劉銀年

?

“高分五號”衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機的研制

劉銀年

（中國科學院上海技術(shù)物理研究所，中國科學院紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室，上海 200083）

可見短波紅外高光譜相機是“高分五號”衛(wèi)星上的主載荷之一，由中國科學院上海技術(shù)物理研究所研制，以60km幅寬、30m的地面分辨率和5~10nm的光譜分辨率，同時獲取地物在400~2 500nm范圍內(nèi)共330個連續(xù)譜段的空間信息和光譜信息。相機在可見近紅外譜段（0.4~1.0μm）的光譜分辨率約為5nm，短波紅外譜段（1.0~2.5μm）約為10nm。高光譜相機將能夠解決遙感應用中的許多關(guān)鍵科學問題，諸如生態(tài)、環(huán)境監(jiān)測、國土資源和地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查，以及災害監(jiān)測，農(nóng)、林、牧業(yè)精細作業(yè)，城市規(guī)劃等遙感應用。高光譜相機是中國首個采用凸面光柵分光的衛(wèi)星載荷。與Hyperion上的儀器相比，高光譜相機信噪比更高（3~4倍），地面覆蓋更寬（約8倍），譜段數(shù)更多（多100多個）。此外，高光譜相機的綜合性能指標與未來5–10年國際上要發(fā)射的高光譜相機相當。

高光譜相機 大幅寬 低畸變 高靈敏度 “高分五號”衛(wèi)星

0 引言

高光譜成像技術(shù)可同時獲取目標的幾何、輻射和光譜信息，是對地遙感與目標探測的重要手段，在國土資源探測、環(huán)境災害監(jiān)測、農(nóng)林漁牧、海洋監(jiān)測以及目標探測、偽裝識別等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重大的作用[1-3]。隨著高光譜遙感應用的深入，對高光譜遙感的光譜范圍、光譜分辨率、幅寬、空間分辨率、時間分辨率與定標精度等指標提出了新的要求。

過去的幾十年，Hyperion[4]和CHRIS[5]是提供星載高光譜數(shù)據(jù)的主要來源，但是它們數(shù)據(jù)的品質(zhì)和數(shù)量對于成像光譜技術(shù)的潛在應用來說還遠遠不夠，因此各國均規(guī)劃了性能更先進的高光譜傳感器，包括美國NASA的HyspIRI[6]、德國的EnMAP[7]、意大利的PRISMA[8]，以及印度正在研制中的高光譜衛(wèi)星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3。相關(guān)儀器參數(shù)和性能指標列于表1。

表1 國外在軌/在研星載高光譜遙感儀器參數(shù)

Tab.1 Parameters of the abroad spaceborne hyperspectral imagers on-orbit & in study

1 系統(tǒng)組成及性能

“高分五號”（GF-5）衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機由遮光罩、定標子系統(tǒng)、寬視場望遠鏡、視場分離器、狹縫、基于凸面光柵的光譜儀、面陣探測器組件、驅(qū)動與信號獲取和通信控制與信息處理電子學等子系統(tǒng)組成。相機采用離軸三反望遠鏡成像，視場分離器將可見近紅外和短波紅外譜段分離開，通過狹縫視場后，采用基于凸面光柵的光譜儀進行精細分光，光譜圖像信號分別匯聚到CCD面陣探測器和短波紅外HgCdTe探測器焦面上，實現(xiàn)高光譜成像。其實物圖如圖1所示，具體參數(shù)如表2所示。

圖1 高光譜相機實物圖

表2 GF-5衛(wèi)星可見短波紅外高光譜相機指標

Tab.2 Parameters of the visible-short wave infrared hyperspectral camera of GF-5 satellite

為保證大視場的要求，相機采用全反射式離軸三反主光學望遠鏡，在傳統(tǒng)offner結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一片校正透鏡的凸面光柵，光線分別在進入offner結(jié)構(gòu)前和出offner結(jié)構(gòu)后兩次通過這片光柵，通過狹縫中心與邊緣光線對光柵的不同入射角，校正了長狹縫的光譜彎曲及光譜畸變。

為保證獲取圖像數(shù)據(jù)的定量化水平，相機設(shè)置了豐富的星上定標手段。通過對星上LED定標組件成像，結(jié)合掩星觀測大氣輪廓進行相機在軌光譜定標；通過引入太陽光照射星上漫反板對相機進行輻射定標，同時使用獨立的漫反板監(jiān)視器來監(jiān)視漫反板的衰減。

高光譜相機飛行產(chǎn)品出所前在用戶和衛(wèi)星總體的參與下，進行了性能驗收測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 高光譜相機測試結(jié)果

Tab.3 Test results of AHSI

2 應用前景

高光譜遙感將有力地推進我國環(huán)境監(jiān)測、國土資源調(diào)查、油氣礦產(chǎn)勘察工作，為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供環(huán)境、資源和能源保障支持。具體來說，該載荷對于水環(huán)境遙感、生態(tài)環(huán)境遙感、固體廢棄物遙感及重大工程和環(huán)境事故遙感監(jiān)測具有十分重要的應用，并有利于高光譜在礦物識別與填圖中的和油氣探測中的應用，此外，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)還可應用于災害監(jiān)測、農(nóng)林牧精細化作業(yè)，及遙感應用研究等諸多領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

本文介紹了我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項高光譜探測衛(wèi)星（GF-5）的主載荷之一—可見短波紅外高光譜相機的設(shè)計理念和應用前景。GF-5衛(wèi)星將為我國環(huán)境污染防治等工作提供重要的科技支撐和空間信息服務，將有力地推進我國星載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，引領(lǐng)相關(guān)的精密光學成像、低畸變大平場精細分光、大規(guī)模紅外焦平面探測器、長壽命大冷量制冷機、高速低噪聲信號獲取處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

致謝：本項目由國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項資助（A0106/1112），研究過程中得到了生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心、國土資源部中國國土資源航空物探遙感中心、中華人民共和國國家國防科技工業(yè)局重大專項中心、中國航天科技集團有限公司、以及上海航天技術(shù)研究院、上海衛(wèi)星工程研究所等單位的支持。

[1] 劉銀年, 丁學專, 李志忠. 面向地學應用的高光譜遙感器指標體系設(shè)計[J]. 地球科學—中國地質(zhì)大學學報, 2015, 40(8): 1295-1300. LIU Yinnian, DING Xuezhuan, LI Zhizhong. Specification Design of Hyperspectral Imaging Remote Sensor Used in Geosciences[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2015, 40(8): 1295-1300. (in Chinese)

[2] 馬國欣, 薛永祺, 李高豐. 珠江三角洲地區(qū)的灰霾監(jiān)控與衛(wèi)星遙感[J]. 科技導報, 2008, 26(16): 72-76. MA Guoxin, XUE Yongqi, LI Gaofeng. Satellite Remote Sensing for Haze Monitoring in Pearl River Delta Region[J]. Science & Technology Review, 2008, 26(16): 72-76. (in Chinese)

[3] 童慶禧, 張兵, 張立福. 中國高光譜遙感的前沿進展[J]. 遙感學報, 2016, 20(5): 689-707. TONG Qingxi, ZHANG Bing, ZHANG Lifu. Current Progress of Hyperspectral Remote Sensing in China[J]. Journal of Remote Sensing, 2016, 20(5): 689-707. (in Chinese)

[4] PEARLMAN J S, BARRY P S, SEGAL C C, et al. Hyperion, a Space-based Imaging Spectrometer[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2003, 41(6): 1160-1173.

[5] BARNSLEY M J, SETTLE J J, CUTTER M A, et al. The PROBA/CHRIS Mission: A Low-cost Smallsat for Hyperspectral Multiangle Observations of the Earth Surface and Atmosphere[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2004, 42(7): 1512-1520.

[6] LEE C M, CABLE M L, HOOK S J, et al. An Introduction to the NASA Hyperspectral InfraRed Imager (HyspIRI) Mission and Preparatory Activities[J]. Remote Sensing of Environment, 2015, 167: 6-19.

[7] STUFFLER T, KAUFMANN C, HOFER S, et al. The EnMAP Hyperspectral Imager—an Advanced Optical Payload for Future Applications in Earth Observation Programs[J]. Proc. of SPIE, 2007, 61(s: 1-6): 115-120.

[8] PERSSON S, VELDMAN S, BODIN P. PRISMA—A Formation Flying Project in Implementation Phase[J]. Acta Astronautica, 2009, 65: 1360-1374.

[9] 王碩, 徐進. 俄羅斯對地觀測衛(wèi)星最新進展[J]. 國際太空, 2016, 451(7): 53-60. WANG Shuo, XU Jin. Development of Russian Earth Observation Satellites[J]. Space International, 2016, 451(7): 53-60. (in Chinese)

[10] 王麗霞, 王慧, 高軍. 星載高光譜成像技術(shù)應用及現(xiàn)狀分析[J]. 航天返回與遙感, 2000, 21(1): 40-47. WANG Lixia, WANG Hui, GAO Jun. Application and Situation Analysis of Hyper-spectral Imaging Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2000, 21(1): 40-47. (in Chinese)

Visible-shortwave Infrared Hyperspectral Imager of GF-5 Satellite

LIU Yinnian

（Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China）

Visible-shortwave infrared advanced hyperspectral imager (AHSI) is the main payload of the GF-5 satellite, and is developed by Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science. AHSI is designed to be capable of resolving 330 spectral bands from 0.4 to 2.5 μm with 30m ground resolution and 60km swath width. The spectral resolution is about 5 nm for VNIR (0.4~1.0 μm) and 10 nm for SWIR (1.0~2.5 μm). AHSI will be able to address many key science questions in remote sensing applications, such as ecological and environmental monitoring; investigation of geology and mineral resources, land & resources; disaster monitoring; agriculture, forestry, animal husbandry fine work and city planning. AHSI is China’s first spaceborne hyperspectral imager with a convex grating spectrum. Compared to the instruments on board Hyperion, AHSI has a much higher signal-to-noise ratio(about 3–4 times), a much wider swath width(about 8 times) , and much more spectral bands (more than 100 increased). Moreover, the comprehensive performance of AHSI is comparable to that of the hyperspectral imagers to be launched in the next 5-10 years.

hyperspectral camera;wide swath;low distortion; high sensitivity; GF-5 satellite

TN216

A

1009-8518(2018)03-0025-04

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.003

劉銀年，男，1971年生，2005年獲中國科學院大學物理電子學專業(yè)博士學位，現(xiàn)為中國科學院上海技術(shù)物理研究所研究員，博士生導師。研究方向為紅外暨高光譜遙感技術(shù)。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

2018-03-28

國家重大科技專項工程

（編輯：王麗霞）