孫德新 柴孟陽 劉銀年 陳塞崎 崔璨璨 孫紀文 林軍 劉書鋒 姚舜 馮雪飛，3 周魏乙諾 叢強 柯有龍 季誠勝 朱玉瓊 徐君

(1 中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海 200083) (2 南通智能感知研究院，江蘇南通 226000)(3 啟東中科光電遙感中心，江蘇啟東 226200) (4 中國航天科技集團有限公司，北京 100048)(5 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094) (6 中國資源衛(wèi)星應用中心，北京 100094)

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星是國家民用空間基礎設施“十三五”規(guī)劃中提出的“4+4”衛(wèi)星星座中的2顆光學衛(wèi)星，它們狀態(tài)及配置均一致，于2020年9月27日在山西太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭雙星”的方式成功發(fā)射入軌。作為衛(wèi)星主載荷之一的紅外相機，每顆衛(wèi)星各搭載1臺，且技術狀態(tài)完全相同。相機具有720 km幅寬、48 m/96 m空間分辨率，可實現可見光近紅外、短波紅外、中波紅外及長波紅外的寬譜多譜段觀測；在植被紅邊、植被含水量、地表低中高端溫度反演、煙霧識別等方面具有突出的應用潛力。在雙星組網條件下，衛(wèi)星可服務于我國及其他范圍內的環(huán)境和災害全天時、短重復周期的有效監(jiān)測預報，為災后救援重建、生態(tài)環(huán)境治理等工作提供重要的科學依據。

對紅外相機的在軌測試工作是監(jiān)測其在軌運行情況的主要手段，是評價其在軌性能的主要依據，也是紅外圖像數據應用的前提和基礎[1]。對于紅外相機，主要通過對其圖像的幾何特性、輻射特性和在軌定標數據的綜合分析實現在軌測試和評價[2]。另外，紅外相機在軌運行的穩(wěn)定性和高可靠性是其運行安全的重要保證[3]。因此，定期檢查紅外相機在軌測試期間的遙測參數和在軌性能長期運行的穩(wěn)定性具有重要意義。

2020年10月20日，環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星上的2臺紅外相機依次開機，成功獲得了首批圖像。本文重點闡述了2顆衛(wèi)星紅外相機的在軌性能指標測試情況，從幾何特性和輻射特性綜合評價了其性能指標。此外，對相機在軌運行1年來的穩(wěn)定性進行了評估。

1 紅外相機幾何特性評估

1.1 空間幾何特性評估

環(huán)境減災二號A/B發(fā)射入軌后，在2020年10月-2021年4月開展了紅外相機的在軌幾何特性測試，包括幅寬、空間分辨率、配準精度測試，測試結果見表1。

表1 紅外相機幅寬、空間分辨率和譜段間配準精度在軌測試結果Table 1 On-orbit test results of breadth, spatial resolution and interspectral registration accuracy of infrared camera

根據表1所示：環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星紅外相機B1～B9譜段實測幅寬均大于745 km，A衛(wèi)星紅外相機B1～B5譜段空間分辨率的平均值為47.37 m，B6～B9譜段的為95.33 m；B衛(wèi)星紅外相機B1～B5譜段空間分辨率的平均值為47.36 m，B6～B9譜段的為95.33 m。2顆衛(wèi)星紅外相機各譜段垂軌和沿軌方向配準精度均優(yōu)于0.2像元。相較于美國陸地衛(wèi)星-8，9(Landsat-8，9)載荷[4-6]，紅外相機在空間分辨率相當的條件下幅寬是其4倍。

1.2 在軌傳遞調制函數(MTF)評價

MTF是客觀評價光電成像系統(tǒng)成像質量的重要指標，具有能夠真實反映成像系統(tǒng)空間頻率響應特性的能力[7]。本文采用刃邊法[8]對2臺紅外相機開展各個譜段MTF值的在軌測試，通過對圖像中的刃邊進行采樣，提取刃邊輪廓擬合點，并基于最小二乘的思想，對刃邊輪廓線進行直線線性擬合；進一步獲取邊緣擴展函數(ESF)，對其求導得到線擴展函數(LSF)。得到LSF之后，取包含峰值及足夠寬度的區(qū)間進行LSF的離散化，然后對此區(qū)間做1維離散傅立葉變換，對其取模，得到圖像關于頻率的MTF曲線。

選取環(huán)境減災二號A衛(wèi)星在2021年5月31日獲取的1 725 378景圖像數據進行在軌MTF測試，選取測試區(qū)域見圖1。

圖1 環(huán)境減災二號A衛(wèi)星紅外相機選取的動態(tài)MTF測試區(qū)域Fig.1 Test area of dynamic MTF from infrared camera in HJ-2A satellite

選取環(huán)境減災二號B衛(wèi)星在2021年5月29日獲取的167 687景圖像數據進行在軌MTF測試，選取測試區(qū)域見圖2。

圖2 環(huán)境減災二號B衛(wèi)星紅外相機選取的動態(tài)MTF測試區(qū)域Fig.2 Test area of dynamic MTF from infrared camera in HJ-2B satellite

2臺紅外相機各個譜段MTF的在軌測試結果見表2。環(huán)境減災二號A衛(wèi)星紅外相機各譜段的在軌實測MTF值不小于0.26，B衛(wèi)星紅外相機在軌實測MTF值不小于0.25。紅外相機的動態(tài)MTF是監(jiān)測其在軌運行狀態(tài)和性能變化的參考依據之一，其與地面依靠專門儀器測試結果一致，由此說明紅外相機在軌運行狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠。

表2 紅外相機B1～B9譜段的MTFTable 2 MTF of B1～B9 spectral bands of infrared cameras

2 紅外相機在軌輻射特性評估

2.1 B1～B6譜段在軌信噪比測試

針對紅外相機B1～B6譜段的在軌信噪比測試[9]，利用2021年6月26日獲取的環(huán)境減災二號A衛(wèi)星202 306、202 307景和B衛(wèi)星198 386、198 387景的星上漫反射板定標數據，計算B1～B6譜段的信噪比。星上漫反射板的太陽高度角(即太陽光線與漫反射板之間的夾角)[10]分別為35°和32°，反射率為0.98，將其推算到高度角為70°、反射率為0.65條件下的信噪比，如表3所示。

表3 B1～B6譜段信噪比Table 3 SNR of B1～B6 spectral bands

2.2 B7～B9譜段在軌靈敏度評估

各譜段的輻射分辨率為噪聲等效溫差。其定義為在指定的目標溫度下(中波370 K，長波320 K)，目標的溫度變化引起系統(tǒng)輸出信噪比的變化，利用2021年1月23日獲取的環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星星上黑體數據。分別得到2顆衛(wèi)星B7譜段在溫度370 K及B8和B9譜段在溫度320 K的噪聲等效溫差。測量結果如表4所示。A衛(wèi)星紅外相機在軌實測B7～B9譜段探測靈敏度分別為0.03 K(溫度370 K)，0.10 K(溫度320 K)，0.17 K(溫度320 K)；B衛(wèi)星紅外相機在軌實測B7～B9譜段探測靈敏度分別為0.03 K(溫度370 K)，0.11 K(溫度320 K)，0.18 K(溫度320 K)。

表4 在軌實測紅外相機的B7～B9譜段探測靈敏度Table 4 Detection sensitivities of B7～B9 spectral bands of infrared cameras

2.3 在軌相對輻射定標精度評估

星載紅外相機在軌輻射定標是定量遙感的核心和基礎，其定標精度直接決定定量遙感產品的質量[11]；相對輻射定標指的是確定場景中各像元之間、各探測器之間、各譜段之間及不同時間測得的輻射量的相對值[12]。本文選擇2級產品數據，再選擇多塊均勻目標區(qū)域測量圖像相對輻射精度。本文采用廣義噪聲法[13]評價相對輻射校正精度。由于相對輻射定標精度與地物均勻性有關，因此根據多塊均勻目標區(qū)域(沙漠)的最優(yōu)結果作為相對輻射定標精度評價測試結果，如表5所示。

表5 相對輻射定標精度評價結果Table 5 Results of relative radiometric calibration accuracy evaluation %

2.4 在軌絕對輻射定標精度評估

紅外相機在軌輻射定標主要包含探測器響應的非均勻性校正(相對輻射定標)和建立相機輸出信號值與輸入輻射量的函數關系(絕對輻射定標)，前者是輻射定標的中間環(huán)節(jié)，后者是輻射定標的最終目標[12]。以下為環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星2臺紅外相機進行在軌絕對輻射定標精度數據。

2.4.1 B1～B6譜段

可見光短波紅外譜段星上絕對輻射定標的精度受太陽輻射穩(wěn)定性、太陽光角度測量誤差、漫反射板雙向發(fā)射函數測量誤差、漫反射板均勻性、漫反射板在軌穩(wěn)定性、系統(tǒng)雜散光、系統(tǒng)響應線性度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電子學隨機誤差及指向鏡反射率測試誤差因素影響。B1～B6譜段星上絕對定標精度見表6。

表6 紅外相機的B1～B6譜段星上絕對輻射定標精度分析Table 6 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B1～B6 spectral bands of infrared cameras %

對于太陽輻射的穩(wěn)定性，已有氣象部門和國家計量部門經過長期的觀測和研究,認為太陽輻射的長期不確定性在1%以內[14]。針對定標時刻太陽角度誤差進行分析，當太陽光與漫反射板法線呈35°天頂角入射漫反射板時，按小角度范圍內雙向發(fā)射函數可以認為是恒定值，入射天頂角測量誤差引起的不確定度在0.61%以內；漫反射板雙向發(fā)射函數值由中國計量科學研究院測量得到，其提供的測試報告表明，在可見光近紅外和短波紅外譜段測量的雙向反射分布函數測量不確定度為1%；星上定標漫反射板非均勻性裝星前優(yōu)于0.5%?？紤]入軌后可能產生的局部漫反射率變化，漫反射板均勻性估計在2%左右，在儀器內部設置漫反射板穩(wěn)定性監(jiān)視比輻射計，測量不確定度優(yōu)于1.5%；系統(tǒng)響應線性度由探測器和測量系統(tǒng)決定，由響應線性度測得數據，按可見光近紅外為0.87%和短波紅外為0.91%進行計算；系統(tǒng)穩(wěn)定性主要指定標期間的系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要受探測器、相機工作環(huán)境和外界溫度場變化影響。本文按可見光近紅外優(yōu)于0.41%和短波紅外優(yōu)于0.24%計算；電子學隨機誤差主要是由探測器讀出噪聲、電路噪聲引起的，信噪比測試結果均優(yōu)于46 dB，這部分誤差影響為信噪比的倒數，精度按可見光近紅外小于1.87%和短波紅外小于1.79%計算。結果顯示：紅外相機絕對輻射定標精度優(yōu)于3.69%。

2.4.2 B7～B9譜段

中長波紅外譜段星上絕對輻射定標精度受星上面源黑體的均勻性、穩(wěn)定性、測溫精度、發(fā)射率誤差、發(fā)射率均勻性、發(fā)射率衰減、背景輻射非一致性、系統(tǒng)響應線性度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及電子學隨機誤差等方面的影響[15]。B7～B9譜段星上絕對定標精度見表7。

表7 紅外相機的B7～B9譜段星上絕對輻射定標精度分析Table 7 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B7～B9 spectral bands of infrared cameras K

對星上黑體使用面陣紅外測溫儀獲取黑體在真空罐內的均勻性。經實測，星上黑體均勻性優(yōu)于0.2 K。本文中的黑體溫度穩(wěn)定性按小于0.005 K(在3 min內)。黑體采用高精度測溫電阻測溫，16 bit數字量化，測溫精度0.005 K。黑體發(fā)射率的均勻性主要由黑體表面狀態(tài)和涂層決定。根據中國計量科學研究院的實測結果，黑體表面發(fā)射率為0.989±0.005。由此可算出黑體反射率誤差對紅外定標精度的影響優(yōu)于0.02 K。發(fā)射率均勻性引入誤差為B7譜段0.24 K、B8譜段0.42 K、B9譜段0.48 K，根據實驗室真空測試結果可知，背景輻射非一致性誤差對長波定標精度的影響優(yōu)于0.04 K。根據紅外相機輻射定標的相應非線性測量結果，B7譜段探測器響應非線性對測量精度的影響優(yōu)于0.09 K，B8和B9譜段探測器響應非線性對測量精度的影響優(yōu)于0.16 K。定標期間的系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要受相機工作環(huán)境和外界溫度場變化的影響。中長波紅外系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于0.2 K。系統(tǒng)噪聲引入誤差主要是受紅外相機噪聲等效溫差限制，噪聲等效溫差結果為B7譜段優(yōu)于0.03 K，B8和B9譜段優(yōu)于0.2 K。B7～B9譜段的絕對輻射定標精度均優(yōu)于0.62 K。

2.5 在軌輻射定標評估特點

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星紅外相機采用的在軌相對輻射定標及在軌絕對輻射定標評估方法具有以下特點。

(1)通過前端指向鏡實現成像/定標光路的迅速切換，配合全口徑的漫反射板及變溫黑體等星上定標設備，實現高頻次的在軌全口徑、全光路的全譜段輻射定標。

(2)通過衛(wèi)星配合機動實現每次對日定標時刻太陽能量的一致性，并設置比輻射計在軌同步開展漫反射板反射率監(jiān)測并對定標結果實時修正，大幅提升在軌輻射定標精度。

(3)對日定標時刻通過改變漫反射板角度實現多個可見光短波紅外譜段能級定標，變溫黑體定標結合高頻次的冷空間定標實現多個熱紅外譜段能級定標，全譜段均可獲得覆蓋動態(tài)范圍高低端的輻射定標系數，定標過程中消除了大氣影響，定標精度更高。

3 紅外相機在軌穩(wěn)定性評估

紅外相機在軌長期穩(wěn)定的工作是服務我國環(huán)境及災害監(jiān)測領域的關鍵。紅外相機采用高精度高穩(wěn)定擺掃機構、深低溫制冷、在軌自定標設備等核心技術，可實現幅寬超720 km的可見光短波紅外至長波紅外寬譜段信息獲取，因此從在軌深低溫控溫性能、掃描機構與消角機構穩(wěn)定性、在軌定標漫反射性能、信號穩(wěn)定性評估多個角度綜合評價紅外相機在軌穩(wěn)定性，具有極強的代表性。

3.1 在軌深低溫控溫性能評估

紅外相機紅外探測器采用分置式斯特林制冷機，將其制冷到50 K低溫下工作，制冷機冷頭溫度和工作電流的穩(wěn)定性決定了制冷機在軌工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，本文給出了從2020年10月-2021年9月紅外相機制冷機冷頭溫度和工作電流數據，結果見圖3和圖4?？梢钥闯觯褐评錂C在軌運行期間，冷頭溫度和工作電流穩(wěn)定，反映了制冷機良好的工作狀態(tài)，說明了2臺紅外相機在軌深低溫控溫性能良好。

圖3 制冷機冷頭溫度在軌測試結果Fig.3 On-orbit test results of cold heads temperature of refrigerators

圖4 制冷機電流在軌測試結果Fig.4 On-orbit test results of current of refrigerators

3.2 掃描機構與消角機構穩(wěn)定性評估

紅外相機主體上設置了掃描鏡機構，用于實現相機穿軌方向上慢掃快回成像及在軌輻射定標指向。另外，設置消角動量機構與掃描鏡同軸安裝，利用反向轉動消除掃描鏡機構擺掃過程中產生的剩余角動量。

3.2.1 掃描機構的穩(wěn)定性能評估

在對地掃描成像時，將掃描鏡指向星下點時的角度定義為45°，在45°±15°范圍內慢掃快回對地擺掃成像，掃描鏡勻速掃描時間代表獲取1幀穿軌圖像所用幀時，掃描時間的穩(wěn)定性直接決定了圖像的配準和拼接精度，勻速掃描速度則體現出每次掃描過程中掃描鏡轉動的穩(wěn)定性。本文給出了2020年10月-2021年9月掃描鏡機構運行時的勻速掃描時間和勻速掃描速度，結果見圖5和圖6。可以看出：在近1年的工作時間內，掃描機構勻速掃描時間、勻速掃描速度數據穩(wěn)定，一致性好，表明掃描機構在軌工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 勻速掃描時間在軌測試結果Fig.5 On-orbit test results of uniform scanning time

圖6 勻速掃描速度在軌測試結果Fig.6 On-orbit test results of uniform scanning speed

3.2.2 消角機構的穩(wěn)定性能評估

紅外相機掃描鏡運轉時產生的剩余角動量最高可達到0.064 2 kg·m2，為消除掃描鏡擺掃時剩余角動量對整星姿態(tài)的影響，在紅外相機上設置消角動量裝置將剩余角動量限制到允許的范圍內。該消角動量裝置安裝在掃描鏡機構電機的另一側，與掃描鏡機構同軸布置，采用驅動電機帶動不銹鋼慣量盤同軸反向運轉實現角動量的補償；剩余角動量的穩(wěn)定性直接反映了消角機構的運行狀態(tài)。剩余角動量ΔL由式(1)計算。

ΔL=|ωs·Is-ωx·Ix·cosθ|

(1)

式中：ωs為掃描鏡機構實測角速度；Is為掃描鏡機構轉動慣量(模型計算值為0.07 kg·m2)；ωx為消角機構實測角速度；Ix為消角機構轉動慣量(模型計算值為0.002 3 kg·m2)；θ為掃描鏡機構轉軸和消角機構轉軸的軸線夾角，考慮余量取最大值(如圖7所示，掃描鏡機構轉軸和消角機構轉軸的同軸度由同軸工裝保證，該同軸工裝兩端與兩軸的最大總間隙為0.05 mm，兩軸端間隙為33 mm，因此兩軸夾角θ的最大值為arcsin(0.05/33)=0.087°)。

本文統(tǒng)計了2020年10月-2021年9月獲取的紅外相機在軌剩余角動量數據，如圖7所示。可以看出：環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星的2臺紅外相機剩余角動量數據穩(wěn)定，一致性良好；消角機構在軌工作穩(wěn)定。

圖7 剩余角動量在軌測試結果Fig.7 On-orbit test results of residual angular momentum

3.3 紅外相機在軌定標漫反射板性能評估

可見光近紅外(B1～B6譜段)等反射通道的在軌輻射定標，通過太陽光與漫反射板組合，并配合衛(wèi)星機動的方式實現。漫反射板在空間環(huán)境下的穩(wěn)定性將直接影響紅外相機在軌輻射定標結果及數據反演結果，需要紅外相機具備在軌期間對其反射性能持續(xù)測試評估的能力[16]。

為了便于監(jiān)測并修正因漫反射板衰減引入的定標誤差，紅外相機在星上設置比輻射計組件，以穩(wěn)定已知的太陽為參照，通過對不同時間段漫射板的比對測量監(jiān)測漫射板的反射率衰變，對漫射板性能及輻射定標計算公式進行實時修正[17]。比輻射計共設置4個通道，分別對應紅外相機的B1，B2，B3，B5譜段。對日定標時刻，比輻射計通過電磁閥切換連續(xù)采集對日、對漫反射板信號，通過日板響應比例判斷漫反射板衰減情況。

紅外相機入軌以來，經過參數調優(yōu)后于2021年3月與2021年6月開展了2次對日輻射定標工作。以2021年3月數據為基準，使用6月對日定標數據對漫反射板3個月內各譜段的衰減情況進行評估。2次對日定標的太陽天頂角均為52°，提取環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星輔助數據，取比輻射計的2次日地口比值，測試結果見表8。

表8 比輻射計2次定標日板比例因子測試結果Table 8 Results of scale factors of calibration plates in ratioing radiometers at two different times

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星比輻射計存在一定差異，因此它們的日板比例因子略有不同。以2021年3月數據為基準，代入表9中各譜段漫反射板初始反射率，計算得到2021年6月各譜段反射率變化情況。由比輻射計結果可知：漫反射板各譜段內反射率在3個月內衰減輕微(最大約0.3%)。

表9 漫反射板4個譜段反射率在3個月內衰減情況計算結果Table 9 Calculation results of attenuation of reflectance for 4 spectral bands of diffuse reflector in 3 months

3.4 信號穩(wěn)定性評估

為了對在軌期間紅外相機信號穩(wěn)定性進行評估，本文從環(huán)境減災二號A衛(wèi)星紅外相機選取2021年2月5日和2021年6月25日的冷空間觀測數據進行比對，環(huán)境減災二號B衛(wèi)星紅外相機選取2021年3月19日和同年6月25日數據進行比對，比對結果詳見表10。從表10中可以看出：環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星紅外相機的圖像暗電平數據穩(wěn)定。

表10 紅外相機暗信號比對Table 10 Comparison of dark signals of infrared cameras

對在軌B1～B6譜段，通過STK軟件分別仿真2021年3月11日及2021年6月25日定標時刻的日地距離，求得日地距離修正因子為4.368%。同時，代入比輻射計獲取的漫反射板衰減系數，求得3月和6月2臺紅外相機各譜段響應值，見表11。

表11 紅外相機響應信號數據比對Table 11 Comparison of response signals of infrared cameras

考慮定標時刻紅外相機指向精度及噪聲等因素，誤差在合理區(qū)間內。B7～B9譜段因參數調整完成后，只進行了1次黑體定標，缺乏長期比對的數據，因此本文未進行2臺紅外相機B7～B9譜段響應穩(wěn)定性的評估。

4 結束語

環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星紅外相機在2020年10月-2021年6月完成了在軌性能測試工作。2臺紅外相機B1～B9譜段實測幅寬、空間分辨率均優(yōu)于指標；各譜段垂軌和沿軌方向配準精度均優(yōu)于指標要求的0.3像元；2臺紅外相機各譜段的在軌實測MTF值均優(yōu)于0.25。在軌輻射特性的方面，2臺紅外相機B1～B6譜段的信噪比、B7～B9譜段的探測靈敏度均優(yōu)于指標要求，紅外相機相對輻射定標精度、絕對輻射定標精度均優(yōu)于指標要求。最后，利用在軌實測數據對2臺紅外相機在軌1年的工作穩(wěn)定性進行了測試評估。結果表明，2臺紅外相機的制冷機、掃描機構與消角機構等在軌工作正常穩(wěn)定；在軌運行期間輻射響應信號變化百分比優(yōu)于0.7%，信號穩(wěn)定性良好。