國外高光譜遙感載荷發(fā)展分析*

陳培永，王 燕

(上海航天信息研究所·上海·201109)

0 引 言

高光譜遙感是當前遙感領域的前沿方向之一。上世紀70年代，美國提出了高光譜遙感的概念，并在1983年成功研制了首個航空成像光譜儀AIS-1。此后，美國、加拿大、歐洲、日本及印度等國家和地區(qū)在高光譜遙感領域開展了大量研究工作，研制了涵蓋不同光譜波段、具有不同空間分辨率的機載和星載高光譜遙感載荷。

1 高光譜遙感基礎理論

1.1 成像原理

高光譜成像技術是在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內，以數(shù)納米的光譜分辨率進行采樣，在數(shù)十至數(shù)百個波段內同時對目標進行成像。每個波段形成一幅二維空間圖像，可形成由多個二維空間圖像按光譜維疊加而成的三維高光譜圖像(數(shù)據(jù))立方體，如圖1所示[1]。

圖1 成像光譜儀原理示意圖Fig.1 Principle schematic diagram of the imaging spectrometer

1.2 典型成像方式

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取方式，高光譜成像模式主要可被分為撣帚式、推帚式、凝視式等[2-4]。

(1)撣帚式。撣帚式高光譜成像采用零維或點視場掃描方式，包括機械掃描成像和分光探測兩大部分。采用線陣探測器，像元數(shù)即是像元分光光譜波段的個數(shù)。撣帚式成像光譜儀的優(yōu)點在于可以獲得很大的總視場，且由于采用了進入物鏡后再分光的方式，可實現(xiàn)很寬的光譜波段范圍。

(2)推帚式。推帚式高光譜成像以面陣CCD作為凝視器件，在工作時由面陣器件的固體掃描和飛行平臺的向前運動來組成二維空間掃描，即面陣器件的一維完成空間成像，另一維完成光譜的掃描。其特點包括體積小、機構簡單、積分時間長、信噪比高、光譜分辨率高等。像元中，各光譜波段的輻射按特定光譜段度和順序在列方向分布。

(3)凝視式。面陣凝視式高光譜成像光譜儀通常采用面陣CCD，使用聲光可調濾光器作為分光方式。其最大的特點是取消了掃描機構，使得系統(tǒng)的機構復雜度大大降低，體積、功耗等指標大大減小，同時系統(tǒng)性能相對光機掃描方式有了很大改善，并且系統(tǒng)對目標的輻射響應時間只受探測器時間常數(shù)的限制，而不再受掃描機構掃描速度的影響。

1.3 主要特點

高光譜成像技術的主要特點包括[5-6]：

(1)光譜響應范圍廣，光譜分辨率高，識別能力強。高光譜成像儀響應的電磁波長從可見光至近紅外、甚至中紅外，光譜分辨率達到了納米級。

(2)光譜信息與圖像信息有機結合。在高光譜成像數(shù)據(jù)中，每個像元對應1條光譜曲線，整個數(shù)據(jù)是光譜影像的立方體，具有空間圖像維和光譜維。

(3)光譜波段多，在某一譜段范圍內可連續(xù)成像。高光譜成像能夠獲得目標在一定范圍內連續(xù)的、精細的光譜曲線，從而使得利用光譜直接進行物質識別成為可能。

2 國外高光譜遙感載荷發(fā)展情況

2.1 機載高光譜

機載高光譜是高光譜最早的應用領域，表1為部分典型機載高光譜傳感器。

(1)美國研究現(xiàn)狀

①機載可見光/紅外成像光譜儀

機載可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS)由噴氣推進實驗室(JPL)研制，是第1臺被用于民用領域的機載高光譜傳感器，共有224個通道，光譜范圍為0.41μm～2.45μm，光譜分辨率為10nm。目前，機載可見光/紅外成像光譜儀已經(jīng)在北美洲、南美洲和歐洲等地開展了大量數(shù)據(jù)獲取與遙感應用試驗。該光譜儀經(jīng)過多次升級改進，直到今天仍是全世界最先進的高光譜成像儀[7]。

②數(shù)字機載成像光譜測量系統(tǒng)(DAIS)

DAIS機載成像光譜由美國地球物理環(huán)境研究公司(GER)研制，該系統(tǒng)最早被設計并用來開展“探測衛(wèi)星”(Terra)的熱量散發(fā)和反輻射儀(ASTER)的數(shù)據(jù)的模擬研究。傳感器在可見光-短波紅外反射光譜范圍內設置了72個波段，在8μm～12μm的熱紅外區(qū)間還有6個波段。

③Mako

Mako是一款應用Dyson分光結構的機載大視場高光譜成像儀，其設計用途為機載載荷，設計譜段為7.8μm～13.4μm，共擁有128個波段[8]。Dyson結構中的凹面球形光柵采用先進的鉆石旋切工藝制成，可實現(xiàn)良好的分光效果。圖2為Mako的構型圖。

圖2 Mako結構圖Fig.2 The configuration of Mako

(2)加拿大研究現(xiàn)狀

①緊湊式機載光譜成像儀(CASI)

CASI機載成像光譜儀由加拿大Itres公司在1989年研制，光譜覆蓋范圍為400nm～1100nm，最高波段數(shù)達到了288，光譜分辨率為1.9nm。此后，Itres公司相繼成功研制了短波紅外機載光譜成像儀(SASI)、中紅外機載光譜成像儀(MASI)及熱紅外機載光譜成像儀(TASI)，并且還可以提供與成像光譜儀配套的定位和姿態(tài)系統(tǒng)。圖3為CASI的外形圖。

圖3 CASI的外觀Fig.3 The external view of CASI

(3)澳大利亞研究現(xiàn)狀

①高光譜制圖儀(HyMap)

HyMap機載成像光譜測量系統(tǒng)早期主要面向地質礦產應用領域，第一代的HyMap成像光譜儀有96個波段，并且在2μm～2.5μm區(qū)間內具有很高的信噪比，這樣的設計可以很好地滿足礦產勘查的需要。HyMap共有128個波段，覆蓋范圍為0.44μm～2.5μm，另外包括了兩個紅外波段。

(4)芬蘭研究現(xiàn)狀

①AISA機載成像光譜測量系統(tǒng)

AISA采用推帚式數(shù)據(jù)獲取方式，光譜范圍涵蓋0.38μm～1μm、1μm～2.5μm、7.6μm～12.4μm這3個區(qū)域，光譜分辨率為3.3nm，總波段大于288個，視場范圍(FOV)為39.7°，瞬時視場(IFOV)范圍為0.078°。

2.2 星載高光譜

自第1臺星載中分辨率成像光譜儀(MODIS)[9]于1999年12月8日發(fā)射以來，星載高光譜得到了快速發(fā)展。目前，國外在軌的高光譜衛(wèi)星包括了“地球觀測-1(EO-1)”衛(wèi)星、“星上自主項目(PROBA)”衛(wèi)星、“碳”衛(wèi)星等。部分典型的星載高光譜載荷可見表2。

表2 部分星載高光譜載荷參數(shù)

(1)美國研究現(xiàn)狀

①傅里葉變換超光譜成像儀(FTHSI)

2000年7月，美國研制的傅里葉變換超光譜成像儀FTHSI被成功搭載在了美國空軍的“強力衛(wèi)星-2(MightSat-2)”上，首次實現(xiàn)了干涉型成像光譜儀在星載平臺上的應用。FTHSI采用薩格納克(Sagnac)空間調制型成像光譜技術方案，空間分辨率為30m，光譜范圍為0.4μm～1.05μm，波段數(shù)為256個，光譜分辨率為2nm～10nm。

②Hyperion

Hyperion傳感器搭載于EO-1衛(wèi)星平臺，是全球第1臺民用星載高光譜圖譜測量儀，其在可見/近紅外及短波紅外分別采用了不同的色散型光譜儀，使用推帚型的數(shù)據(jù)獲取方式，在0.35μm～2.6μm的光譜范圍內擁有242個探測波段，光譜分辨率為10nm，空間分辨率為30m[10]。

③先進響應型戰(zhàn)術有效軍用成像光譜儀(ARTEMIS)

2009年5月，美國發(fā)射的“戰(zhàn)術衛(wèi)星-3(TacSat-3)”所搭載的高光譜成像儀(ARTEMIS)，采用了色散型成像光譜儀，空間分辨率達到了5m，光譜范圍為0.4μm～2.5μm，光譜分辨率為5nm。該星用途為戰(zhàn)術偵察，具有很高的機動性和準實時戰(zhàn)場數(shù)據(jù)應用能力[11]。圖4為ARTEMIS的工作示意圖。

圖4 ARTEMIS的工作示意圖Fig.4 The digram of ARTEMIS

④海岸帶高光譜遙感與近海高光譜成像儀(HICO)

2009年9月，由美國海軍研究實驗室研制的用于海洋觀測的高光譜成像儀HICO被成功安裝在了國際空間站中。該儀器在0.35μm～1.08μm光譜范圍內擁有128個通道，光譜分辨率達到了5.7nm，可以獲取海洋表面的高光譜數(shù)據(jù)[12]。在軌道高度為345km時，其空間分辨率為100m，幅寬為500km。圖5為HICO在國際空間站內的示意圖。

圖5 HICO在軌運行Fig.5 HICO on orbit

⑤“高光譜紅外成像衛(wèi)星(HyspIRI)”高光譜載荷

HyspIRI為美國新一代對地觀測衛(wèi)星，計劃于2023年發(fā)射，并搭載高光譜紅外載荷。該衛(wèi)星主要用于在生態(tài)系統(tǒng)、碳循環(huán)及地球表面和內部等焦點區(qū)域中進行各種科學研究，其光譜范圍為0.38μm～2.5μm，光譜通道數(shù)為212個，光譜分辨率為10nm，地面幅寬為145km，地面像元分辨率為60m。

(2)歐洲研究現(xiàn)狀

①緊湊型高分辨率成像分光計(CHIRS)

2001年，歐空局搭載于PROBA衛(wèi)星的緊湊型高分辨率成像光譜儀CHIRS發(fā)射成功。CHIRS同樣采用了推帚型的數(shù)據(jù)獲取方式，探測光譜范圍為0.4μm～1μm，共有5種探測模式，最多的波段數(shù)為64個，光譜分辨率為5nm～12nm，星下點空間分辨率為20m。

②中分辨率成像光譜儀(MERIS)

歐空局2002年發(fā)射的“環(huán)境衛(wèi)星-1(ENVISAT-1)”搭載了推帚型的MERIS光譜儀，光譜范圍為0.39μm～1.04μm，光譜分辨率可以通過編程進行調節(jié)，波段數(shù)可達576個，主要用于海岸和海洋生物的探測及研究。

③超光譜成像儀(HIS)

HIS是一款推帚型超光譜成像儀，也是德國計劃在2020年發(fā)射的“環(huán)境測繪與分析計劃(EnMAP)”衛(wèi)星的重要載荷[13-14]，其主要負責采集2個譜段的信息數(shù)據(jù)，即可見光/近紅外(VNIR)譜段和短波紅外(SWIR)譜段，譜段覆蓋范圍為0.42μm～2.45μm，地面分辨率為30m，地面幅寬為30km。其中，在VNIR譜段有99個波段，在SWIR譜段有163個波段，譜分辨率平均為10nm左右，譜分辨率已經(jīng)完全可以滿足分辨礦物種類的需要。圖6為HIS的工作示意圖。

圖6 星載HIS工作圖Fig.6 HIS working diagram

(3)日本研究現(xiàn)狀

①高光譜成像儀套件(HISUI)

高光譜成像儀HISUI將搭載計劃于2019年發(fā)射的“先進陸地觀測衛(wèi)星-3(ALOS-3)”，如圖7所示。該成像儀在0.4μm～2.5μm波段范圍內擁有185個通道，空間分辨率為30m，地面幅寬為30km。HISUI最大的特點是其具有在軌數(shù)據(jù)處理能力，可以完成星上輻射定標、像元合并、光譜校正及無損數(shù)據(jù)壓縮等工作任務。

圖7 高光譜成像儀套件Fig.7 The composition diagram of HISUI

②傅里葉變換光譜儀(FTS)和云氣溶膠成像儀(CAI)

日本于2009年成功發(fā)射了“溫室氣體觀測衛(wèi)星(GOSAT)”，其上安裝了溫室氣體觀測傳感器——傅里葉變換光譜儀FTS和云氣溶膠成像儀CAI。其采用0.75μm～0.78μm波段觀測氧氣濃度及卷云，確定光學路徑長度，光譜分辨率為0.5cm-1；采用1.56μm～1.72μm和1.92μm～2.08μm兩個波段觀測CO2、CH4、H2O及卷云，光譜分辨率為0.2cm-1；采用5.5μm～14μm波段再次獲得CO2、CH4、水汽和大氣溫度等參數(shù)，以及CO2與CH4的垂直廓線，光譜分辨率為0.2cm-1。

(4)印度研究現(xiàn)狀

①高光譜照相機(HySI)

印度太空研究組織(ISRO)在2008年發(fā)射的“印度迷你衛(wèi)星”上首次攜帶了星載高光譜相機HySI，其在0.4μm～0.95μm的波長范圍內有64個通道，光譜分辨率約為10nm，空間分辨率為506m，地面幅寬為129.5km。

②“制圖星-3(Cartosat-3)”高光譜載荷

計劃于2019年發(fā)射的“制圖星-3A”將搭載近紅外光譜儀，用于陸地表面的多用途探測，波段范圍為0.75μm～1.3μm。在高光譜模式下，幅寬為5km，空間分辨率為12m。

3 高光譜遙感應用

3.1 民商用領域

(1)繪制地形圖，制作專題圖。如精細農業(yè)中的農作物、森林、草場等的植被分布圖，地質探測中的礦物、土壤、冰川等的專題分布圖等[15]。

(2)海洋要素監(jiān)測。如海洋資源普查、水色水質變化、海岸帶和海洋生態(tài)變化，以及海洋污染監(jiān)測等。

(3)資源環(huán)境調查與災害評估。如土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦物分布調查、水體富營養(yǎng)化檢測、大氣污染物監(jiān)測、植被覆蓋度和生物量調查、地質災害評估等。

(4)大氣遙感。利用高光譜數(shù)據(jù)，在準確探測大氣成分的基礎上，能提高天氣預報、災害預警等的準確性和可靠性。

3.2 國防安全領域

在國防安全領域中的應用包括：

(1)戰(zhàn)場環(huán)境偵察。如根據(jù)目標與偽裝材料不同的光譜特性，利用高光譜遙感可以進行偽裝識別；可對化學氣體進行光譜探測，從而對有毒氣體進行監(jiān)測與甄別；可對戰(zhàn)場地雷進行高精度探測。

(2)打擊效果評估。用目標受損后的自身和環(huán)境的細微光譜特征變化，來實現(xiàn)或輔助進行毀傷的識別。

(3)導彈預警探測[16]。有資料顯示，可以利用高光譜成像技術，在導彈尾焰的2.7μm或4.3μm強輻射帶建立高光譜圖像，利用獲得的高光譜圖像重構導彈尾焰強輻射帶的測量光譜，再根據(jù)獲得的導彈尾焰的紅外輻射特征譜，即可確定導彈的類型。

3.3 行星探測

目前，高光譜遙感在行星探測方面的應用主要是探查行星的物質組成，包括行星是否存在液態(tài)水、地表礦物成分等。如美國在2005年發(fā)射的“火星勘測軌道器(MRO)”上搭載了高光譜勘測載荷——緊湊偵察成像儀(CRISM)(如圖8所示)，其主要用于液態(tài)水的尋找，以及火星地表礦物成分、兩極冰蓋的變化、大氣成分的季節(jié)性變化等的科學研究[17]，歐空局正在研制的水星高光譜熱分光計(MERTIS)，將對水星表面進行觀測。

圖8 緊湊偵察成像儀的結構圖Fig.8 The configuration of CRISM

4 高光譜載荷發(fā)展趨勢

在應用需求及技術進步等多重因素的推動之下，高光譜載荷的發(fā)展進入了新的階段。

4.1 探測波段不斷拓展，幅寬不斷擴大，分辨率不斷提高

在探測波段方面，當前已應用的星載與機載高光譜載荷的探測波段范圍覆蓋了從可見光到熱紅外，波段數(shù)增至數(shù)百個，大大增強了遙感信息的獲取能力，可以精確地對地球表面的固體和液體化學組分進行分析；在幅寬方面，以大面陣探測器等為代表的技術發(fā)展，使得幅寬不斷增大；在分辨率方面，目前的光譜分辨率已達到納米級。與此同時，探測的空間分辨率、時間分辨率也不斷提高，進而為高光譜應用的拓展提供了條件。

4.2 探測模式不斷優(yōu)化，智能化水平提升

隨著信息技術、成像技術及光學加工工藝的發(fā)展與進步，各類高光譜遙感新技術、新方案層出不窮，其核心分光元件開始由成熟的色散型及干涉型向多元化方向發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了旋轉濾光片型、聲光調諧濾光片型、液晶調諧濾光片型、計算層析型等多種分光原理方案[18]，促進了快照式成像光譜技術等新探測模式的發(fā)展。與此同時，包括星上處理等在內的新技術的應用，不斷提升了載荷的智能化水平[19-20]。

4.3 載荷的小型化與商業(yè)化

在應用商業(yè)化與平臺小型化的需求下，各研究方已啟動對高光譜載荷的小型化與商業(yè)化的研究工作。如哈里斯公司基于為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)研制的跨軌紅外探測器(CrIS)(如圖9所示)，正在開展小型化的研究工作，目標是將新載荷應用于小衛(wèi)星甚至立方星上[21]；美國噴氣推進實驗室(JPL)開發(fā)的超小型高光譜成像儀(UCIS)的重量不超過0.5kg。

以ARTEMIS高光譜載荷和HICO高光譜載荷為代表的低成本與快速研制的理念，進一步拓寬了各方的研制思路，比如通過在研制過程中增加商業(yè)級非定制產品等手段，降低載荷的成本。

圖9 CrIS工作圖Fig.9 CrIS operation concept

5 結 論

各國正在積極開發(fā)高光譜遙感技術，高光譜遙感已由以航空應用為主，向航空、星載并重的方向發(fā)展。與此同時，高光譜遙感探測波段的擴大、分辨率的增強、小型化水平的提升，將進一步擴大高光譜遙感的應用領域；另一方面，面對高光譜產生的海量數(shù)據(jù)，亟需在數(shù)據(jù)處理(包括大數(shù)據(jù)、云算法等)方面進行突破，以實現(xiàn)高光譜更為廣泛、更為有效的應用。