過有限元分析，計(jì)算出相機(jī)安裝點(diǎn)相對位移，根據(jù)相機(jī)安裝腳位置和相應(yīng)的位移情況，用最小二乘法擬合一個(gè)平面作為理想安裝面，計(jì)算每個(gè)安裝點(diǎn)相對于理想安裝面的最大位移，將計(jì)算結(jié)果作為相機(jī)進(jìn)行光軸指向分析的輸入。

根據(jù)相機(jī)在軌的安裝工作狀態(tài)，對相應(yīng)安裝點(diǎn)加載強(qiáng)制位移，進(jìn)行有限元分析，觀察計(jì)算光軸的偏轉(zhuǎn)角度。

圖3 相機(jī)熱變形分析結(jié)果Fig.3 Camera thermal deformation analysis result

經(jīng)分析，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)熱變形引起的光軸變化小于9″(1σ)，滿足定位誤差分配的要求。在軌實(shí)測平均定位精度58.05 m(CE90)，滿足100 m(CE90)的指標(biāo)要求。

3.3 偏航定標(biāo)流程設(shè)計(jì)

高光譜相機(jī)的定標(biāo)是高光譜遙感定量化分析的重要環(huán)節(jié)，輻射定標(biāo)的精度直接決定了遙感器獲得數(shù)據(jù)的使用價(jià)值[11]，為提高高光譜數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用水平，資源一號02D衛(wèi)星設(shè)計(jì)了高光譜相機(jī)的偏航定標(biāo)模式。

資源一號02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)具有60 km大幅寬，并且具有短波紅外譜段，探測器規(guī)模大，像元間響應(yīng)的非均勻性問題突出。偏航定標(biāo)主要用于高光譜相機(jī)的相對輻射定標(biāo)，通過衛(wèi)星平臺90°偏航機(jī)動(dòng)，使探測線列方向與成像方向平行，如圖4所示。

圖4 偏航定標(biāo)方法原理Fig.4 Side-slither calibration method

一般符合條件的定標(biāo)場地大小有限，很難覆蓋整個(gè)相機(jī)視場的所有像元，理論上偏航定標(biāo)時(shí)由于探測線列上的所有像元都對相同的地面區(qū)域成像，任何地物都可以用來當(dāng)作定標(biāo)地物。盡管考慮其它因素的影響使得定標(biāo)地物的選取不可能是完全隨意，但相比起傳統(tǒng)的使用地面定標(biāo)場的方法偏航定標(biāo)方法對定標(biāo)場地的要求明顯降低[12]。

為保證偏航定標(biāo)能夠安全、有效的進(jìn)行，資源一號02D衛(wèi)星設(shè)計(jì)了詳細(xì)的高光譜相機(jī)偏航定標(biāo)操作流程，形成相應(yīng)的在軌使用策略。偏航定標(biāo)流程如圖5所示。

圖5 高光譜相機(jī)偏航定標(biāo)時(shí)序圖Fig.5 Hyperspectral camera side-slither calibration sequence chart

90°偏航保證了各個(gè)探元能夠?qū)ν坏匚镞M(jìn)行成像,為輻射定標(biāo)提供了高精度輻射基準(zhǔn)，為衛(wèi)星傳感器在軌高頻次定標(biāo)提供支持[13]，尤其適合對定量化要求較高的載荷。經(jīng)過在軌測試，偏航定標(biāo)取得了良好效果，相對定標(biāo)精度可達(dá)到1%，如圖6所示。

圖6 在軌偏航數(shù)據(jù)Fig.6 In-orbit side-slither data

3.4 高光譜相機(jī)防污吹氮保護(hù)

高光譜相機(jī)具有狹縫結(jié)構(gòu)，狹縫寬度微米級，極易受到灰塵的污染，一旦被污染將嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。高光譜相機(jī)在整個(gè)研制過程中，采取了多項(xiàng)措施進(jìn)行防污染控制。首先在光機(jī)主體上設(shè)計(jì)了專門的防污吹氮管路。在整個(gè)總裝、集成與測試(AIT)期間和發(fā)射場測試期間，建立了嚴(yán)格的值班制度監(jiān)測衛(wèi)星周圍環(huán)境變化，提供了安全可靠的高純氮?dú)獗Ｕ?，制定了詳?xì)的防污吹氮流程，一旦環(huán)境潔凈度不滿足要求，立刻進(jìn)行防污吹氮操作，確保狹縫結(jié)構(gòu)不受污染。

目前高光譜相機(jī)已完成所有的在軌測試項(xiàng)目，功能、性能優(yōu)異，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，各行業(yè)取得了良好的應(yīng)用效果，見圖7。

圖7 高光譜相機(jī)圖像Fig.7 Hyperspectral camera image

4 結(jié)束語

資源一號02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)兼顧了高空間分辨率、高光譜分辨率、大幅寬、高信噪比等，其綜合性能處于世界領(lǐng)先水平；圖像數(shù)據(jù)包含豐富的空間信息和譜段信息，具有巨大的應(yīng)用潛力；將有力地推進(jìn)中國星載遙感數(shù)據(jù)的定量化遙感水平。目前復(fù)雜混合地物的光譜解混是一個(gè)難點(diǎn)，后續(xù)高光譜遙感要求越來越高的空間分辨率，然而高空間分辨率、高光譜分辨率情況下信號較弱，很難獲得較高的信噪比。此外，對于大范圍內(nèi)的定量化反演，如湖泊水體成分反演，需要有同時(shí)相的高光譜數(shù)據(jù)，對大面積區(qū)域盡量一次覆蓋，要求相機(jī)有大幅寬。因此，未來高光譜領(lǐng)域的發(fā)展，需要在大口徑光學(xué)系統(tǒng)加工、高靈敏度低噪聲探測器研制、光柵等核心器件加工制造等方面獲得突破；還需要基于應(yīng)用需求的深化研究，通過指標(biāo)體系論證，使空間分辨率、光譜分辨率、信噪比、幅寬等互相制約的指標(biāo)達(dá)到對任務(wù)滿足程度的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。