劉銀年 孫德新 梁建 朱海健 劉書(shū)鋒 李勛

(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 南通智能感知研究院，江蘇南通 226000)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱(chēng)為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)可見(jiàn)短波紅外高光譜相機(jī)(AHSI)隨整星于2019年9月12日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并成功進(jìn)入預(yù)定的778 km高度太陽(yáng)同步軌道。該相機(jī)是國(guó)際上首臺(tái)兼顧寬覆蓋、寬譜段并具備高定量化水平的星載高光譜相機(jī)。它能夠以60 km幅寬、30 m空間分辨率在400～2500 nm寬光譜范圍內(nèi)以10～20 nm光譜分辨率同時(shí)獲取166個(gè)光譜通道下地物的影像和光譜信息。

對(duì)遙感器的在軌測(cè)試工作是監(jiān)測(cè)其在軌運(yùn)行情況的主要手段，是評(píng)價(jià)其在軌性能的主要依據(jù)，也是遙感器圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)[1-2]。美國(guó)陸地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星-1(EO-1)的高光譜相機(jī)(Hyperion)是過(guò)去十幾年來(lái)最經(jīng)典的星載高光譜載荷，主要通過(guò)對(duì)其圖像的光譜特性、輻射特性、幾何特性和圖像質(zhì)量的綜合分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感器的在軌測(cè)試和評(píng)價(jià)[3-6]。遙感器在軌運(yùn)行的穩(wěn)定性和高可靠性也是遙感器運(yùn)行安全的重要保證[7]。因此，定期檢查相機(jī)在軌測(cè)試期間的遙測(cè)參數(shù)和在軌性能長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。

本文首先介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)的主要工作模式，然后闡述了AHSI相機(jī)的在軌性能指標(biāo)測(cè)試情況，從光譜特性、輻射特性和幾何特性來(lái)綜合評(píng)價(jià)其星地一體化指標(biāo)。此外，對(duì)AHSI相機(jī)在軌運(yùn)行一年多的成像穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對(duì)其在軌性能和穩(wěn)定性進(jìn)行總結(jié)。

1 AHSI在軌主要工作模式

AHSI入軌后的前幾個(gè)月主要是進(jìn)行了儀器的啟動(dòng)和在軌性能的測(cè)控和調(diào)試工作。首先是相機(jī)工作和成像模式的測(cè)試，主要包括星下點(diǎn)推掃成像和在軌偏航定標(biāo)。

1)星下點(diǎn)推掃成像模式

在光照區(qū)對(duì)用戶(hù)定制的特定區(qū)域進(jìn)行星下點(diǎn)連續(xù)推掃成像，默認(rèn)狀態(tài)為兩個(gè)波段同時(shí)工作，也可根據(jù)地面指令控制可見(jiàn)近紅外(VNIR)和短波紅外(SWIR)兩個(gè)波段分時(shí)工作。數(shù)據(jù)傳輸默認(rèn)狀態(tài)為無(wú)損壓縮的數(shù)據(jù)。此外，166個(gè)通道可以按地面上注數(shù)據(jù)指令選擇任意指定通道下傳。

2)在軌定標(biāo)模式

預(yù)設(shè)每?jī)蓚€(gè)星期進(jìn)行在軌光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)，在軌定標(biāo)頻次可調(diào)整。定標(biāo)期間默認(rèn)狀態(tài)為兩個(gè)波段同時(shí)工作，也可以根據(jù)地面指令控制VNIR和SWIR兩個(gè)波段分時(shí)工作。

在經(jīng)過(guò)制冷機(jī)和成像參數(shù)調(diào)優(yōu)、暗電平校正、相對(duì)輻射校正、幾何校正及配準(zhǔn)、在軌光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)并處理等工作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)AHSI相機(jī)在軌主要性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

2 AHSI相機(jī)在軌主要性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

AHSI相機(jī)在軌主要性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括：光譜特性評(píng)價(jià)、輻射特性評(píng)價(jià)和幾何特性評(píng)價(jià)。結(jié)合AHSI相機(jī)載荷特點(diǎn)，在軌分別進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)。

2.1 在軌光譜特性

高光譜相機(jī)的光譜特性主要通過(guò)光譜范圍、光譜分辨率、橫向光譜偏差和光譜定標(biāo)精度4項(xiàng)指標(biāo)來(lái)描述。

光譜范圍是相機(jī)獲取的光譜通道覆蓋的波長(zhǎng)范圍，是第一個(gè)波段前光譜半峰值功率點(diǎn)的和最后一個(gè)波段后光譜半峰值功率點(diǎn)波長(zhǎng)所覆蓋的范圍。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(cè)器的響應(yīng)特性有關(guān)。在軌測(cè)試期間，通過(guò)判斷圖像首尾有效響應(yīng)通道，參考實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)結(jié)果，計(jì)算對(duì)應(yīng)通道光譜半峰值功率點(diǎn)的波長(zhǎng)值，測(cè)得資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)光譜范圍為0.395～2.501 μm。

光譜分辨率是相機(jī)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔，反映了相機(jī)光譜分辨的能力，每個(gè)光譜通道光譜響應(yīng)半峰值功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的寬度。在軌測(cè)試期間，選取敦煌定標(biāo)場(chǎng)圖像典型大氣吸收位置(O2吸收峰曲線(xiàn)，CO2吸收峰曲線(xiàn)或水汽吸收曲線(xiàn))，基于實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)結(jié)果中的光譜分辨率，分別加入-4～+4 nm的模擬漂移量，通過(guò)光譜匹配法得到VNIR波段光譜分辨率約為8.75 nm，SWIR波段光譜分辨率約為16.27 nm。

橫向光譜偏差又稱(chēng)為光譜彎曲，是指通過(guò)線(xiàn)視場(chǎng)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)分光成像后，在探測(cè)器光譜維上某行像元在不同視場(chǎng)其光譜波長(zhǎng)的偏離程度，反映了相機(jī)在不同視場(chǎng)對(duì)應(yīng)光譜波長(zhǎng)的一致性。基于衛(wèi)星過(guò)境場(chǎng)地替代光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)的橫向光譜偏差測(cè)試結(jié)果為，VNIR達(dá)到0.125 nm，SWIR達(dá)到0.025 nm，均滿(mǎn)足≤1 nm的指標(biāo)要求。

光譜定標(biāo)精度反映了光譜定標(biāo)的設(shè)備、方法及算法造成光譜標(biāo)定的誤差大小。相機(jī)在軌光譜定標(biāo)主要基于大氣廓線(xiàn)獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)。光譜定標(biāo)精度在軌測(cè)試選取敦煌定標(biāo)場(chǎng)圖像，提取出滿(mǎn)足要求地物的光譜輻亮度后，從中選取O2、H2O和CO2的特征峰，通過(guò)尋峰處理計(jì)算得到峰值點(diǎn)的波長(zhǎng)，將該波長(zhǎng)與特征峰的理論波長(zhǎng)值進(jìn)行比較，求兩者的絕對(duì)偏差，結(jié)果表明VNIR偏差平均為0.6 nm，SWIR偏差平均為0.75 nm。

2.2 在軌輻射特性

高光譜相機(jī)輻射特性主要指儀器信噪比、相對(duì)輻射定標(biāo)精度、絕對(duì)輻射定標(biāo)精度和動(dòng)態(tài)范圍。

采用敦煌定標(biāo)場(chǎng)區(qū)域計(jì)算圖像信噪比，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(見(jiàn)圖1)。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(kāi)展精度更高的勘查。

圖1 AHSI相機(jī)在軌信噪比測(cè)試結(jié)果Fig.1 On-orbit SNR measurement results of AHSI

相對(duì)輻射定標(biāo)用于消除由于探測(cè)器在空間上的響應(yīng)不一致、在時(shí)間上的不穩(wěn)定性、以及電路噪聲所引起的非均勻性輻射失真[8]。

1)平均行標(biāo)準(zhǔn)差法

該算法先計(jì)算相對(duì)輻射校正后圖像每列的平均值，得到一個(gè)平均行，然后計(jì)算該行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，再除以整幅圖像的平均值，即為通過(guò)該圖像計(jì)算得到的相對(duì)定標(biāo)精度。計(jì)算公式如下

(1)

2)平均標(biāo)準(zhǔn)差法

對(duì)相對(duì)輻射校正后圖像的各行計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，然后除以該行的平均值，得到各行的校正精度，取其平均值即為該圖像計(jì)算得到的相對(duì)定標(biāo)精度。

(2)

(3)

3)廣義噪聲法

對(duì)相對(duì)輻射校正后的圖像，計(jì)算每列圖像均值和整幅圖像均值，并求兩者差值的絕對(duì)值平均值，然后求該值與整幅圖像均值的比值，該比值即為圖像的廣義噪聲。

(4)

對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)獲取的對(duì)地成像影像進(jìn)行分析，在敦煌定標(biāo)場(chǎng)選取了8個(gè)區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，平均相對(duì)輻射校正精度平均行標(biāo)準(zhǔn)差法可見(jiàn)通道達(dá)到0.37%，短波通道達(dá)到0.82%；平均標(biāo)準(zhǔn)差法可見(jiàn)通道達(dá)到0.68%，短波通道達(dá)到1.38%；廣義噪聲法可見(jiàn)通道達(dá)到0.32%，短波通道達(dá)到0.65%，均優(yōu)于3%的指標(biāo)要求，如圖2所示。

圖2 敦煌定標(biāo)場(chǎng)區(qū)域分布示意圖Fig.2 Regions of interest in Dunhuang calibration field

而絕對(duì)輻射定標(biāo)指由于外界因素，數(shù)據(jù)獲取和傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)的、隨機(jī)的輻射失真進(jìn)行的校正，消除或改正因輻射誤差而引起影像失真的過(guò)程。從星上絕對(duì)輻射定標(biāo)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的誤差分析來(lái)看，輻射定標(biāo)精度均滿(mǎn)足7%的指標(biāo)要求。

2.3 在軌幾何特性

高光譜相機(jī)幾何特性主要指圖像幅寬、星下點(diǎn)地面采樣距離、圖像波段配準(zhǔn)精度、平面定位精度等[9]。通過(guò)對(duì)不同緯度不同地區(qū)的6景資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出高光譜影像的平均幅寬為60.01 km，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

星下點(diǎn)地面采樣距離是描述傳感器能區(qū)分兩相鄰目標(biāo)地物之間的最小角度間隔或距離間隔，通常用地面采樣距離(Ground Sample Distance，GSD)來(lái)表示[10]。GSD是傳感器單個(gè)探元在原始圖像上對(duì)應(yīng)的距離的大小。通過(guò)對(duì)10軌不同地區(qū)的資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI相機(jī)影像進(jìn)行分析測(cè)試得出，高光譜影像的平均空間分辨率為29.913 m，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖像波段間配準(zhǔn)精度是對(duì)圖像的不同波段之間的定位、對(duì)齊或重合情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以一級(jí)圖像任意一個(gè)波段為匹配參考波段，在參考波段上均勻選擇若干控制點(diǎn)，以每個(gè)控制點(diǎn)為種子點(diǎn)，在參考波段和待匹配波段上提取一定大小的匹配窗口；然后對(duì)兩個(gè)對(duì)應(yīng)匹配窗口進(jìn)行匹配，搜索控制點(diǎn)在待匹配波段的同名點(diǎn)，再根據(jù)同名點(diǎn)及其相鄰幾個(gè)點(diǎn)在圖像中的位置和相關(guān)系數(shù)，擬合二次曲面，二次曲面的極值點(diǎn)就是控制點(diǎn)在待匹配圖像上的精確配準(zhǔn)位置。最后統(tǒng)計(jì)所有控制點(diǎn)的配準(zhǔn)精度作為波段的配準(zhǔn)精度。用以上方法統(tǒng)計(jì)5景在軌圖像，得到資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜圖像波段間配準(zhǔn)精度最大誤差為0.247像元，平均誤差為0.219像元，滿(mǎn)足小于0.25像元的指標(biāo)要求。

平面定位精度是指經(jīng)過(guò)幾何校正后的圖像上地理位置和真實(shí)位置之間的差異。高光譜相機(jī)在無(wú)控制點(diǎn)和星下點(diǎn)成像條件下，10景影像平面定位精度(Circle Error 90%，CE90)誤差最大值為95.539 m，平均值為69.004 m，符合小于100 m的指標(biāo)要求。

AHSI相機(jī)飛行產(chǎn)品對(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，如表1所示?？梢钥闯?，AHSI相機(jī)在軌各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足相機(jī)研制技術(shù)要求且系統(tǒng)性能良好。

表1 AHSI相機(jī)在軌測(cè)試結(jié)果Table 1 Summary of on-orbit performance characteristics

3 AHSI相機(jī)在軌穩(wěn)定性分析

AHSI相機(jī)目前已在軌運(yùn)行一年多，為評(píng)價(jià)相機(jī)在軌測(cè)試期間及交付后的性能在軌長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，我們分析了2019年11月6日、2019年11月30日、2019年12月28日和2020年5月12日四軌暗電平數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了所有像元沿軌方向上暗電平的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，暗電平數(shù)據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差差別很小，表明相機(jī)在軌運(yùn)行期間工作狀態(tài)穩(wěn)定性良好。

表2 在軌暗電平統(tǒng)計(jì)Table 2 On-orbit dark current statistics

4 結(jié)束語(yǔ)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見(jiàn)短波紅外高光譜相機(jī)完成了所有在軌測(cè)試工作，波段范圍達(dá)到0.395～2.501 μm，166個(gè)光譜通道信號(hào)均正常有效，信噪比可見(jiàn)近紅外最高達(dá)到近700，短波紅外最高達(dá)到近600；相機(jī)在軌光譜橫向偏差優(yōu)于1 nm，相機(jī)光譜定標(biāo)精度優(yōu)于0.1 nm，相對(duì)輻射定標(biāo)精度可見(jiàn)通道優(yōu)于0.5%，短波通道優(yōu)于1%；模塊間幾何配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.3個(gè)像元；平均絕對(duì)定位精度優(yōu)于70 m；多次測(cè)試數(shù)據(jù)表明光譜輻射響應(yīng)特性基本沒(méi)有變化。在軌測(cè)試結(jié)果表明，相機(jī)各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)均符合要求，入軌至今遙測(cè)數(shù)據(jù)和性能穩(wěn)定，相機(jī)系統(tǒng)性能良好。