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高光谱成像卫星发展研究

    高光谱成像技术始于20世纪80年代,通过成像技术和光谱技术集成,对目标进行空间成像同时,完成光谱信息采集,获取目标“指纹特征光谱”,建立三维数据库,通过纳米级差异光谱分析,对特征波段差检测,将不同光谱通道的地物空间几何特性和光谱特性多维融合,从信号层实现地物光谱采集、异常灾害检测和伪装隐身目标识别,在农林普查、环境保护、浅海及近海岸基探测、地质资源勘探和国防建设等领域应用广泛。
    美国利用近二十年时间完成高光谱技术的机载应用验证和星载在轨运行,目前已初步建成基于高光谱成像探测的遥感卫星体系,国际上在2000年前后兴起高光谱成像卫星发展热潮,俄、印、德、法和日本等国都已具备不同程度的研制和发射高光谱卫星能力。随着光电探测器、星载存储及数据传输等技术发展,高光谱卫星将为光学卫星发展迎来新的发展机遇。为此,文中围绕高光谱侦察卫星技术体制、在轨现状、典型工作模式和未来主要发展方向进行了综述。


    1 高光谱成像卫星技术体制研究
    根据分光方式不同,高光谱成像卫星可分为干涉体制和色散体制。基于干涉信息获取途径不同,可分为时间调制、空间调制和时空联合调制三种类型。时间调制型在同一时刻收集地物目标点辐射单一光程差信息,通过动反射镜时间积分完善干涉信息;空间调制型同一时刻采集单点地物目标点辐射所有干涉信息,通过空间扫描完善二维空间光谱辐射;时空联合调制型通过面阵成像获得目标某一光程差处干涉信息,通过平台推扫完善全部视场干涉图。上述体制本质是通过获得地物辐射信息,在不同光程差处的光场叠加强度,形成干涉条纹,通过计算光学反演目标光谱和任意通道空间信息。基于分光介质不同,色散体制可分棱镜色散和光栅色散型两类。图1所示为三种典型分光体制高光谱载荷分光原理图。


图1 不同分光体制高光谱载荷分光原理图

    干涉型载荷在探测器上成像是干涉条纹,无法直接成像,且数据量大,数据管理与数据传输复杂;棱镜色散型载荷结构简单,易于小型化,但光谱分辨率不高;光栅色散型载荷可实时成像,光谱分辨率高,且体积小、质量轻。不同分光体制的高光谱载荷性能各异,在不同应用领域互有优势。美欧等国早期就发展了干涉分光、棱镜色散分光、光栅色散分光等多种技术体制高光谱成像卫星,2000年7月19日,美国发射强力星-II搭载FTH⁃SI高光谱载荷,实现首颗干涉体制高光谱卫星在轨运行;同年10月22日,欧空局发射PROBA小卫星搭载CHRIS棱镜色散型多光谱成像侦察载荷在轨运行,2001年11月21日,美国发射EO-1搭载Hy⁃perion高光谱载荷,实现首颗光栅色散体制高光谱卫星在轨探测。对比不同体制高光谱载荷优劣势,美国空军认为就星载高光谱侦察载荷方面,光栅分光体制最适合星载应用。基于此,2004年启动的Tacsat-3战术指挥高光谱侦察卫星选择了Offner凸面光栅分光体制。图2所示为三种典型高光谱侦察卫星及载荷分光光路图。

图2 不同体制高光谱侦察卫星及载荷分光光路图
    Tacsat-3于2009年5月18日成功发射,在轨工作两年,光谱覆盖0.4~2.5μm,共有超过400个光谱通道,空间分辨率4m。Tacsat-3的成功应用,加速推动了光栅分光技术体制应用进程,使其在以后的至少20年一直被广泛应用在高光谱卫星领域,后续发射COIS、CRISM、M3等以及计划发射的高光谱卫星全部采用该技术体制。


    2 国外高光谱侦察卫星现状
    经过21世纪初的大面积验证,星载高光谱技术在军民检测及监控领域能力被普遍认可。受限于探测器硬件规模、电子学处理及遥测能力,近15年内高光谱卫星发射基本处于停滞状态,严重阻碍了高光谱侦察卫星发射和实际应用。但该项技术一直是各国研究重点,近几年,随着光学及电子技术进步,高光谱成像卫星迎来第二轮发展热潮,发射计划逐步增多,图3所示为部分典型退役、在轨服役和计划发射高光谱卫星信息。


图3 典型退役、在轨和计划发射的部分高光谱成像卫星

    近3年内共有7颗卫星发射,未来5年内还至少有十余颗发射。其中,光栅分光技术体制被认为是最适合星载高光谱应用,占现役卫星95%以上。2.1典型在轨高光谱成像卫星2018年6月29日,由美国和德国共同研制的DE⁃SIS高光谱成像载荷搭载SpaceX火箭发射到国际空间站(ISS),用于在可见光范围对地光谱精确遥测。其工作波段为400~1000nm,光谱分辨率为3.3nm,受平台姿态影响,在400km轨道高度对地成像空间分辨率为24.7~32.6m,幅宽25.3~33.4km。图4所示为DESIS高光谱成像卫星示意图。

图4 DESIS高光谱成像卫星示意图
    2018年11月29日,印度空间研究组织(ISRO)研制的HySIS高光谱成像卫星入轨工作,轨道高度628km,轨道倾角97.957°,对地空间分辨率30m。载荷采用光栅分光技术体制,可见光光谱覆盖400~950nm,共70个通道,近红外及短波光谱覆盖850~2500nm,共256个光谱通道,光谱分辨率优于10nm。高帧频探测器阵列芯片架构、器件总体设计、芯片布局及封装工艺均由ISRO的太空应用中心设计,并由其下属的SCL团队加工,探测器规格1000元×66元,探测器尺寸11μm×26μm,共4个相互独立的读出电路。次年11月27日,ISRO发射Cartosat3光学卫星,光学系统入瞳1200mm,搭载了高分辨率pan波段光学相机、四色谱光学相机和高光谱侦察载荷。该卫星是印度有史以来光学载荷集成度最高、功能最强大的卫星。卫星轨道505km,空间分辨率方面,pan谱段可达0.25m,四色谱相机1.13m,两者幅宽均为16km;高光谱载荷共200个光谱通道,在可见及近红外谱段空间分辨率12m,幅宽5km,中波红外方面分辨率优于6m。图5左图所示为HySIS高光谱成像卫星示意图,右图所示为Cartosat3光学卫星示意图。


图5 HySIS(左)及Cartosat-3(右)高光谱成像卫星示意图

    2019年3月21日,意大利航天局全额资助的PRISMA地球观测卫星发射升空,轨道高度641.8km,倾角97.87°,推扫幅宽30km。该卫星集成一台高光谱成像载荷和一台中等分辨率全色谱相机,可提供场景及目标的化学物理成分信息及较高分辨率的地物几何特征识别能力。高光谱相机光学系统采用离轴三反结构,光学系统直径210mm,相对孔径2.95,光学视场48.3mrad。高光谱载荷探测器规格1000元×256元,像元尺寸30μm×30μm。光谱分辨率优于12nm,空间分辨率20~30m。VNIR谱段(400~1010nm)范围内共拍摄66个通道,SWIR谱段(920~2505nm)范围内共拍摄173个通道。全色谱相机探测器响应波段400~700nm,探测器规格6000元,像元尺寸6.5μm×6.5μm,空间分辨率5m。图6所示为PRISMA高光谱成像卫星示意图及实物图。

图6 PRISMA高光谱成像卫星
    2019年12月6日,日本经济产业省(METI)研制的HISUI高光谱系统搭载SpaceXDragon货船前往国际空间站(ISS),主要用于制图、区域观测、灾害监测和资源测量等民用领域。图7为HISUI高光谱套件在国际空间站安装位置及套件结构示意图。

图7 HISUI高光谱套件在国际空间站安装位置及套件结构示意图

    HISUI采用Offner光栅分光技术体制,采用离轴三反光学系统,入瞳直径300mm,焦距660mm,瞬时视场48.5mrad。地物辐射信息经过宽度30μm狭缝后,可见光进入VNIR谱段(440~970nm)分光单元,采用背照硅基CMOS探测器,光谱分辨率10nm,共57个光谱通道;短波及近红外部分进入SWIR谱段(900~2500nm)分光单元,采用背PV-MCT(碲镉汞)型线探测器,光谱分辨率12nm,共128个光谱通道,两个探测器频率一致,积分时间不大于4.36ms,数据传输效率0.4Gbps,载荷日最大数据采集量690Gbyte。同时,HISUI是计划2020年发射的ALOS-3高级陆地观测卫星主载荷。该项目旨在建立模块化、通用化的高光谱成像套件,同时健全日本在高光谱卫星载荷设计制造、数据处理传输、地面应用、平台发射等体系化的高光谱成像卫星自主研发体系。


2.2 部分计划发射的高光谱成像卫星
    近年来,高光谱成像卫星发射计划逐渐增多。德国宇航局在2006年初通过了EnMAP高估光谱卫星研制计划,主要用于对植被分布、土壤分类及水资源等领域的监测,预计2020年发射,轨道高度预计643km,光谱范围425~2450nm,谱段数为218个。在500~850nm波段光谱分辨率为5nm,探测器采用1024元×1024元的面阵CCD,空间分辨率30m,幅宽为30km;在850~2450nm波段光谱分辨率10nm,采用MCT探测器,1024元×256元,制冷温度120K。载荷光路图及在轨运行概念图如图8所示。



图8 ENMAP系统光路图及其在轨运行概念图
    印度计划在2020年发射GISAT1(GEOimag⁃ingsatellite)[17]卫星,轨道高度35786km,在东经93.5°位置,是第一颗地球同步轨道高光谱成像卫星,分光技术体制与HySIS完全相同,可在400~2500nm范围内提供不少于210个光谱通道的高光谱探测能力,空间分辨能力在192~320m之间。图9为GISAT1同步轨道高光谱成像卫星设计图。同时,该系列的GISAT2已经列入研制计划,预计2025年发射。



图9 GISAT1同步轨道高光谱成像卫星设计图
    法国计划在2020年发射HYPXIM-P高光谱卫星,轨道高度660km,搭载一个可见光全色波段高分辨光学相机,空间分辨率2m,以及两个高光谱载荷,光谱范围分别覆盖400~2500nm和8~12μm,采集幅宽16km。图10所示为HYPXIM-P高光谱成像卫星设计图。



图10 HYPXIM-P高光谱成像卫星设计图
    其中可见及近红外波段载荷光学系统口径430mm,探测器规模2000元×360元,共210个光谱通道,光谱分辨率10nm,空间分辨率优于8m;长波红外波段载荷光学系统口径60mm,探测器规模160元×35元,共40个光谱通道,光谱分辨率100~150nm,空间分辨率100m。美国计划在2022年发射HySpecIQ高光谱卫星,轨道高度450~700km。HySpecIQ与TacSat-3搭载的ARTEMIS高光谱载荷均由波音公司研制,光谱覆盖400~2380nm,采用单一分光光路结构和单一探测器的Offner光栅技术体制,共有220个光谱通道,且每个光谱通道空间分辨率5m,是目前所有商用高光谱载荷最高分辨率水平。HySpecIQ系列目前计划共两颗星。


    3 高光谱成像卫星典型工作模式分析

    3.1 协同光学卫星接力侦察
    高光谱成像卫星借助损失每一个光谱通道的光照度,实现多谱段同时探测。为增加系统探测能力,载荷视场很小,以EO-1高光谱侦察载荷Hyper⁃ion为例分析。Hyperion视场仅0.624°,导致其侦察范围受限,重访周期过长,为此设计者在同一平台上增加了相同空间分辨率,但侦察视场曾大5倍的ALI载荷,为进一步增加侦察能力,同时利用EO-1和Landsat7接力工作模式,Landsat7先进行大范围普查,当其发现感兴趣目标或区域时,迅速将相关信息传递给稍后到达的EO-1卫星,后者利用同一平台两种载荷协作,实现对地物信息提取和有效识别,这使Hyperion探测能力提高近25倍。EO-1卫星和Landsat7卫星载荷侦察区域示意图如图11所示。

图11 高光谱侦察卫星与光学卫星协同工作


    3.2 高分辨率载荷与高光谱载荷同平台集成

    高光谱侦察卫星最大的优势是高光谱分辨率探测。在高分辨率光学照相卫星高速发展的今天,亚米级空间分辨率技术已经全球普及。然而就现在高光谱技术能力,30m空间分辨率是普遍水平,只有美国能够实现兼顾纳米级光谱分辨条件下空间5m分辨,这简直无法被用户接受。然而,调用其他卫星资源需要面对解决载荷轨道高度、过境时间、照相角度、太阳辐射强度、云层遮挡等一系列问题,高分辨率载荷与高光谱载荷同平台集成,可通过光学系统设计实现同视场、同幅宽、同侧摆,数据同时传输等棘手问题。例如印度发射的Cartosat-3、意大利发射的PRISMA和日本即将发射的ALOS-3等都采用这种集成方式解决高光谱载荷低空间分辨率问题。


    4 高光谱成像卫星发展研究
    4.1 卫星组网全球覆盖探测
    星载高光谱侦察载荷质量一般较小,通常在几十公斤量级。近10年来,小卫星发展迅速,组网探测技术已成熟,高光谱载荷搭载小卫星已不是问题。现以百公斤量级小卫星星座为平台探讨高光谱组网探测能力。评估小卫星星座对地球表面上一个特定位置或区域的覆盖能力,最通用的覆盖性能指标有覆盖重数、时间覆盖百分比等。根据仿真计算,在450~650km轨道高度范围内,基于18颗卫星组网,采用三个轨道面工作模式,基本可实现全球不少于60%地区一重覆盖探测;基于24颗卫星组网,采用三个轨道面工作模式,可实现全球地区两重覆盖探测。图12所示为24颗卫星组网对全球探测能力示意图。

图12 SkySat星座(24/3)三维示意图
    4.2 模块化载荷应急发射

考    虑陆地、海洋及大气环境骤变及突发性事故、灾害频繁,针对有限时间内、有限区域内、有限能力的高光谱探测需求日益迫切。高光谱载荷整体采用模块化、组合化、通用化和商业化设计,基本可满足1~3天内完成载荷需求满足筛选、地面系统调试、与运载火箭装配整合,3~5天内完成运载火箭准备程序,根据发射场地及发射时机资源分配适时发射升空,一旦处于合适轨道高度,高光谱卫星将在24h内完成快速初始化。一个星期内为用户提供可用的指定区域光谱成像信息,持续时间至少一年的数据采集能力,基本能够满足用户需求,因此应急发射高光谱卫星将成为常态化。


    4.3 载荷高空间分辨率成像
    遥感电子侦察领域,光学类成像卫星较其他电子侦察卫星最大优势是成果可视化。高速发展的光电探测器及图像处理技术大力推进了光学卫星分辨能力,美国KH-11系列卫星早已突破0.1m分辨能力,商用卫星方面World-view系列代表全球最高水平,全色谱已达0.25m,四色谱分辨率不小于1.24m。单一平台集成高空间分辨与光谱分辨载荷近只是解决燃眉之急的过渡手段。针对人类对地物目标指纹特征数据需求的迫切程度,基于调整轨道模型、提升光学系统及探测器性能规模等手段提供空间分辨能力,是目前发展的重点方向也是必然方向。图13所示为应急发射模块化高光谱卫星流程图。

图13 应急发射模块化高光谱卫星流程图


    4.4 高效的在轨数据管理
    高光谱成像卫星以“大数据”著称,在0.4~2.5μm波段范围内,数百光谱通道同步获取地物时、空及光谱多维信息,载荷基于多谱段图像融合互补及光谱信息印证,实现复杂背景环境下目标探测与识别,由于高维度数据信息过度冗余,导致原始数据信息量与传输带宽及时机不成比例,在轨原始数据面临突发性传输阻隔、瞬时采集数据堆积等淹没风险。基于地面系统对原始数据依赖程度,通过维度裁剪、信息融合、数据无损压缩等技术解决星载平台在线数据处理,有限信道容量对数据实时/准实时传输是高光谱卫星发展亟待解决问题。



    5 结论
    基于对高光谱技术在星载领域应用历程、在轨任务及计划发射卫星分析,得出以下结论:一是光栅分光体制将是未来一段时间内高光谱载荷首选技术路线;二是在需求牵引及技术推动下,高光谱卫星迎来新的发展热潮;三是在无法突破高效对地探测的情况下,接力探测和集成高分辨率全色谱载荷是高光谱卫星提升任务性能的主要过渡手段;四是面对任务需求,卫星平台组网探测、模块化载荷应急发射、高空间分辨率和高效的在轨数据管理是高光谱卫星主要发展方向。