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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。
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。
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。
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。
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。
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
图11 高光谱侦察卫星与光学卫星协同工作
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。
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。
图13 应急发射模块化高光谱卫星流程图
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。
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