孫劍 陳小來(lái) 劉學(xué)斌 胡炳樑 李思遠(yuǎn) 郝雄波 張宏建 王爽 張智南
(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安 710119)
我國(guó)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星主要對(duì)生態(tài)環(huán)境和災(zāi)害進(jìn)行大范圍、全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀用于接替超期服役12年的環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A衛(wèi)星超光譜成像儀,通過雙星同軌組網(wǎng)的方式,在全球目標(biāo)區(qū)域內(nèi)獲取高光譜影像數(shù)據(jù),用于支持我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等業(yè)務(wù)工作,同時(shí)為國(guó)土資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地震等多個(gè)領(lǐng)域提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源支撐和應(yīng)用服務(wù)。作為環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星上唯一可獲取高光譜數(shù)據(jù)的重要載荷,高光譜成像儀可以同時(shí)獲取可見光近紅外(VNIR,0.45~0.92 μm)譜段和短波紅外(SWIR,0.9~2.5 μm)譜段的光譜數(shù)據(jù),相較于環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A衛(wèi)星超光譜成像儀[1]增加了SWIR譜段,幅寬由50 km增大到96 km,空間分辨率提高到48 m,使得全國(guó)覆蓋時(shí)間為42天,提高了觀測(cè)效率。
本文主要介紹環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀的工作原理、系統(tǒng)組成及技術(shù)特點(diǎn),并給出環(huán)境試驗(yàn)和在軌成像數(shù)據(jù)。最終數(shù)據(jù)結(jié)果表明:高光譜成像儀設(shè)計(jì)所采用的關(guān)鍵技術(shù)解決了幅寬增大和空間分辨率提高帶來(lái)的系列問題。
高光譜成像儀從20世紀(jì)70年代開始研究應(yīng)用以來(lái),國(guó)內(nèi)外已研制成功多種技術(shù)原理的儀器設(shè)備,自2000年美國(guó)地球觀測(cè)-1(EO-1)衛(wèi)星搭載的高光譜成像儀Hyperion成功應(yīng)用以來(lái),棱鏡色散、光柵色散、濾光片型、靜態(tài)干涉等不同技術(shù)體制的星載高光譜成像儀已成功在軌運(yùn)行,幅寬覆蓋30~150 km,分辨率覆蓋30~100 m[2-8],表1列出了目前國(guó)內(nèi)外在軌及在研的幾個(gè)高光譜成像儀。國(guó)外近期發(fā)射的高光譜成像儀的空間分辨率多集中在30~60 m,幅寬最大為150 km(如表1中的高光譜紅外成像儀HyspIRI),國(guó)內(nèi)已研制成功的高光譜成像儀幅寬最大為100 km(如表1中SPARK01/02),而環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀在目前國(guó)內(nèi)在軌的星載高光譜成像儀中屬于大幅寬。
表1 在軌及在研的高光譜成像儀Table 1 Hyperspectral imagers on orbit/in research
1.2.1 工作原理
環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀基于大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像(LASIS)技術(shù)原理,利用衛(wèi)星平臺(tái)推掃獲取包含2維空間信息和1維光譜信息的“數(shù)據(jù)立方體”。每次曝光獲得1幀包含2維空間信息的干涉圖像,同一視場(chǎng)的不同目標(biāo)單元光程差不同,通過沿衛(wèi)星飛行方向推掃,在飛行方向上(與干涉條紋垂直的方向)連續(xù)采集后,可獲得同一地物目標(biāo)不同光程差的干涉信息,面陣探測(cè)器將帶有干涉信息的圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)壓縮電路后輸出至星上數(shù)傳分系統(tǒng),通過數(shù)傳(或中繼)分系統(tǒng)傳到地面,最后經(jīng)地面反演后得到3維數(shù)據(jù)立方體[9]。高光譜成像儀成像技術(shù)原理如圖1所示。
圖1 高光譜成像儀成像技術(shù)原理Fig.1 Principle diagram of hyperspectral imager
1.2.2 系統(tǒng)組成
高光譜成像儀由VNIR和SWIR這2路光譜成像系統(tǒng)組成,單路光譜成像系統(tǒng)均包含干涉儀、傅氏鏡和定標(biāo)系統(tǒng),2路系統(tǒng)共用1套擺鏡系統(tǒng),圖2為高光譜成像儀結(jié)構(gòu)示意。
圖2 高光譜成像儀結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure schematic of hyperspectral imager
通過2塊指向鏡折轉(zhuǎn)光路將地面目標(biāo)信息分別折轉(zhuǎn)到主系統(tǒng)中,擺鏡側(cè)擺±15°具有穿軌指向功能,可實(shí)現(xiàn)700 km指向范圍,96 km幅寬范圍內(nèi)目標(biāo)的重訪時(shí)間最小為4天。同時(shí),擺鏡分別轉(zhuǎn)動(dòng)±90°背面的定標(biāo)反射鏡,可將VNIR定標(biāo)光源和SWIR定標(biāo)光源引入到VNIR和SWIR主光學(xué)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)星上定標(biāo)功能。因此,高光譜成像儀包括星下點(diǎn)成像模式、側(cè)擺成像模式(擺鏡側(cè)擺±15°)和星上定標(biāo)模式(擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)±90°)3種工作模式。圖3為高光譜成像儀主體實(shí)物。
圖3 高光譜成像儀主體實(shí)物Fig.3 Photograph of hyperspectral imager
環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀具有寬譜段、大幅寬、高空間分辨率等特點(diǎn),基于LASIS技術(shù)原理,幅寬增大和空間分辨率提高,必然會(huì)帶來(lái)偏流角偏差控制和高速圖像傳輸?shù)葐栴},尤其是譜段拓寬到SWIR,更能凸顯出高光譜成像儀在擺鏡精度控制、Sagnac干涉儀研制及高質(zhì)量圖像高速傳輸?shù)确矫婢哂械募夹g(shù)特點(diǎn)。
2.1.1 偏流角偏差分析
基于LASIS技術(shù)原理,高光譜成像儀完成1次“立方體數(shù)據(jù)”建立,需要保證對(duì)同一地物目標(biāo)連續(xù)采集過程中推掃方向在像空間投影與探測(cè)器光譜方向不存在夾角(偏流角)。否則,對(duì)應(yīng)的地物目標(biāo)發(fā)生橫向偏移,最終會(huì)影響輸出的光譜精度[10]。對(duì)于VNIR光譜通道數(shù)100,SWIR光譜通道數(shù)115,經(jīng)仿真分析,若控制高光譜成像儀的偏流角小于6′,高光譜成像儀每推掃1行數(shù)據(jù)時(shí),橫向偏移小于0.17%像元,光譜維全視場(chǎng)累計(jì)偏移小于0.45像元。依據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)仿真分析,對(duì)反演光譜的相對(duì)平均偏差影響小于3%,相對(duì)二次偏差小于0.4%,光譜角相似度優(yōu)于0.999 9。通過地面數(shù)據(jù)處理時(shí)的姿態(tài)修正可以降低偏流角影響,因此偏流角可以忽略。
高光譜成像儀的偏流角與衛(wèi)星平臺(tái)飛行產(chǎn)生的偏流角[11]、高光譜成像儀在衛(wèi)星上的安裝角度精度和高光譜成像儀自身裝配精度有關(guān),見式(1)。
(1)
式中:Δ為高光譜成像儀偏流角不確定度;衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制精度ΔS=3.6′;高光譜成像儀與衛(wèi)星安裝角度精度ΔA=3′;ΔI為高光譜成像儀自身的裝配精度。
因此,控制高光譜成像儀裝配精度ΔI≤2.7′,可以確保高光譜成像儀偏流角不確定度Δ≤6′,滿足干涉光譜成像對(duì)偏流角的要求。
精確的光譜反演要求探測(cè)器光譜方向與干涉條紋嚴(yán)格垂直,后期無(wú)法通過調(diào)整探測(cè)器來(lái)補(bǔ)償,因此在研制過程中需要嚴(yán)格控制擺鏡和干涉儀誤差精度,以實(shí)現(xiàn)高光譜成像儀自身的裝配精度ΔI≤2.7′要求,具體包括指向鏡法線與轉(zhuǎn)軸軸線的夾角誤差小于1′(擺鏡側(cè)擺±15°范圍內(nèi)),干涉儀條紋與像正交性偏差小于1′。前者涉及2路光譜成像系統(tǒng)所共用的高精度擺鏡系統(tǒng)研制;后者涉及大幅寬帶來(lái)的大尺寸高精度Sagnac干涉儀研制。由于需要同時(shí)兼顧2路光譜成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大幅寬成像,因此環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀在偏流角偏差控制難度上進(jìn)一步增大。
2.1.2 高精度擺鏡系統(tǒng)研制技術(shù)
一般,高光譜成像儀或成像相機(jī)前端會(huì)增加擺鏡系統(tǒng),通過擺鏡的側(cè)擺同步指向功能縮短重訪時(shí)間,提高觀測(cè)時(shí)間分辨率,如環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A衛(wèi)星超光譜成像儀(EDIS)、月基光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡反射鏡系統(tǒng)、資源一號(hào)01衛(wèi)星的紅外多光譜掃描儀(IRMSS)和美國(guó)索米國(guó)家極地軌道伙伴衛(wèi)星的可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)均設(shè)計(jì)有擺鏡系統(tǒng)[12-13]。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀的擺鏡系統(tǒng)研制,充分繼承了環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A衛(wèi)星的超光譜成像儀,但是,由于增加了SWIR譜段的光譜通道,擺鏡系統(tǒng)中的指向鏡數(shù)量由1塊增加為3塊,相較于保證1塊指向鏡法線方向,同時(shí)保證2塊指向鏡法線方向的難度相對(duì)較大。因此,本文從擺鏡結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度控制2個(gè)方面展開論述。
1)擺鏡“輕巧型”結(jié)構(gòu)
作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載,3塊反射鏡包括2塊指向鏡和1塊定標(biāo)鏡,若負(fù)載質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)中心,擺鏡系統(tǒng)工作過程中會(huì)帶來(lái)額外的力。擺鏡系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為2點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁,圖4為擺鏡系統(tǒng)的受力分析。其中:f1和f2為軸承位置承受的徑向力;q為簡(jiǎn)支梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的不平衡力;l為承受不平衡力矩的簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度。
若負(fù)載質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)軸中心距離(負(fù)載旋轉(zhuǎn)半徑)為R,負(fù)載質(zhì)量為M,負(fù)載工作過程中的角速度為ω,則產(chǎn)生的不平衡力為
F=MRω2=ql
(2)
軸承位置承受的徑向力f1和f2為
(3)
由式(3)得出:若減小負(fù)載不平衡力對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的彎矩,降低軸承的徑向受力,需要減小負(fù)載旋轉(zhuǎn)半徑R,即通過設(shè)計(jì)配重塊將負(fù)載質(zhì)心配平到轉(zhuǎn)軸中心內(nèi)。同樣,配重塊質(zhì)量過大也會(huì)作為新的負(fù)載增加轉(zhuǎn)軸的受力。擺鏡的2塊指向鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)一體化設(shè)計(jì),保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性;轉(zhuǎn)軸位置距離光軸Z方向(坐標(biāo)系表示如圖2所示)偏移8 mm,減小指向鏡空間方向的尺寸;定標(biāo)鏡45°傾斜設(shè)計(jì),并且與2塊折軸鏡呈三角構(gòu)型布局,光路簡(jiǎn)單化,減少負(fù)載質(zhì)量,降低配平的難度,最終在滿足功能需求的前提下質(zhì)量減小20%以上。
圖4 擺鏡系統(tǒng)受力模型Fig.4 Force model of scanning mirror system
2)高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研制
依據(jù)偏流角偏差分析結(jié)果,擺鏡系統(tǒng)要保證指向鏡法線與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸線的夾角誤差小于1′(±15°側(cè)擺范圍內(nèi)),作為基準(zhǔn),轉(zhuǎn)軸工作過程中需要保證晃動(dòng)量最小。由于衛(wèi)星空間資源有限,2塊指向鏡對(duì)稱分布,減小2塊反射鏡的間隔,可以降低高光譜成像儀主體Y向(坐標(biāo)系表示如圖2所示)外包絡(luò)尺寸,最終轉(zhuǎn)軸由傳統(tǒng)的單軸變?yōu)樽笥逸S雙軸結(jié)構(gòu)。
軸承支撐位置跨度L為136 mm,箱體軸承位置支撐孔的同軸度為5 μm,雙軸和負(fù)載V型架的配合面最大直徑D為30 mm。若保證雙軸與負(fù)載裝配成為單軸后達(dá)到傳統(tǒng)單軸結(jié)構(gòu)的同軸度要求,則零件單軸和負(fù)載V型架的配合面平面度與軸線的垂直度δ可由式(4)計(jì)算,最終結(jié)果為0.000 6 mm(0.6 μm)。
(4)
由于傳統(tǒng)單軸無(wú)法滿足3塊反射鏡的高精度指向功能,依據(jù)單軸的設(shè)計(jì)思路,針對(duì)零件超高精度的平面度和垂直度要求,利用螺釘固定和圓錐銷釘定位原理,將左右軸和負(fù)載組合成單軸,通過組合加工的方式保證轉(zhuǎn)軸在2個(gè)軸承位置的同軸度為2.9 μm(圖5為組合軸同軸度測(cè)量),這樣既保證了轉(zhuǎn)軸在軸承內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng),又降低了研制難度。
圖5 組合軸同軸度測(cè)量Fig.5 Coaxiality measurement of combined shaft
運(yùn)動(dòng)部件完成系統(tǒng)裝配后,利用轉(zhuǎn)軸上的反射鏡[14],通過經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)控制轉(zhuǎn)軸軸系晃動(dòng)量均方根為2.48″,且通過監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)軸軸系反射像得到的軸線軌跡圖近似一個(gè)圓。擺鏡系統(tǒng)完成裝配后,擺鏡在±15°不同位置,2塊指向鏡與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸線夾角實(shí)測(cè)值最大變化量為2″,分系統(tǒng)測(cè)試探測(cè)器正交性最大變化量為18″。
2.1.3 大尺寸高精度Sagnac干涉儀研制技術(shù)
相對(duì)孔徑是影響高光譜成像探測(cè)靈敏度的重要因素,圖6為Sagnac干涉儀原理示意,相較于基線產(chǎn)品,在相同像元尺寸和相對(duì)口徑的前提下,傅氏鏡焦距增加1倍,視場(chǎng)變大,入瞳距離增大。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀干涉儀分光面尺寸增大1.4倍,分光面膠合面積增大2倍,干涉儀質(zhì)量增大2.3倍,因此保證干涉儀相同誤差精度和力學(xué)性能的難度增大。
圖6 Sagnac干涉儀原理示意Fig.6 Schematic of Sagnac interferometer
干涉儀棱鏡錯(cuò)位量影響光程差,進(jìn)而影響光譜分辨率,干涉儀反射面的方位和俯仰分別影響干涉條紋的調(diào)制度和正交性[15]。因此,在干涉儀研制過程中必須嚴(yán)格保證干涉儀棱鏡的錯(cuò)位量,在干涉條紋與像正交性(1′)的前提下還要控制分光面膠層厚度和膠層均勻性,從而滿足干涉儀的無(wú)應(yīng)力膠合。傳統(tǒng)方法通過計(jì)算干涉條紋的寬度,間接控制干涉儀棱鏡的錯(cuò)位量[16],干涉條紋與像的正交性通過十字絲來(lái)監(jiān)測(cè),而人工操作不可避免會(huì)帶入隨機(jī)誤差。為了提高檢測(cè)精度,將十字絲改為鉛垂線,提高基準(zhǔn)建立精度。為降低人員操作引入的隨機(jī)誤差,設(shè)計(jì)專用微調(diào)機(jī)構(gòu),以保證高精度數(shù)字化控制棱鏡錯(cuò)位量和角度誤差。圖7為Sagnac干涉儀膠合實(shí)物及干涉條紋測(cè)試圖。經(jīng)測(cè)量,膠合后的干涉儀的干涉條紋與像的正交性偏差為20″,優(yōu)于1′。
圖7 Sagnac干涉儀Fig.7 Sagnac interferometer
幅寬增大、空間分辨率及幀頻提高,會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)量增大。高光譜成像儀可見光探測(cè)器選用背照式幀轉(zhuǎn)移CCD器件,面陣大小為2048×256像元,幀頻達(dá)到1200幀/秒。為了降低幀轉(zhuǎn)移時(shí)間和提高數(shù)據(jù)讀出速率,采用32路并行輸出的方式,每路像元速率達(dá)到32兆像元/秒,這樣造成高速條件下獲取高質(zhì)量圖像的難度增大。為此,可見光探測(cè)器采用高速信號(hào)完整性分析仿真計(jì)算方法,解決多分布點(diǎn)容性負(fù)載條件下信號(hào)的反射振鈴現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)高速容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)技術(shù);對(duì)放大器輸出、信號(hào)跡線、連接器進(jìn)行建模,完成阻抗匹配與損耗分析計(jì)算,反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)解決高速模擬視頻信號(hào)放大與傳輸問題;升級(jí)篩選業(yè)內(nèi)最高性能與集成度的視頻信號(hào)處理芯片ADDI7004,實(shí)現(xiàn)高密度視頻信號(hào)處理問題,電路規(guī)??s減為原有技術(shù)的1/4,大大減小了單機(jī)功耗、體積及質(zhì)量。
3.1.1 環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)
高光譜成像儀研制過程中經(jīng)歷環(huán)境力學(xué)試驗(yàn),考核其在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下正常工作的能力,以及暴露材料和工藝缺陷,并利用環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)前后測(cè)試高光譜成像儀調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)變化情況來(lái)表征,見表2。結(jié)果表明:高光譜成像儀力學(xué)性能滿足航天力學(xué)環(huán)境要求,也間接反映Sagnac干涉儀膠合面力學(xué)性能滿足環(huán)境力學(xué)要求。
表2 高光譜成像儀環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)前后MTFTable 2 MTF of hyperspectral imager before and after tests
3.1.2 熱真空成像試驗(yàn)
高光譜成像儀研制過程中經(jīng)歷熱真空成像試驗(yàn),考核真空熱平衡下系統(tǒng)的功能和熱控性能。檢測(cè)得出不同工況下的系統(tǒng)MTF大于0.24。圖8為星上定標(biāo)燈復(fù)原光譜,可知:不同工況下特征峰的位置具有很高的一致性;VNIR譜段光譜位置最大偏差0.49 nm,SWIR譜段光譜位置最大偏差0.82 nm,滿足星上定標(biāo)精度2 nm的指標(biāo)要求。
圖8 星上定標(biāo)燈復(fù)原光譜Fig.8 Recovered spectrum of calibration lamp on-board
自2020年9月發(fā)射成功后,環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀在軌運(yùn)行穩(wěn)定,成功獲取了VNIR及SWIR數(shù)據(jù)。圖9為VNIR和SWIR通道的光譜復(fù)原圖像立方體,以及不同地貌的光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明:地物比例適中無(wú)變形,地表植被復(fù)原曲線正確。利用復(fù)原光譜與光譜輻射度計(jì)實(shí)測(cè)譜線之間的偏差,表征復(fù)原光譜曲線的準(zhǔn)確程度。在VNIR與SWIR譜段,得到相對(duì)偏差在5%以下,符合光譜曲線準(zhǔn)確度相對(duì)偏差要求,進(jìn)一步證明雙軸結(jié)構(gòu)的高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及改進(jìn)后的干涉儀研制技術(shù),可以滿足譜線復(fù)原對(duì)偏流角的要求。
圖9 光譜復(fù)原圖像立方體及譜線Fig.9 Recovered spectrum image datacube and some spectra
環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜成像儀可以同時(shí)獲取從VNIR到SWIR譜段高光譜數(shù)據(jù),針對(duì)由于幅寬增大、空間分辨率提高帶來(lái)的偏流角保證困難,以及數(shù)據(jù)量增大導(dǎo)致獲取高質(zhì)量圖像的難度增大,采用以下改進(jìn)措施。
(1)傳統(tǒng)的單軸結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足3塊指向鏡的高精度指向功能,采用左右軸雙軸結(jié)構(gòu)組合加工和螺釘銷釘定位的設(shè)計(jì)方法,為緊湊型擺鏡的高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種新的方法。
(2)目前的Sagnac干涉儀研制技術(shù),無(wú)法滿足干涉儀正交性要求,改進(jìn)的干涉儀膠合基準(zhǔn)提高了檢測(cè)精度,設(shè)計(jì)專用微調(diào)機(jī)構(gòu)保證高精度數(shù)字化控制棱鏡錯(cuò)位量和角度誤差,為基于干涉光譜原理的寬譜段光譜儀研制提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。
(3)高光譜成像儀成功在軌運(yùn)行,圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,間接證明大面陣CCD探測(cè)器高速成像傳輸技術(shù)的可行性。