法國高分辨率雙子星PLEIADES簡介及相關(guān)技術(shù)分析

許躒，李博，王惠，王瑞龍

（61512部隊(duì)，北京 100088）

2011年12月16日和2012年12月1日，法國成功地發(fā)射了兩顆0.5米高分辨率衛(wèi)星PLEIADES 1A和1B。這兩顆衛(wèi)星運(yùn)行在同一軌道高度，所有參數(shù)均相同，相位差180度，是一對(duì)真正的雙子星。同時(shí)，法國今明兩年發(fā)射的還有另外一對(duì)參數(shù)完全相同的雙子星——2012年9月9日發(fā)射的SPOT 6和2013年6月將要發(fā)射的SPOT 7，分辨率為1.5米。未來，這四顆衛(wèi)星將組成一個(gè)星群，重訪能力達(dá)到2次/日（45°度角、赤道處），并在分辨率上形成階梯互補(bǔ)的關(guān)系，極大地提高數(shù)據(jù)采集能力和對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急能力。衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃及星群關(guān)系如圖1、2所示。

圖1 法國新一代高分辨率衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃

圖2 法國新一代高分辨率衛(wèi)星星群關(guān)系

1 衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

法國和美國一直是世界地理空間成像衛(wèi)星領(lǐng)域的兩大競(jìng)爭(zhēng)者。法國的SPOT 5在同類衛(wèi)星產(chǎn)品中首屈一指，成為一顆經(jīng)典衛(wèi)星，而美國Digital Globle和GeoEye兩大衛(wèi)星公司旗下?lián)碛械目禅B、Worldview系列，IKONOS、GeoEye系列，使之在世界高分辨率成像方面長期處于領(lǐng)先地位。隨著PLEIADES的成功發(fā)射，法國也加入到了這個(gè)重要的市場(chǎng)。

表1將PLEIADES與SPOT 5和Worldview2衛(wèi)星的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，便于讀者在了解PLEIADES衛(wèi)星特點(diǎn)的同時(shí)，比較法國衛(wèi)星的發(fā)展變化，以及兩大衛(wèi)星國家主要代表產(chǎn)品之間的差異。

表1 衛(wèi)星參數(shù)對(duì)照表

2 重構(gòu)超分辨圖像技術(shù)的發(fā)展

衛(wèi)星影像分辨率的提高是制造者和使用者不斷追求的目標(biāo)。從1999年美國發(fā)射世界上第一顆1米分辨率測(cè)繪衛(wèi)星（IKONOS）開始，十幾年來，在世界各國的競(jìng)爭(zhēng)中，這個(gè)領(lǐng)域的衛(wèi)星傳感器的空間分辨率得到迅速提高。美國計(jì)劃于2014年發(fā)射的Worldview3立體測(cè)繪衛(wèi)星，可以獲得0.31米超高分辨率影像，更將達(dá)到一個(gè)新的高度，而影像分辨率的提高不僅僅依賴于光學(xué)系統(tǒng)制造工藝的提高，還可以利用軟件方法輔助實(shí)現(xiàn)。

2.1 影響光學(xué)系統(tǒng)遙感器空間分辨率的主要因素

傳感器的空間分辨率通常用地面像元分辨率（GSD）來定量表示，即接收器上的一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面尺寸大?。?/p>

GSD=a·H/f

a是成像器件的像元尺寸，H是軌道高度，f是傳感器光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

根據(jù)公式分析，可以從減小成像器件像元尺寸、降低遙感器軌道高度和增長光學(xué)系統(tǒng)焦距三個(gè)方面提高傳感器的空間分辨率。減小成像器件像元尺寸受當(dāng)前制造工藝水平的限制，并且隨著像元尺寸的減小需要增大光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑，這不利于減輕系統(tǒng)的重量。降低遙感器軌道高度會(huì)縮短衛(wèi)星的壽命，而且在視場(chǎng)角一定的情況下，軌道的降低會(huì)縮小傳感器對(duì)地面的覆蓋范圍，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)視和縮短重復(fù)觀測(cè)周期。增長光學(xué)系統(tǒng)焦距在軌道高度一定的情況下，增長光學(xué)系統(tǒng)焦距可以提高傳感器空間分辨率。在保持分辨率水平的前提下，焦距的增長可以使傳感器工作在更高的軌道高度，從而增大地面覆蓋范圍。但是，焦距的增長會(huì)使系統(tǒng)口徑的增大，造成加工、裝配和發(fā)射的難度，增加成本。

2.2 提高傳感器空間分辨率的主要技術(shù)

目前，國際上實(shí)現(xiàn)空間分辨率的提高主要有光學(xué)稀疏孔徑系統(tǒng)成像技術(shù)與重構(gòu)超分辨圖像技術(shù)。

①光學(xué)稀疏孔徑成像技術(shù)是為了解決增大光學(xué)系統(tǒng)口徑所面臨的困難提出的新概念，其原理是將多個(gè)小口徑的光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)精確的排列，通過相位匹配和光路調(diào)整，實(shí)現(xiàn)干涉成像，達(dá)到與其通光口徑相當(dāng)?shù)拇罂趶较到y(tǒng)的衍射極限的分辨率，從而避免制作大口徑高精度光學(xué)元件的困難，在提高系統(tǒng)空間分辨率的同時(shí)，有效減輕系統(tǒng)重量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化。

②重構(gòu)超分辨圖像技術(shù)，是通過提高采樣式成像系統(tǒng)探測(cè)器的時(shí)間和空間采樣頻率，達(dá)到提高空間分辨率的目的。根據(jù)采樣定理，現(xiàn)有遙感系統(tǒng)還不能達(dá)到從采樣信號(hào)中不失真地還原被采樣的模擬信號(hào)，也就是說，在不改變探測(cè)器像元尺寸或光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的條件下，成像系統(tǒng)所能獲取的空間頻率的潛能還未得到充分利用。因此，可以采用重構(gòu)圖像分辨率的技術(shù)，以儀器研制的最低代價(jià)提高探測(cè)器的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星高分辨率和小型化，具有很高的實(shí)用價(jià)值。該方法包括亞像元成像技術(shù)、斜模式采樣技術(shù)、水平減速采樣技術(shù)和細(xì)分采樣疊加技術(shù)等，其中亞像元成像技術(shù)得到普遍推廣，典型應(yīng)用是SPOT5 HRG相機(jī)、德國宇航中心研制的紅外遙感器HSRS（Hot Recoginition Sensors）和徠卡公司研制的ADS40數(shù)字航空相機(jī)的SPIRIT Ш傳感器。

③SPOT 5的重構(gòu)圖像分辨率方法，SPOT 5提出了超模式和高模式采樣兩個(gè)概念。這兩種概念的探測(cè)器排列方式是相同的，即焦平面上兩排CCD在探測(cè)器線陣方向上錯(cuò)開0.5個(gè)像元，在衛(wèi)星飛行方向上錯(cuò)開3.5個(gè)像元。兩者的唯一區(qū)別是，在超模式采樣方式中，探測(cè)器在推掃方向上的時(shí)間采樣頻率不變，而高模式采樣方式中，采樣頻率提高一倍。高模式采樣方式得到的圖像數(shù)據(jù)量是普通推掃式傳輸型遙感相機(jī)的4倍，合成的圖像理論空間分辨率提高1倍，超模式圖像數(shù)據(jù)量是普通推掃式傳輸型遙感相機(jī)的2倍，合成的圖像理論空間分辨率在兩個(gè)方向上均提高到原來的倍。高模式采樣將產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)、信噪比為常規(guī)采樣方式的一半，數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)要求更高。綜合各種因素，超模式得到了更廣泛的應(yīng)用。

SPOT 5初始模式的影像分辨率為5米，重構(gòu)后的影像分辨率為2.5米，下圖是其影像重構(gòu)的方法：

圖3 SPOT 5采用的超模式

④Pleiades的重構(gòu)圖像分辨率方法，從Pleiades衛(wèi)星的官方資料顯示，其全色影像初始模式的星下點(diǎn)分辨率為0.7米，重構(gòu)后影像分辨率為0.5米，多光譜影像則由2.8米采樣為2米。與SPOT 5不同，它所采用的是類似45度斜模式采樣法。

斜模式采樣是將單線陣傾斜一個(gè)角度進(jìn)行采樣，從而提高兩個(gè)方向上的采樣密度，達(dá)到提高空間分辨率的目的。相對(duì)于超模式和高模式采樣技術(shù)，斜模式采樣方法僅用一排線陣列探測(cè)器采用軟硬件結(jié)合的方法就可實(shí)現(xiàn)遙感圖像空間分辨率的提高，光學(xué)傳感器上需要改動(dòng)的硬件很少，工程上更加簡單，非常經(jīng)濟(jì)。

下圖說明了Pleiades影像重構(gòu)的方法。

圖4 Pleiades采用的重構(gòu)模式

3 結(jié)束語

與Pleiades的很多技術(shù)相比，我國的研究還處于起步階段。深入了解該衛(wèi)星，在使用的過程中研究和跟蹤其技術(shù)發(fā)展，將對(duì)我國衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展有重要的借鑒作用。