“高分五號(hào)”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)的研制

劉銀年

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“高分五號(hào)”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)的研制

劉銀年

（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）

可見短波紅外高光譜相機(jī)是“高分五號(hào)”衛(wèi)星上的主載荷之一，由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制，以60km幅寬、30m的地面分辨率和5~10nm的光譜分辨率，同時(shí)獲取地物在400~2 500nm范圍內(nèi)共330個(gè)連續(xù)譜段的空間信息和光譜信息。相機(jī)在可見近紅外譜段（0.4~1.0μm）的光譜分辨率約為5nm，短波紅外譜段（1.0~2.5μm）約為10nm。高光譜相機(jī)將能夠解決遙感應(yīng)用中的許多關(guān)鍵科學(xué)問題，諸如生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源和地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查，以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)，農(nóng)、林、牧業(yè)精細(xì)作業(yè)，城市規(guī)劃等遙感應(yīng)用。高光譜相機(jī)是中國(guó)首個(gè)采用凸面光柵分光的衛(wèi)星載荷。與Hyperion上的儀器相比，高光譜相機(jī)信噪比更高（3~4倍），地面覆蓋更寬（約8倍），譜段數(shù)更多（多100多個(gè)）。此外，高光譜相機(jī)的綜合性能指標(biāo)與未來5–10年國(guó)際上要發(fā)射的高光譜相機(jī)相當(dāng)。

高光譜相機(jī) 大幅寬 低畸變 高靈敏度 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

高光譜成像技術(shù)可同時(shí)獲取目標(biāo)的幾何、輻射和光譜信息，是對(duì)地遙感與目標(biāo)探測(cè)的重要手段，在國(guó)土資源探測(cè)、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)林漁牧、海洋監(jiān)測(cè)以及目標(biāo)探測(cè)、偽裝識(shí)別等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重大的作用[1-3]。隨著高光譜遙感應(yīng)用的深入，對(duì)高光譜遙感的光譜范圍、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)提出了新的要求。

過去的幾十年，Hyperion[4]和CHRIS[5]是提供星載高光譜數(shù)據(jù)的主要來源，但是它們數(shù)據(jù)的品質(zhì)和數(shù)量對(duì)于成像光譜技術(shù)的潛在應(yīng)用來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此各國(guó)均規(guī)劃了性能更先進(jìn)的高光譜傳感器，包括美國(guó)NASA的HyspIRI[6]、德國(guó)的EnMAP[7]、意大利的PRISMA[8]，以及印度正在研制中的高光譜衛(wèi)星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3。相關(guān)儀器參數(shù)和性能指標(biāo)列于表1。

表1 國(guó)外在軌/在研星載高光譜遙感儀器參數(shù)

Tab.1 Parameters of the abroad spaceborne hyperspectral imagers on-orbit & in study

1 系統(tǒng)組成及性能

“高分五號(hào)”（GF-5）衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)由遮光罩、定標(biāo)子系統(tǒng)、寬視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、視場(chǎng)分離器、狹縫、基于凸面光柵的光譜儀、面陣探測(cè)器組件、驅(qū)動(dòng)與信號(hào)獲取和通信控制與信息處理電子學(xué)等子系統(tǒng)組成。相機(jī)采用離軸三反望遠(yuǎn)鏡成像，視場(chǎng)分離器將可見近紅外和短波紅外譜段分離開，通過狹縫視場(chǎng)后，采用基于凸面光柵的光譜儀進(jìn)行精細(xì)分光，光譜圖像信號(hào)分別匯聚到CCD面陣探測(cè)器和短波紅外HgCdTe探測(cè)器焦面上，實(shí)現(xiàn)高光譜成像。其實(shí)物圖如圖1所示，具體參數(shù)如表2所示。

圖1 高光譜相機(jī)實(shí)物圖

表2 GF-5衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機(jī)指標(biāo)

Tab.2 Parameters of the visible-short wave infrared hyperspectral camera of GF-5 satellite

為保證大視場(chǎng)的要求，相機(jī)采用全反射式離軸三反主光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，在傳統(tǒng)offner結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一片校正透鏡的凸面光柵，光線分別在進(jìn)入offner結(jié)構(gòu)前和出offner結(jié)構(gòu)后兩次通過這片光柵，通過狹縫中心與邊緣光線對(duì)光柵的不同入射角，校正了長(zhǎng)狹縫的光譜彎曲及光譜畸變。

為保證獲取圖像數(shù)據(jù)的定量化水平，相機(jī)設(shè)置了豐富的星上定標(biāo)手段。通過對(duì)星上LED定標(biāo)組件成像，結(jié)合掩星觀測(cè)大氣輪廓進(jìn)行相機(jī)在軌光譜定標(biāo)；通過引入太陽光照射星上漫反板對(duì)相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)，同時(shí)使用獨(dú)立的漫反板監(jiān)視器來監(jiān)視漫反板的衰減。

高光譜相機(jī)飛行產(chǎn)品出所前在用戶和衛(wèi)星總體的參與下，進(jìn)行了性能驗(yàn)收測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 高光譜相機(jī)測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Test results of AHSI

2 應(yīng)用前景

高光譜遙感將有力地推進(jìn)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源調(diào)查、油氣礦產(chǎn)勘察工作，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供環(huán)境、資源和能源保障支持。具體來說，該載荷對(duì)于水環(huán)境遙感、生態(tài)環(huán)境遙感、固體廢棄物遙感及重大工程和環(huán)境事故遙感監(jiān)測(cè)具有十分重要的應(yīng)用，并有利于高光譜在礦物識(shí)別與填圖中的和油氣探測(cè)中的應(yīng)用，此外，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)還可應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)林牧精細(xì)化作業(yè)，及遙感應(yīng)用研究等諸多領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

本文介紹了我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)高光譜探測(cè)衛(wèi)星（GF-5）的主載荷之一—可見短波紅外高光譜相機(jī)的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用前景。GF-5衛(wèi)星將為我國(guó)環(huán)境污染防治等工作提供重要的科技支撐和空間信息服務(wù)，將有力地推進(jìn)我國(guó)星載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，引領(lǐng)相關(guān)的精密光學(xué)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)獲取處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

致謝：本項(xiàng)目由國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)資助（A0106/1112），研究過程中得到了生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心、國(guó)土資源部中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心、中華人民共和國(guó)國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局重大專項(xiàng)中心、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司、以及上海航天技術(shù)研究院、上海衛(wèi)星工程研究所等單位的支持。

[1] 劉銀年, 丁學(xué)專, 李志忠. 面向地學(xué)應(yīng)用的高光譜遙感器指標(biāo)體系設(shè)計(jì)[J]. 地球科學(xué)—中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 40(8): 1295-1300. LIU Yinnian, DING Xuezhuan, LI Zhizhong. Specification Design of Hyperspectral Imaging Remote Sensor Used in Geosciences[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2015, 40(8): 1295-1300. (in Chinese)

[2] 馬國(guó)欣, 薛永祺, 李高豐. 珠江三角洲地區(qū)的灰霾監(jiān)控與衛(wèi)星遙感[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2008, 26(16): 72-76. MA Guoxin, XUE Yongqi, LI Gaofeng. Satellite Remote Sensing for Haze Monitoring in Pearl River Delta Region[J]. Science & Technology Review, 2008, 26(16): 72-76. (in Chinese)

[3] 童慶禧, 張兵, 張立福. 中國(guó)高光譜遙感的前沿進(jìn)展[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2016, 20(5): 689-707. TONG Qingxi, ZHANG Bing, ZHANG Lifu. Current Progress of Hyperspectral Remote Sensing in China[J]. Journal of Remote Sensing, 2016, 20(5): 689-707. (in Chinese)

[4] PEARLMAN J S, BARRY P S, SEGAL C C, et al. Hyperion, a Space-based Imaging Spectrometer[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2003, 41(6): 1160-1173.

[5] BARNSLEY M J, SETTLE J J, CUTTER M A, et al. The PROBA/CHRIS Mission: A Low-cost Smallsat for Hyperspectral Multiangle Observations of the Earth Surface and Atmosphere[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2004, 42(7): 1512-1520.

[6] LEE C M, CABLE M L, HOOK S J, et al. An Introduction to the NASA Hyperspectral InfraRed Imager (HyspIRI) Mission and Preparatory Activities[J]. Remote Sensing of Environment, 2015, 167: 6-19.

[7] STUFFLER T, KAUFMANN C, HOFER S, et al. The EnMAP Hyperspectral Imager—an Advanced Optical Payload for Future Applications in Earth Observation Programs[J]. Proc. of SPIE, 2007, 61(s: 1-6): 115-120.

[8] PERSSON S, VELDMAN S, BODIN P. PRISMA—A Formation Flying Project in Implementation Phase[J]. Acta Astronautica, 2009, 65: 1360-1374.

[9] 王碩, 徐進(jìn). 俄羅斯對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星最新進(jìn)展[J]. 國(guó)際太空, 2016, 451(7): 53-60. WANG Shuo, XU Jin. Development of Russian Earth Observation Satellites[J]. Space International, 2016, 451(7): 53-60. (in Chinese)

[10] 王麗霞, 王慧, 高軍. 星載高光譜成像技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)狀分析[J]. 航天返回與遙感, 2000, 21(1): 40-47. WANG Lixia, WANG Hui, GAO Jun. Application and Situation Analysis of Hyper-spectral Imaging Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2000, 21(1): 40-47. (in Chinese)

Visible-shortwave Infrared Hyperspectral Imager of GF-5 Satellite

LIU Yinnian

（Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China）

Visible-shortwave infrared advanced hyperspectral imager (AHSI) is the main payload of the GF-5 satellite, and is developed by Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science. AHSI is designed to be capable of resolving 330 spectral bands from 0.4 to 2.5 μm with 30m ground resolution and 60km swath width. The spectral resolution is about 5 nm for VNIR (0.4~1.0 μm) and 10 nm for SWIR (1.0~2.5 μm). AHSI will be able to address many key science questions in remote sensing applications, such as ecological and environmental monitoring; investigation of geology and mineral resources, land & resources; disaster monitoring; agriculture, forestry, animal husbandry fine work and city planning. AHSI is China’s first spaceborne hyperspectral imager with a convex grating spectrum. Compared to the instruments on board Hyperion, AHSI has a much higher signal-to-noise ratio(about 3–4 times), a much wider swath width(about 8 times) , and much more spectral bands (more than 100 increased). Moreover, the comprehensive performance of AHSI is comparable to that of the hyperspectral imagers to be launched in the next 5-10 years.

hyperspectral camera;wide swath;low distortion; high sensitivity; GF-5 satellite

TN216

A

1009-8518(2018)03-0025-04

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.003

劉銀年，男，1971年生，2005年獲中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理電子學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榧t外暨高光譜遙感技術(shù)。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

2018-03-28

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：王麗霞）