環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)在軌性能測(cè)試與穩(wěn)定性評(píng)估

孫德新 柴孟陽(yáng) 劉銀年 陳塞崎 崔璨璨 孫紀(jì)文 林軍 劉書(shū)鋒 姚舜 馮雪飛，3 周魏乙諾 叢強(qiáng) 柯有龍 季誠(chéng)勝 朱玉瓊 徐君

(1 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) (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(guó)航天科技集團(tuán)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(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星是國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”規(guī)劃中提出的“4+4”衛(wèi)星星座中的2顆光學(xué)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(jī)，每顆衛(wèi)星各搭載1臺(tái)，且技術(shù)狀態(tài)完全相同。相機(jī)具有720 km幅寬、48 m/96 m空間分辨率，可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光近紅外、短波紅外、中波紅外及長(zhǎng)波紅外的寬譜多譜段觀測(cè)；在植被紅邊、植被含水量、地表低中高端溫度反演、煙霧識(shí)別等方面具有突出的應(yīng)用潛力。在雙星組網(wǎng)條件下，衛(wèi)星可服務(wù)于我國(guó)及其他范圍內(nèi)的環(huán)境和災(zāi)害全天時(shí)、短重復(fù)周期的有效監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，為災(zāi)后救援重建、生態(tài)環(huán)境治理等工作提供重要的科學(xué)依據(jù)。

對(duì)紅外相機(jī)的在軌測(cè)試工作是監(jiān)測(cè)其在軌運(yùn)行情況的主要手段，是評(píng)價(jià)其在軌性能的主要依據(jù)，也是紅外圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)[1]。對(duì)于紅外相機(jī)，主要通過(guò)對(duì)其圖像的幾何特性、輻射特性和在軌定標(biāo)數(shù)據(jù)的綜合分析實(shí)現(xiàn)在軌測(cè)試和評(píng)價(jià)[2]。另外，紅外相機(jī)在軌運(yùn)行的穩(wěn)定性和高可靠性是其運(yùn)行安全的重要保證[3]。因此，定期檢查紅外相機(jī)在軌測(cè)試期間的遙測(cè)參數(shù)和在軌性能長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。

2020年10月20日，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星上的2臺(tái)紅外相機(jī)依次開(kāi)機(jī)，成功獲得了首批圖像。本文重點(diǎn)闡述了2顆衛(wèi)星紅外相機(jī)的在軌性能指標(biāo)測(cè)試情況，從幾何特性和輻射特性綜合評(píng)價(jià)了其性能指標(biāo)。此外，對(duì)相機(jī)在軌運(yùn)行1年來(lái)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。

1 紅外相機(jī)幾何特性評(píng)估

1.1 空間幾何特性評(píng)估

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B發(fā)射入軌后，在2020年10月-2021年4月開(kāi)展了紅外相機(jī)的在軌幾何特性測(cè)試，包括幅寬、空間分辨率、配準(zhǔn)精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 紅外相機(jī)幅寬、空間分辨率和譜段間配準(zhǔn)精度在軌測(cè)試結(jié)果Table 1 On-orbit test results of breadth, spatial resolution and interspectral registration accuracy of infrared camera

根據(jù)表1所示：環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)B1～B9譜段實(shí)測(cè)幅寬均大于745 km，A衛(wèi)星紅外相機(jī)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(jī)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(jī)各譜段垂軌和沿軌方向配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.2像元。相較于美國(guó)陸地衛(wèi)星-8，9(Landsat-8，9)載荷[4-6]，紅外相機(jī)在空間分辨率相當(dāng)?shù)臈l件下幅寬是其4倍。

1.2 在軌傳遞調(diào)制函數(shù)(MTF)評(píng)價(jià)

MTF是客觀評(píng)價(jià)光電成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)，具有能夠真實(shí)反映成像系統(tǒng)空間頻率響應(yīng)特性的能力[7]。本文采用刃邊法[8]對(duì)2臺(tái)紅外相機(jī)開(kāi)展各個(gè)譜段MTF值的在軌測(cè)試，通過(guò)對(duì)圖像中的刃邊進(jìn)行采樣，提取刃邊輪廓擬合點(diǎn)，并基于最小二乘的思想，對(duì)刃邊輪廓線進(jìn)行直線線性擬合；進(jìn)一步獲取邊緣擴(kuò)展函數(shù)(ESF)，對(duì)其求導(dǎo)得到線擴(kuò)展函數(shù)(LSF)。得到LSF之后，取包含峰值及足夠?qū)挾鹊膮^(qū)間進(jìn)行LSF的離散化，然后對(duì)此區(qū)間做1維離散傅立葉變換，對(duì)其取模，得到圖像關(guān)于頻率的MTF曲線。

選取環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星在2021年5月31日獲取的1 725 378景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌MTF測(cè)試，選取測(cè)試區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星紅外相機(jī)選取的動(dòng)態(tài)MTF測(cè)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(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星在2021年5月29日獲取的167 687景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌MTF測(cè)試，選取測(cè)試區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星紅外相機(jī)選取的動(dòng)態(tài)MTF測(cè)試區(qū)域Fig.2 Test area of dynamic MTF from infrared camera in HJ-2B satellite

2臺(tái)紅外相機(jī)各個(gè)譜段MTF的在軌測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星紅外相機(jī)各譜段的在軌實(shí)測(cè)MTF值不小于0.26，B衛(wèi)星紅外相機(jī)在軌實(shí)測(cè)MTF值不小于0.25。紅外相機(jī)的動(dòng)態(tài)MTF是監(jiān)測(cè)其在軌運(yùn)行狀態(tài)和性能變化的參考依據(jù)之一，其與地面依靠專(zhuān)門(mén)儀器測(cè)試結(jié)果一致，由此說(shuō)明紅外相機(jī)在軌運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠。

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

2 紅外相機(jī)在軌輻射特性評(píng)估

2.1 B1～B6譜段在軌信噪比測(cè)試

針對(duì)紅外相機(jī)B1～B6譜段的在軌信噪比測(cè)試[9]，利用2021年6月26日獲取的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)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(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算B1～B6譜段的信噪比。星上漫反射板的太陽(yáng)高度角(即太陽(yáng)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(píng)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(biāo)溫度下(中波370 K，長(zhǎng)波320 K)，目標(biāo)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(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星星上黑體數(shù)據(jù)。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(cè)量結(jié)果如表4所示。A衛(wèi)星紅外相機(jī)在軌實(shí)測(cè)B7～B9譜段探測(cè)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(jī)在軌實(shí)測(cè)B7～B9譜段探測(cè)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(shí)測(cè)紅外相機(jī)的B7～B9譜段探測(cè)靈敏度Table 4 Detection sensitivities of B7～B9 spectral bands of infrared cameras

2.3 在軌相對(duì)輻射定標(biāo)精度評(píng)估

星載紅外相機(jī)在軌輻射定標(biāo)是定量遙感的核心和基礎(chǔ)，其定標(biāo)精度直接決定定量遙感產(chǎn)品的質(zhì)量[11]；相對(duì)輻射定標(biāo)指的是確定場(chǎng)景中各像元之間、各探測(cè)器之間、各譜段之間及不同時(shí)間測(cè)得的輻射量的相對(duì)值[12]。本文選擇2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，再選擇多塊均勻目標(biāo)區(qū)域測(cè)量圖像相對(duì)輻射精度。本文采用廣義噪聲法[13]評(píng)價(jià)相對(duì)輻射校正精度。由于相對(duì)輻射定標(biāo)精度與地物均勻性有關(guān)，因此根據(jù)多塊均勻目標(biāo)區(qū)域(沙漠)的最優(yōu)結(jié)果作為相對(duì)輻射定標(biāo)精度評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果，如表5所示。

表5 相對(duì)輻射定標(biāo)精度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Results of relative radiometric calibration accuracy evaluation %

2.4 在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度評(píng)估

紅外相機(jī)在軌輻射定標(biāo)主要包含探測(cè)器響應(yīng)的非均勻性校正(相對(duì)輻射定標(biāo))和建立相機(jī)輸出信號(hào)值與輸入輻射量的函數(shù)關(guān)系(絕對(duì)輻射定標(biāo))，前者是輻射定標(biāo)的中間環(huán)節(jié)，后者是輻射定標(biāo)的最終目標(biāo)[12]。以下為環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星2臺(tái)紅外相機(jī)進(jìn)行在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度數(shù)據(jù)。

2.4.1 B1～B6譜段

可見(jiàn)光短波紅外譜段星上絕對(duì)輻射定標(biāo)的精度受太陽(yáng)輻射穩(wěn)定性、太陽(yáng)光角度測(cè)量誤差、漫反射板雙向發(fā)射函數(shù)測(cè)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(yīng)線性度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電子學(xué)隨機(jī)誤差及指向鏡反射率測(cè)試誤差因素影響。B1～B6譜段星上絕對(duì)定標(biāo)精度見(jiàn)表6。

表6 紅外相機(jī)的B1～B6譜段星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分析Table 6 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B1～B6 spectral bands of infrared cameras %

對(duì)于太陽(yáng)輻射的穩(wěn)定性，已有氣象部門(mén)和國(guó)家計(jì)量部門(mén)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究,認(rèn)為太陽(yáng)輻射的長(zhǎng)期不確定性在1%以?xún)?nèi)[14]。針對(duì)定標(biāo)時(shí)刻太陽(yáng)角度誤差進(jìn)行分析，當(dāng)太陽(yáng)光與漫反射板法線呈35°天頂角入射漫反射板時(shí)，按小角度范圍內(nèi)雙向發(fā)射函數(shù)可以認(rèn)為是恒定值，入射天頂角測(cè)量誤差引起的不確定度在0.61%以?xún)?nèi)；漫反射板雙向發(fā)射函數(shù)值由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)量得到，其提供的測(cè)試報(bào)告表明，在可見(jiàn)光近紅外和短波紅外譜段測(cè)量的雙向反射分布函數(shù)測(cè)量不確定度為1%；星上定標(biāo)漫反射板非均勻性裝星前優(yōu)于0.5%。考慮入軌后可能產(chǎn)生的局部漫反射率變化，漫反射板均勻性估計(jì)在2%左右，在儀器內(nèi)部設(shè)置漫反射板穩(wěn)定性監(jiān)視比輻射計(jì)，測(cè)量不確定度優(yōu)于1.5%；系統(tǒng)響應(yīng)線性度由探測(cè)器和測(cè)量系統(tǒng)決定，由響應(yīng)線性度測(cè)得數(shù)據(jù)，按可見(jiàn)光近紅外為0.87%和短波紅外為0.91%進(jìn)行計(jì)算；系統(tǒng)穩(wěn)定性主要指定標(biāo)期間的系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要受探測(cè)器、相機(jī)工作環(huán)境和外界溫度場(chǎng)變化影響。本文按可見(jiàn)光近紅外優(yōu)于0.41%和短波紅外優(yōu)于0.24%計(jì)算；電子學(xué)隨機(jī)誤差主要是由探測(cè)器讀出噪聲、電路噪聲引起的，信噪比測(cè)試結(jié)果均優(yōu)于46 dB，這部分誤差影響為信噪比的倒數(shù)，精度按可見(jiàn)光近紅外小于1.87%和短波紅外小于1.79%計(jì)算。結(jié)果顯示：紅外相機(jī)絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于3.69%。

2.4.2 B7～B9譜段

中長(zhǎng)波紅外譜段星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度受星上面源黑體的均勻性、穩(wěn)定性、測(cè)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(yīng)線性度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及電子學(xué)隨機(jī)誤差等方面的影響[15]。B7～B9譜段星上絕對(duì)定標(biāo)精度見(jiàn)表7。

表7 紅外相機(jī)的B7～B9譜段星上絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分析Table 7 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B7～B9 spectral bands of infrared cameras K

對(duì)星上黑體使用面陣紅外測(cè)溫儀獲取黑體在真空罐內(nèi)的均勻性。經(jīng)實(shí)測(cè)，星上黑體均勻性?xún)?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(nèi))。黑體采用高精度測(cè)溫電阻測(cè)溫，16 bit數(shù)字量化，測(cè)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(jù)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的實(shí)測(cè)結(jié)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(duì)紅外定標(biāo)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(jù)實(shí)驗(yàn)室真空測(cè)試結(jié)果可知，背景輻射非一致性誤差對(duì)長(zhǎng)波定標(biāo)精度的影響優(yōu)于0.04 K。根據(jù)紅外相機(jī)輻射定標(biāo)的相應(yīng)非線性測(cè)量結(jié)果，B7譜段探測(cè)器響應(yīng)非線性對(duì)測(cè)量精度的影響優(yōu)于0.09 K，B8和B9譜段探測(cè)器響應(yīng)非線性對(duì)測(cè)量精度的影響優(yōu)于0.16 K。定標(biāo)期間的系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要受相機(jī)工作環(huán)境和外界溫度場(chǎng)變化的影響。中長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.2 K。系統(tǒng)噪聲引入誤差主要是受紅外相機(jī)噪聲等效溫差限制，噪聲等效溫差結(jié)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(duì)輻射定標(biāo)精度均優(yōu)于0.62 K。

2.5 在軌輻射定標(biāo)評(píng)估特點(diǎn)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)采用的在軌相對(duì)輻射定標(biāo)及在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)評(píng)估方法具有以下特點(diǎn)。

(1)通過(guò)前端指向鏡實(shí)現(xiàn)成像/定標(biāo)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(biāo)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高頻次的在軌全口徑、全光路的全譜段輻射定標(biāo)。

(2)通過(guò)衛(wèi)星配合機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)每次對(duì)日定標(biāo)時(shí)刻太陽(yáng)能量的一致性，并設(shè)置比輻射計(jì)在軌同步開(kāi)展漫反射板反射率監(jiān)測(cè)并對(duì)定標(biāo)結(jié)果實(shí)時(shí)修正，大幅提升在軌輻射定標(biāo)精度。

(3)對(duì)日定標(biāo)時(shí)刻通過(guò)改變漫反射板角度實(shí)現(xiàn)多個(gè)可見(jiàn)光短波紅外譜段能級(jí)定標(biāo)，變溫黑體定標(biāo)結(jié)合高頻次的冷空間定標(biāo)實(shí)現(xiàn)多個(gè)熱紅外譜段能級(jí)定標(biāo)，全譜段均可獲得覆蓋動(dòng)態(tài)范圍高低端的輻射定標(biāo)系數(shù)，定標(biāo)過(guò)程中消除了大氣影響，定標(biāo)精度更高。

3 紅外相機(jī)在軌穩(wěn)定性評(píng)估

紅外相機(jī)在軌長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作是服務(wù)我國(guó)環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵。紅外相機(jī)采用高精度高穩(wěn)定擺掃機(jī)構(gòu)、深低溫制冷、在軌自定標(biāo)設(shè)備等核心技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)幅寬超720 km的可見(jiàn)光短波紅外至長(zhǎng)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(jī)構(gòu)與消角機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性、在軌定標(biāo)漫反射性能、信號(hào)穩(wěn)定性評(píng)估多個(gè)角度綜合評(píng)價(jià)紅外相機(jī)在軌穩(wěn)定性，具有極強(qiáng)的代表性。

3.1 在軌深低溫控溫性能評(píng)估

紅外相機(jī)紅外探測(cè)器采用分置式斯特林制冷機(jī)，將其制冷到50 K低溫下工作，制冷機(jī)冷頭溫度和工作電流的穩(wěn)定性決定了制冷機(jī)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(jī)制冷機(jī)冷頭溫度和工作電流數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4?？梢钥闯觯褐评錂C(jī)在軌運(yùn)行期間，冷頭溫度和工作電流穩(wěn)定，反映了制冷機(jī)良好的工作狀態(tài)，說(shuō)明了2臺(tái)紅外相機(jī)在軌深低溫控溫性能良好。

圖3 制冷機(jī)冷頭溫度在軌測(cè)試結(jié)果Fig.3 On-orbit test results of cold heads temperature of refrigerators

圖4 制冷機(jī)電流在軌測(cè)試結(jié)果Fig.4 On-orbit test results of current of refrigerators

3.2 掃描機(jī)構(gòu)與消角機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)估

紅外相機(jī)主體上設(shè)置了掃描鏡機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)穿軌方向上慢掃快回成像及在軌輻射定標(biāo)指向。另外，設(shè)置消角動(dòng)量機(jī)構(gòu)與掃描鏡同軸安裝，利用反向轉(zhuǎn)動(dòng)消除掃描鏡機(jī)構(gòu)擺掃過(guò)程中產(chǎn)生的剩余角動(dòng)量。

3.2.1 掃描機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性能評(píng)估

在對(duì)地掃描成像時(shí)，將掃描鏡指向星下點(diǎn)時(shí)的角度定義為45°，在45°±15°范圍內(nèi)慢掃快回對(duì)地?cái)[掃成像，掃描鏡勻速掃描時(shí)間代表獲取1幀穿軌圖像所用幀時(shí)，掃描時(shí)間的穩(wěn)定性直接決定了圖像的配準(zhǔn)和拼接精度，勻速掃描速度則體現(xiàn)出每次掃描過(guò)程中掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。本文給出了2020年10月-2021年9月掃描鏡機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的勻速掃描時(shí)間和勻速掃描速度，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6?？梢钥闯觯涸诮?年的工作時(shí)間內(nèi)，掃描機(jī)構(gòu)勻速掃描時(shí)間、勻速掃描速度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一致性好，表明掃描機(jī)構(gòu)在軌工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 勻速掃描時(shí)間在軌測(cè)試結(jié)果Fig.5 On-orbit test results of uniform scanning time

圖6 勻速掃描速度在軌測(cè)試結(jié)果Fig.6 On-orbit test results of uniform scanning speed

3.2.2 消角機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性能評(píng)估

紅外相機(jī)掃描鏡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剩余角動(dòng)量最高可達(dá)到0.064 2 kg·m2，為消除掃描鏡擺掃時(shí)剩余角動(dòng)量對(duì)整星姿態(tài)的影響，在紅外相機(jī)上設(shè)置消角動(dòng)量裝置將剩余角動(dòng)量限制到允許的范圍內(nèi)。該消角動(dòng)量裝置安裝在掃描鏡機(jī)構(gòu)電機(jī)的另一側(cè)，與掃描鏡機(jī)構(gòu)同軸布置，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)不銹鋼慣量盤(pán)同軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量的補(bǔ)償；剩余角動(dòng)量的穩(wěn)定性直接反映了消角機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。剩余角動(dòng)量ΔL由式(1)計(jì)算。

ΔL=|ωs·Is-ωx·Ix·cosθ|

(1)

式中：ωs為掃描鏡機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)角速度；Is為掃描鏡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(模型計(jì)算值為0.07 kg·m2)；ωx為消角機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)角速度；Ix為消角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(模型計(jì)算值為0.002 3 kg·m2)；θ為掃描鏡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸和消角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的軸線夾角，考慮余量取最大值(如圖7所示，掃描鏡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸和消角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jì)了2020年10月-2021年9月獲取的紅外相機(jī)在軌剩余角動(dòng)量數(shù)據(jù)，如圖7所示?？梢钥闯觯涵h(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的2臺(tái)紅外相機(jī)剩余角動(dòng)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，一致性良好；消角機(jī)構(gòu)在軌工作穩(wěn)定。

圖7 剩余角動(dòng)量在軌測(cè)試結(jié)果Fig.7 On-orbit test results of residual angular momentum

3.3 紅外相機(jī)在軌定標(biāo)漫反射板性能評(píng)估

可見(jiàn)光近紅外(B1～B6譜段)等反射通道的在軌輻射定標(biāo)，通過(guò)太陽(yáng)光與漫反射板組合，并配合衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。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(jī)在軌輻射定標(biāo)結(jié)果及數(shù)據(jù)反演結(jié)果，需要紅外相機(jī)具備在軌期間對(duì)其反射性能持續(xù)測(cè)試評(píng)估的能力[16]。

為了便于監(jiān)測(cè)并修正因漫反射板衰減引入的定標(biāo)誤差，紅外相機(jī)在星上設(shè)置比輻射計(jì)組件，以穩(wěn)定已知的太陽(yáng)為參照，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段漫射板的比對(duì)測(cè)量監(jiān)測(cè)漫射板的反射率衰變，對(duì)漫射板性能及輻射定標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行實(shí)時(shí)修正[17]。比輻射計(jì)共設(shè)置4個(gè)通道，分別對(duì)應(yīng)紅外相機(jī)的B1，B2，B3，B5譜段。對(duì)日定標(biāo)時(shí)刻，比輻射計(jì)通過(guò)電磁閥切換連續(xù)采集對(duì)日、對(duì)漫反射板信號(hào)，通過(guò)日板響應(yīng)比例判斷漫反射板衰減情況。

紅外相機(jī)入軌以來(lái)，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)優(yōu)后于2021年3月與2021年6月開(kāi)展了2次對(duì)日輻射定標(biāo)工作。以2021年3月數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，使用6月對(duì)日定標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)漫反射板3個(gè)月內(nèi)各譜段的衰減情況進(jìn)行評(píng)估。2次對(duì)日定標(biāo)的太陽(yáng)天頂角均為52°，提取環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，取比輻射計(jì)的2次日地口比值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 比輻射計(jì)2次定標(biāo)日板比例因子測(cè)試結(jié)果Table 8 Results of scale factors of calibration plates in ratioing radiometers at two different times

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星比輻射計(jì)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(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，代入表9中各譜段漫反射板初始反射率，計(jì)算得到2021年6月各譜段反射率變化情況。由比輻射計(jì)結(jié)果可知：漫反射板各譜段內(nèi)反射率在3個(gè)月內(nèi)衰減輕微(最大約0.3%)。

表9 漫反射板4個(gè)譜段反射率在3個(gè)月內(nèi)衰減情況計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculation results of attenuation of reflectance for 4 spectral bands of diffuse reflector in 3 months

3.4 信號(hào)穩(wěn)定性評(píng)估

為了對(duì)在軌期間紅外相機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，本文從環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星紅外相機(jī)選取2021年2月5日和2021年6月25日的冷空間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星紅外相機(jī)選取2021年3月19日和同年6月25日數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果詳見(jiàn)表10。從表10中可以看出：環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)的圖像暗電平數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表10 紅外相機(jī)暗信號(hào)比對(duì)Table 10 Comparison of dark signals of infrared cameras

對(duì)在軌B1～B6譜段，通過(guò)STK軟件分別仿真2021年3月11日及2021年6月25日定標(biāo)時(shí)刻的日地距離，求得日地距離修正因子為4.368%。同時(shí)，代入比輻射計(jì)獲取的漫反射板衰減系數(shù)，求得3月和6月2臺(tái)紅外相機(jī)各譜段響應(yīng)值，見(jiàn)表11。

表11 紅外相機(jī)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)比對(duì)Table 11 Comparison of response signals of infrared cameras

考慮定標(biāo)時(shí)刻紅外相機(jī)指向精度及噪聲等因素，誤差在合理區(qū)間內(nèi)。B7～B9譜段因參數(shù)調(diào)整完成后，只進(jìn)行了1次黑體定標(biāo)，缺乏長(zhǎng)期比對(duì)的數(shù)據(jù)，因此本文未進(jìn)行2臺(tái)紅外相機(jī)B7～B9譜段響應(yīng)穩(wěn)定性的評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星紅外相機(jī)在2020年10月-2021年6月完成了在軌性能測(cè)試工作。2臺(tái)紅外相機(jī)B1～B9譜段實(shí)測(cè)幅寬、空間分辨率均優(yōu)于指標(biāo)；各譜段垂軌和沿軌方向配準(zhǔn)精度均優(yōu)于指標(biāo)要求的0.3像元；2臺(tái)紅外相機(jī)各譜段的在軌實(shí)測(cè)MTF值均優(yōu)于0.25。在軌輻射特性的方面，2臺(tái)紅外相機(jī)B1～B6譜段的信噪比、B7～B9譜段的探測(cè)靈敏度均優(yōu)于指標(biāo)要求，紅外相機(jī)相對(duì)輻射定標(biāo)精度、絕對(duì)輻射定標(biāo)精度均優(yōu)于指標(biāo)要求。最后，利用在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)2臺(tái)紅外相機(jī)在軌1年的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估。結(jié)果表明，2臺(tái)紅外相機(jī)的制冷機(jī)、掃描機(jī)構(gòu)與消角機(jī)構(gòu)等在軌工作正常穩(wěn)定；在軌運(yùn)行期間輻射響應(yīng)信號(hào)變化百分比優(yōu)于0.7%，信號(hào)穩(wěn)定性良好。