劉銀年 孫德新 韓波 朱海健 劉書鋒 原娟

(1 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)(2 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所啟東光電遙感中心，江蘇啟東 226200)(3 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

我國(guó)擁有豐富的自然資源，同時(shí)也面臨著資源利用不合理和自然環(huán)境遭受破壞和退化的困境，及時(shí)掌握國(guó)土資源、地質(zhì)礦產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、城市發(fā)展等的演化趨勢(shì)，是做出合理決策、科學(xué)布局及可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在需求驅(qū)動(dòng)下，資源勘查活動(dòng)對(duì)地觀測(cè)采用先進(jìn)的成像高光譜技術(shù)是必然趨勢(shì)。

高光譜遙感技術(shù)是充分獲取地物信息的革命性先進(jìn)遙感技術(shù)，高光譜技術(shù)獲取的地物觀測(cè)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于精細(xì)化的地物分類。利用成像高光譜技術(shù)對(duì)地觀測(cè)可同時(shí)獲取地物目標(biāo)的幾何、輻射和光譜信息，是地物遙感與目標(biāo)探測(cè)的新興技術(shù)，也是資源普查勘察的利器。在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)林漁牧、海洋監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重大的作用[1-6]。隨著對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用需求的提高，從光譜范圍、光譜分辨率、幅寬、空間分辨率、時(shí)間分辨率與定標(biāo)精度等指標(biāo)對(duì)成像高光譜遙感技術(shù)提出更高的要求。

2019年9月12日我國(guó)成功發(fā)射的資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)，其上搭載了中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的可見短波紅外高光譜相機(jī)(Advanced Hyperspectral Imager，AHSI)，是繼高分5號(hào)(GF-5)衛(wèi)星[7]之后，我國(guó)又一臺(tái)先進(jìn)的民用業(yè)務(wù)化高光譜相機(jī)。本文著重介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)的工作原理、主要結(jié)構(gòu)、主要的技術(shù)革新，并給出了相機(jī)性能實(shí)測(cè)指標(biāo)以及在軌圖像數(shù)據(jù)，在軌實(shí)測(cè)結(jié)果表明，相機(jī)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 星載高光譜相的基本原理及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

成像高光譜技術(shù)按照分光方式大致可分為3類：干涉成像光譜技術(shù)、色散成像光譜技術(shù)、衍射成像光譜技術(shù)。國(guó)際上在研或在軌的星載高光譜相機(jī)采用的分光方式基本為傅里葉、棱鏡或傳統(tǒng)的平面光柵，資源可見短波紅外高光譜相機(jī)采用了與GF-5衛(wèi)星可見短波紅外光譜儀相同的新型Offner結(jié)構(gòu)凸面光柵的分光技術(shù)。表1列出了當(dāng)前在軌/在研星載高光譜遙感器的主要技術(shù)指標(biāo)，可以看出，AHSI相機(jī)的幅寬、波段數(shù)等性能指標(biāo)處于國(guó)際先進(jìn)水平[7-13]。

表1 在軌/在研星載高光譜遙感器參數(shù)Table 1 Parameters of on-orbit/in-research spaceborne hyperspectral remote sensing instruments

2 AHSI高光譜相機(jī)構(gòu)成及工作原理

資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)載荷實(shí)物如圖1所示，相機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由相機(jī)主體、信息控制器、制冷機(jī)控制器和扼流器4個(gè)單機(jī)組成。其中相機(jī)主體由遮光罩、主光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光譜儀和面陣探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信號(hào)獲取電子學(xué)部件、大氣校正輻射計(jì)等組成。相機(jī)主體實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)，獲取地物高光譜圖像信息，信息控制器實(shí)現(xiàn)與整星的電氣接口及對(duì)整個(gè)相機(jī)的測(cè)控，制冷機(jī)控制器則實(shí)現(xiàn)對(duì)短波紅外探測(cè)器制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，扼流器主要用于抑制制冷機(jī)母線電流的波動(dòng)以減弱其對(duì)整星母線的擾動(dòng)。

AHSI高光譜相機(jī)裝載在運(yùn)行高度為778 km的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星上，衛(wèi)星在側(cè)擺情況下重訪周期3天。相機(jī)隨著衛(wèi)星沿軌飛行，相機(jī)多狹縫瞬時(shí)視場(chǎng)幾何位置關(guān)系如圖2所示(其中灰色框代表瞬時(shí)視場(chǎng)，藍(lán)色、紅色線分別代表穿軌、沿軌的瞬時(shí)視場(chǎng)角)。AHSI高光譜相機(jī)主望遠(yuǎn)鏡采用離軸三反成像，視場(chǎng)分離器將可見、近紅外和短波紅外波段分離開，通過(guò)狹縫視場(chǎng)后，采用新型凸面光柵的雙光譜儀進(jìn)行精細(xì)分光，地物目標(biāo)圖像的光譜信號(hào)分別匯聚到CCD面陣探測(cè)器和短波紅外HgCdTe焦平面探測(cè)器焦面上(帶制冷機(jī))，實(shí)現(xiàn)高光譜成像。

圖1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)載荷Fig.1 Visible and short-wave infrared hyperspectral imager (AHSI) onboard ZY-1-02D satellite

圖2 AHSI高光譜相機(jī)安裝指向示意Fig.2 Diagram of installation direction of AHSI

在衛(wèi)星穿軌方向，地物目標(biāo)星下點(diǎn)圖像的光譜信號(hào)，經(jīng)凸面光柵分光后，按照不同波長(zhǎng)散射成像于光譜儀的面陣探測(cè)器上，探測(cè)器一維為光譜維，另一維為空間維(穿軌方向)。光譜與空間對(duì)應(yīng)關(guān)系面陣示意圖如圖3所示。其中可見近紅外(VNIR)波段是一個(gè)完整的長(zhǎng)條帶，對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)沿飛行方向0°的位置；短波紅外(SWIR)由4個(gè)30 m×15 km的條帶組成，4個(gè)條帶按“品”字形前后左右錯(cuò)開，兩個(gè)條帶對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)沿飛行方向1.0°的位置，另外兩個(gè)條帶對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)沿飛行方向1.4°的位置。隨著衛(wèi)星的飛行，形成60 km幅寬的連續(xù)成像條帶，獲得2000個(gè)像元，每個(gè)像元30 m空間分辨率和400～2500 nm共166個(gè)譜段的高光譜圖像。

圖3 資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)光譜與空間對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between spectrum and space of AHSI onboard ZY-1-02D satellite

AHSI相機(jī)采用了新型Offner凸面光柵作為分光部件，運(yùn)用了單、雙狹縫結(jié)合的視場(chǎng)分割技術(shù)，將地物信息細(xì)分為166個(gè)光譜通道，成像于高靈敏CCD面陣探測(cè)器和HgCdTe焦平面探測(cè)器上，相機(jī)橫向光譜偏差優(yōu)于1 nm，實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試信噪比分別達(dá)到900以上(VNIR)和600以上(SWIR)，星上輻射和光譜自定標(biāo)組件，光譜定標(biāo)精度優(yōu)于λ/10，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%。

AHSI相機(jī)與衛(wèi)星數(shù)傳綜合處理器接口采用了高速串行傳輸技術(shù)(TLK2711)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.0 Gbit/s；AHSI相機(jī)可以在一軌內(nèi)連續(xù)觀測(cè)15 min，業(yè)務(wù)運(yùn)行后每天最多可獲取100 min完整的166譜段高光譜遙感數(shù)據(jù)，共計(jì)覆蓋250萬(wàn)平方千米，可以較好地滿足我國(guó)對(duì)地資源勘查觀測(cè)的需要。

3 AHSI高光譜相機(jī)分系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

可見短波紅外高光譜相機(jī)具有寬波段、大幅寬、高空間分辨率、高精度定量化等特點(diǎn)，系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大。相比較于GF-5可見短波紅外高光譜相機(jī)，為適應(yīng)資源能源勘查的需求，對(duì)信噪比的指標(biāo)提出了更高的要求，同時(shí)，在高精度大氣輻射校正場(chǎng)地定標(biāo)和Eatlon效應(yīng)消除等方面體現(xiàn)出了明顯的技術(shù)特色。

3.1 探測(cè)靈敏度的提升

3.1.1 離軸三反望遠(yuǎn)鏡，大視場(chǎng)小F數(shù)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)

目前國(guó)際上在軌運(yùn)行的高光譜空間離軸三反望遠(yuǎn)鏡中，通常視場(chǎng)較小，F(xiàn)數(shù)比較大，如美國(guó)EO-1衛(wèi)星上的Hyperion高光譜成像儀[5]，其幅寬為7.5 km，F(xiàn)數(shù)為12。AHSI相機(jī)的幅寬為60 km，比Hyperion增加了20倍，F(xiàn)數(shù)為2.83，比Hyperion提高了4倍，為了確保信噪比的滿足，在光學(xué)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面沿用了GF-5衛(wèi)星高光譜相機(jī)的小F數(shù)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前在軌運(yùn)行的同類載荷中最優(yōu)的焦距口徑比(見表1)。

雖然小F數(shù)大幅提高了儀器的信噪比，但小F數(shù)導(dǎo)致主光學(xué)工作距變短，難以直接用一般視場(chǎng)分割的方法將VNIR和SWIR兩個(gè)譜段分離開。為此，AHSI相機(jī)采用了大相對(duì)孔徑視場(chǎng)分割放大技術(shù)，其光路如圖4所示，對(duì)兩個(gè)線視場(chǎng)的光路在像面前分別由反射鏡A和B1(或B2)進(jìn)行2次轉(zhuǎn)折，可以在垂直狹縫方向視場(chǎng)相對(duì)較小的情況下，將兩條平行線視場(chǎng)在像面上成像位置的距離分離開來(lái)，把雙狹縫的間隔由虛線所示的d′(無(wú)視場(chǎng)分割放大器的距離)拉大到D=d′+2a(其中a為轉(zhuǎn)折鏡與分束鏡之間的水平距離，b為轉(zhuǎn)折鏡與分束鏡之間的垂直距離)，擴(kuò)大到之前的3倍，有效克服了離軸三反望遠(yuǎn)鏡一個(gè)維度視場(chǎng)窄小的不足，可有效實(shí)現(xiàn)多通道大視場(chǎng)大口徑成像，使得該望遠(yuǎn)鏡成為目前國(guó)際上少有的實(shí)現(xiàn)穿軌和沿軌雙向大視場(chǎng)的離軸三反望遠(yuǎn)鏡。

圖4 視場(chǎng)分離放大器光路圖Fig.4 Optical path diagram of field separator

AHSI相機(jī)將光信號(hào)分解成166個(gè)光譜通道，VNIR光譜儀、SWIR光譜儀在光譜方向均采用二元合一的方式，VNIR光譜儀76個(gè)通道總共使用了152行像元，SWIR光譜儀90個(gè)通道總共使用180行像元，即按照30m×60m的器件單元尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。與VNIR光譜儀相比，SWIR光譜儀的特點(diǎn)在于考慮到探測(cè)器拼接的需要，在同一臺(tái)光譜儀中對(duì)兩條平行的60 mm狹縫同時(shí)進(jìn)行分光成像，在保證超低畸變下，實(shí)現(xiàn)了面視場(chǎng)超大像譜空間(同類儀器的6倍)光譜儀。

3.1.2 大規(guī)模、大動(dòng)態(tài)范圍高探測(cè)靈敏度探測(cè)器及信噪比的提升

目前已公布資料的可用于航天高光譜成像的最先進(jìn)的CMOS圖像傳感器是由e2v公司研制的一款背照式CMOS APS芯片，面陣大小為1024×256，峰值量子效率達(dá)到95%，滿阱容量可為100 ke-或300 ke-，幀頻可達(dá)250 幀/秒，其綜合性能指標(biāo)已接近普通CCD的水平。然而，該CMOS器件在400 nm附近量子效率較低，而CMOS器件普遍較薄的耗盡層也導(dǎo)致其在近紅外波段量子效率比CCD要低。

為了滿足可見近紅外通道對(duì)探測(cè)器的高幀頻、大面陣、寬光譜響應(yīng)范圍、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍的要求，針對(duì)高光譜成像系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出背部減薄的背照式CCD方案，在不降低近紅外譜段量子效率的前提下，藍(lán)紫波段的量子效率較以往同類型探測(cè)器有成倍的提升，超過(guò)85%，在400 nm處和近紅外波段的量子效率有著明顯優(yōu)勢(shì)，當(dāng)CCD工作于像素合并(binning)模式時(shí)，滿阱電子數(shù)、等效像元尺寸及最大工作幀頻均還可以加倍，有利于收集更多的能量和提高系統(tǒng)的信噪比。而更大的面陣規(guī)模則使得在同樣的地面采樣間隔下能達(dá)到更大的觀測(cè)幅寬。

SWIR通道選用了自主研制的制冷型HgCdTe短波紅外焦平面探測(cè)器。采用4個(gè)硅基碲鎘汞512×512焦平面器件，通過(guò)“品字形”精密拼接，獲得2000×512規(guī)模的短波紅外焦平面探測(cè)器，經(jīng)過(guò)金屬杜瓦封裝、與制冷機(jī)耦合，獲得探測(cè)器制冷組件(IDDCA, Integrated Detector Dewar Cooler Assembly)，如圖5所示。探測(cè)器組件響應(yīng)波長(zhǎng)范圍900～2550 nm，幀頻達(dá)到250 幀/秒。

圖5 高光譜相機(jī)中的硅基碲鎘汞2000×512短波紅外探測(cè)器組件Fig.5 SWIR HgCdTe/Si FPA IDDCA in hyperspectral imager

與通常應(yīng)用于凝視成像(Stare Imager)的焦平面器件相比，高光譜相機(jī)的工作模式和性能要求有較大的區(qū)別。針對(duì)高光譜應(yīng)用，研制了基于CTIA輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的高線性度、低噪聲CMOS讀出電路。同時(shí)，針對(duì)寬譜不同波長(zhǎng)下信號(hào)能量差異顯著，首次提出并實(shí)現(xiàn)了短波紅外探測(cè)器芯片級(jí)按波長(zhǎng)分段分檔的電荷累積技術(shù)(見圖6)，突破了大動(dòng)態(tài)范圍和高信噪比難以兼顧的技術(shù)瓶頸(見圖7)；可以看出，在2000～2500 nm的短波紅外波段，信噪比提升近1.4倍。

為了達(dá)到更高的信噪比要求，對(duì)可見波段CCD采用4binning讀出方式，SWIR探測(cè)器采用了2倍像元合并處理的方式，最終提高了信噪比近1.4倍。

圖6 短波紅外探測(cè)器芯片級(jí)按波長(zhǎng)分段分檔的電荷累積技術(shù)Fig.6 Charge accumulation technology at chip level of short-wave infrared detector sorted by wavelength

圖7 積分電容分區(qū)優(yōu)化前后系統(tǒng)信噪比對(duì)比Fig.7 Signal-to-noise ratio comparison before and after partition optimization of integrated capacitance

3.2 高精度在軌定標(biāo)技術(shù)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)在軌定標(biāo)由場(chǎng)地定標(biāo)和交叉定標(biāo)組成。高光譜相機(jī)在軌運(yùn)行期間，一年進(jìn)行不少于兩次場(chǎng)地定標(biāo)。交叉定標(biāo)可根據(jù)天氣、交叉覆蓋時(shí)間、觀測(cè)條件等實(shí)際情況進(jìn)行。標(biāo)定時(shí)，相機(jī)上大氣校正輻射計(jì)定標(biāo)裝置進(jìn)行同步觀測(cè)。

場(chǎng)地定標(biāo)是相機(jī)在軌定標(biāo)的主要組成部分，由場(chǎng)地相對(duì)輻射定標(biāo)及場(chǎng)地絕對(duì)定標(biāo)(含輻射和光譜定標(biāo))組成。場(chǎng)地的相對(duì)輻射定標(biāo)通過(guò)衛(wèi)星偏航90°進(jìn)行，選用定標(biāo)場(chǎng)或非定標(biāo)場(chǎng)的均勻地物，在同一個(gè)偏航周期內(nèi)進(jìn)行逐像元同步觀測(cè)。均勻地物需要覆蓋探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)高中低三點(diǎn)非均勻性校正的要求。場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)與場(chǎng)地光譜定標(biāo)同時(shí)進(jìn)行，選用國(guó)內(nèi)或國(guó)外的定標(biāo)場(chǎng)進(jìn)行相機(jī)定標(biāo)，相機(jī)上定標(biāo)裝置大氣校正輻射計(jì)進(jìn)行同步觀測(cè)。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)上配備的大氣校正輻射計(jì)具有信噪比強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，以穩(wěn)定已知的太陽(yáng)為參照，測(cè)量場(chǎng)地定標(biāo)時(shí)刻的大氣特性參數(shù)，在原理上消除了自身衰減和變化對(duì)定標(biāo)源標(biāo)定精度的影響，擁有高精度定標(biāo)和大氣反演功能。

為確保定標(biāo)的精度，對(duì)反演算法進(jìn)行了精度分析，以2019年10月17日大氣校正輻射計(jì)過(guò)境敦煌定標(biāo)場(chǎng)的實(shí)測(cè)和模擬仿真數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)行衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度仿真精度分析。將660 nm，670 nm和870 nm三個(gè)通道的輻亮度產(chǎn)品帶入查找表中，線性內(nèi)插得到550 nm對(duì)應(yīng)的平均氣溶膠光學(xué)厚度為0.113，與敦煌定標(biāo)場(chǎng)地面實(shí)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度0.115結(jié)果對(duì)比，絕對(duì)誤差僅為0.002，說(shuō)明氣溶膠光學(xué)厚度反演的高精度和可靠性。

同時(shí)，以2019年10月17日大氣校正輻射計(jì)過(guò)境敦煌定標(biāo)場(chǎng)的模擬仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了水汽含量仿真精度分析，通過(guò)935 nm和870 nm比值(大氣透過(guò)率)與水汽含量的關(guān)系可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸得到曲線關(guān)系，如圖8所示，回歸擬合系數(shù)R2可達(dá)到99.11%，根據(jù)公式計(jì)算出水汽含量為0.763 g/cm2，與敦煌定標(biāo)場(chǎng)實(shí)測(cè)水汽含量0.758 g/cm2誤差不超過(guò)1%(絕對(duì)誤差)，說(shuō)明水汽含量反演算法的高精度和可靠性。

圖8 通道比值(水汽透過(guò)率)與水汽含量的統(tǒng)計(jì)回歸曲線Fig.8 Statistical regression curve of channel ratio (water vapor transmission rate) and water vapor content

以上結(jié)果表明，大氣校正輻射計(jì)與高光譜相機(jī)擁有共同光軸，可實(shí)現(xiàn)成像路徑下氣溶膠光學(xué)厚度和水汽含量等大氣參數(shù)的高精度實(shí)時(shí)獲取，可有效提高在軌場(chǎng)地輻射定標(biāo)的精度。

利用2020年3月4日和5月30日兩次敦煌定標(biāo)場(chǎng)過(guò)境數(shù)據(jù)，對(duì)AHSI相機(jī)進(jìn)行了在軌場(chǎng)地定標(biāo)，衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)利用地物光譜儀進(jìn)行了地表反射率的同步測(cè)量，將地物光譜儀獲取的反射率光譜曲線與AHSI相機(jī)獲取的反射率光譜曲線進(jìn)行了比較，二者誤差在5%以內(nèi)。

在軌場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分析表明，目前的場(chǎng)地輻射定標(biāo)系數(shù)具有良好的可靠性和精度。后續(xù)工作將結(jié)合大氣校正輻射計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及多場(chǎng)地、多次同步輻射定標(biāo)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證場(chǎng)地輻射定標(biāo)的可靠性和精度。

3.3 Etalon效應(yīng)的消除

為了提高量子效率，高光譜相機(jī)采用背部減薄的背照式CCD方案和Si基減薄型短波紅外探測(cè)器方案，然而，上述背部減薄的探測(cè)器應(yīng)用于高光譜分辨率成像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉條紋(Etalon效應(yīng))[14-15]，當(dāng)光譜分辨率超過(guò)5 nm時(shí)，Etalon效應(yīng)引起的信號(hào)調(diào)制度將高達(dá)±25%，對(duì)系統(tǒng)的輻射、光譜定量化水平將產(chǎn)生極大地影響。項(xiàng)目研制過(guò)程中提出一種單層介質(zhì)干涉理論模型，將多層介質(zhì)干涉模型中除耗盡區(qū)以外其它介質(zhì)層的影響統(tǒng)一歸納為一個(gè)精細(xì)度系數(shù)，可將模型簡(jiǎn)化為入射介質(zhì)、耗盡區(qū)、出射介質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了Etalon干涉效應(yīng)的高精度表征，大幅提升了模型的實(shí)用性；定量仿真分析了入射角、介質(zhì)厚度、精細(xì)度系數(shù)、光譜分辨率、像元合并、入射光的光譜特征以及CCD 的工作溫度等因素對(duì)干涉條紋的影響，揭示了干涉條紋在各影響因素下的變化規(guī)律?；诳梢娊t外、短波紅外波段的Etalon效應(yīng)提出了不同的干涉條紋消除方法，根據(jù)以上分析研究的結(jié)果，系統(tǒng)性的通過(guò)像元合并等方式，將Etalon效應(yīng)影響降低到可接受的范圍之內(nèi)，通過(guò)與圖像非均勻性校正處理算法的結(jié)合，解決了因Etalon效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)光譜和輻射帶來(lái)的影響。

4 相機(jī)在軌性能

資源一號(hào)02D衛(wèi)星成功發(fā)射后，采用敦煌場(chǎng)地定標(biāo)區(qū)域計(jì)算了AHSI相機(jī)的圖像信噪比，并反推到1個(gè)太陽(yáng)常數(shù)、60°太陽(yáng)高度角、50%地物反照率下的信噪比，如圖9所示；可以看出，由于資源一號(hào)02D衛(wèi)星采用了波段合并的方式，顯著提升了單波段的信噪比，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，有利于對(duì)各種資源礦物及油氣開展精度更高的勘查。

圖9 在軌信噪比測(cè)試結(jié)果Fig.9 Measurement results on-orbit

資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHST相機(jī)已經(jīng)獲取了超過(guò)10萬(wàn)景的地物高光譜影像數(shù)據(jù)，從中選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行三波段偽彩色合成，結(jié)果如圖10，11所示(紅：681 nm，綠：852 nm，藍(lán)：552 nm)，圖像清晰，細(xì)節(jié)豐富，信噪比高，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。

AHSI高光譜相機(jī)在軌對(duì)幅寬、光譜范圍、光譜分辨率、空間分辨率、信噪比、定標(biāo)精度等相機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯珹HSI高光譜相機(jī)在軌各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相機(jī)研制技術(shù)要求且系統(tǒng)性能良好。

圖10 可見近紅外三波段(澳大利亞海邊)合成圖像VNIRFig.10 Three band composite image in VNIR bands of Australia sea

圖11 短波紅外三波段(天津港)合成圖像Fig.11 Three band composite image in SWIR bands of Tianjin port

表2 AHSI高光譜相機(jī)在軌測(cè)試結(jié)果Table 2 Summary of on-orbit performance

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星的主載荷——可見光短波紅外高光譜相機(jī)(AHSI)的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、特點(diǎn)以及在軌測(cè)試結(jié)果。AHSI相機(jī)在軌穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)、優(yōu)良性能及獲取的高質(zhì)量高光譜圖像，進(jìn)一步驗(yàn)證了相機(jī)采取的大相對(duì)孔徑望遠(yuǎn)鏡成像，低畸變大平場(chǎng)精細(xì)分光、大規(guī)模紅外焦平面探測(cè)器、長(zhǎng)壽命大冷量制冷機(jī)、高速低噪聲信號(hào)獲取處理等技術(shù)的有效性，通過(guò)場(chǎng)地定標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果證明了大氣校正儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣參數(shù)的精確反演。資源一號(hào)02D衛(wèi)星的在軌成功運(yùn)行，將在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然資源調(diào)查、油氣礦產(chǎn)勘察等方面發(fā)揮重要的作用。