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高光譜成像衛星發展研究

發布時間：2023-03-30

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高光譜成像技術在航天航空上應用。

高光譜成像衛星發展研究

高光譜成像技術始于20世紀80年代，通過成像技術和光譜技術集成，對目標進行空間成像同時，完成光譜信息采集，獲取目標“指紋特征光譜”，建立三維數據庫，通過納米級差異光譜分析，對特征波段差檢測，將不同光譜通道的地物空間幾何特性和光譜特性多維融合，從信號層實現地物光譜采集、異常災害檢測和偽裝隱身目標識別，在農林普查、環境保護、淺海及近海岸基探測、地質資源勘探和國防建設等領域應用廣泛。
美國利用近二十年時間完成高光譜技術的機載應用驗證和星載在軌運行，目前已初步建成基于高光譜成像探測的遙感衛星體系，國際上在2000年前后興起高光譜成像衛星發展熱潮，俄、印、德、法和日本等國都已具備不同程度的研制和發射高光譜衛星能力。隨著光電探測器、星載存儲及數據傳輸等技術發展，高光譜衛星將為光學衛星發展迎來新的發展機遇。為此，文中圍繞高光譜偵察衛星技術體制、在軌現狀、典型工作模式和未來主要發展方向進行了綜述。

1 高光譜成像衛星技術體制研究
根據分光方式不同，高光譜成像衛星可分為干涉體制和色散體制?；诟缮嫘畔@取途徑不同，可分為時間調制、空間調制和時空聯合調制三種類型。時間調制型在同一時刻收集地物目標點輻射單一光程差信息，通過動反射鏡時間積分完善干涉信息；空間調制型同一時刻采集單點地物目標點輻射所有干涉信息，通過空間掃描完善二維空間光譜輻射；時空聯合調制型通過面陣成像獲得目標某一光程差處干涉信息，通過平臺推掃完善全部視場干涉圖。上述體制本質是通過獲得地物輻射信息，在不同光程差處的光場疊加強度，形成干涉條紋，通過計算光學反演目標光譜和任意通道空間信息?；诜止饨橘|不同，色散體制可分棱鏡色散和光柵色散型兩類。圖1所示為三種典型分光體制高光譜載荷分光原理圖。

圖1 不同分光體制高光譜載荷分光原理圖

干涉型載荷在探測器上成像是干涉條紋，無法直接成像，且數據量大，數據管理與數據傳輸復雜；棱鏡色散型載荷結構簡單，易于小型化，但光譜分辨率不高；光柵色散型載荷可實時成像，光譜分辨率高，且體積小、質量輕。不同分光體制的高光譜載荷性能各異，在不同應用領域互有優勢。美歐等國早期就發展了干涉分光、棱鏡色散分光、光柵色散分光等多種技術體制高光譜成像衛星，2000年7月19日，美國發射強力星-II搭載FTH?SI高光譜載荷，實現首顆干涉體制高光譜衛星在軌運行；同年10月22日，歐空局發射PROBA小衛星搭載CHRIS棱鏡色散型多光譜成像偵察載荷在軌運行，2001年11月21日，美國發射EO-1搭載Hy?perion高光譜載荷，實現首顆光柵色散體制高光譜衛星在軌探測。對比不同體制高光譜載荷優劣勢，美國空軍認為就星載高光譜偵察載荷方面，光柵分光體制最適合星載應用?；诖?，2004年啟動的Tacsat-3戰術指揮高光譜偵察衛星選擇了Offner凸面光柵分光體制。圖2所示為三種典型高光譜偵察衛星及載荷分光光路圖。

圖2 不同體制高光譜偵察衛星及載荷分光光路圖

Tacsat-3于2009年5月18日成功發射，在軌工作兩年，光譜覆蓋0.4~2.5μm，共有超過400個光譜通道，空間分辨率4m。Tacsat-3的成功應用，加速推動了光柵分光技術體制應用進程，使其在以后的至少20年一直被廣泛應用在高光譜衛星領域，后續發射COIS、CRISM、M3等以及計劃發射的高光譜衛星全部采用該技術體制。

2 國外高光譜偵察衛星現狀
經過21世紀初的大面積驗證，星載高光譜技術在軍民檢測及監控領域能力被普遍認可。受限于探測器硬件規模、電子學處理及遙測能力，近15年內高光譜衛星發射基本處于停滯狀態，嚴重阻礙了高光譜偵察衛星發射和實際應用。但該項技術一直是各國研究重點，近幾年，隨著光學及電子技術進步，高光譜成像衛星迎來第二輪發展熱潮，發射計劃逐步增多，圖3所示為部分典型退役、在軌服役和計劃發射高光譜衛星信息。

圖3 典型退役、在軌和計劃發射的部分高光譜成像衛星

近3年內共有7顆衛星發射，未來5年內還至少有十余顆發射。其中，光柵分光技術體制被認為是最適合星載高光譜應用，占現役衛星95%以上。2.1典型在軌高光譜成像衛星2018年6月29日，由美國和德國共同研制的DE?SIS高光譜成像載荷搭載SpaceX火箭發射到國際空間站（ISS），用于在可見光范圍對地光譜精確遙測。其工作波段為400~1000nm，光譜分辨率為3.3nm，受平臺姿態影響，在400km軌道高度對地成像空間分辨率為24.7~32.6m，幅寬25.3~33.4km。圖4所示為DESIS高光譜成像衛星示意圖。

圖4 DESIS高光譜成像衛星示意圖

2018年11月29日，印度空間研究組織（ISRO）研制的HySIS高光譜成像衛星入軌工作，軌道高度628km，軌道傾角97.957°，對地空間分辨率30m。載荷采用光柵分光技術體制，可見光光譜覆蓋400~950nm，共70個通道，近紅外及短波光譜覆蓋850~2500nm，共256個光譜通道，光譜分辨率優于10nm。高幀頻探測器陣列芯片架構、器件總體設計、芯片布局及封裝工藝均由ISRO的太空應用中心設計，并由其下屬的SCL團隊加工，探測器規格1000元×66元，探測器尺寸11μm×26μm，共4個相互獨立的讀出電路。次年11月27日，ISRO發射Cartosat3光學衛星，光學系統入瞳1200mm，搭載了高分辨率pan波段光學相機、四色譜光學相機和高光譜偵察載荷。該衛星是印度有史以來光學載荷集成度最高、功能最強大的衛星。衛星軌道505km，空間分辨率方面，pan譜段可達0.25m，四色譜相機1.13m，兩者幅寬均為16km；高光譜載荷共200個光譜通道，在可見及近紅外譜段空間分辨率12m，幅寬5km，中波紅外方面分辨率優于6m。圖5左圖所示為HySIS高光譜成像衛星示意圖，右圖所示為Cartosat3光學衛星示意圖。

圖5 HySIS（左）及Cartosat-3（右）高光譜成像衛星示意圖

2019年3月21日，意大利航天局全額資助的PRISMA地球觀測衛星發射升空，軌道高度641.8km，傾角97.87°，推掃幅寬30km。該衛星集成一臺高光譜成像載荷和一臺中等分辨率全色譜相機，可提供場景及目標的化學物理成分信息及較高分辨率的地物幾何特征識別能力。高光譜相機光學系統采用離軸三反結構，光學系統直徑210mm，相對孔徑2.95，光學視場48.3mrad。高光譜載荷探測器規格1000元×256元，像元尺寸30μm×30μm。光譜分辨率優于12nm，空間分辨率20~30m。VNIR譜段（400~1010nm）范圍內共拍攝66個通道，SWIR譜段（920~2505nm）范圍內共拍攝173個通道。全色譜相機探測器響應波段400~700nm，探測器規格6000元，像元尺寸6.5μm×6.5μm，空間分辨率5m。圖6所示為PRISMA高光譜成像衛星示意圖及實物圖。

圖6 PRISMA高光譜成像衛星

2019年12月6日，日本經濟產業?。∕ETI）研制的HISUI高光譜系統搭載SpaceXDragon貨船前往國際空間站（ISS），主要用于制圖、區域觀測、災害監測和資源測量等民用領域。圖7為HISUI高光譜套件在國際空間站安裝位置及套件結構示意圖。

圖7 HISUI高光譜套件在國際空間站安裝位置及套件結構示意圖

HISUI采用Offner光柵分光技術體制，采用離軸三反光學系統，入瞳直徑300mm，焦距660mm，瞬時視場48.5mrad。地物輻射信息經過寬度30μm狹縫后，可見光進入VNIR譜段（440~970nm）分光單元，采用背照硅基CMOS探測器，光譜分辨率10nm，共57個光譜通道；短波及近紅外部分進入SWIR譜段（900~2500nm）分光單元，采用背PV-MCT（碲鎘汞）型線探測器，光譜分辨率12nm，共128個光譜通道，兩個探測器頻率一致，積分時間不大于4.36ms，數據傳輸效率0.4Gbps，載荷日最大數據采集量690Gbyte。同時，HISUI是計劃2020年發射的ALOS-3高級陸地觀測衛星主載荷。該項目旨在建立模塊化、通用化的高光譜成像套件，同時健全日本在高光譜衛星載荷設計制造、數據處理傳輸、地面應用、平臺發射等體系化的高光譜成像衛星自主研發體系。

2.2 部分計劃發射的高光譜成像衛星
近年來，高光譜成像衛星發射計劃逐漸增多。德國宇航局在2006年初通過了EnMAP高估光譜衛星研制計劃，主要用于對植被分布、土壤分類及水資源等領域的監測，預計2020年發射，軌道高度預計643km，光譜范圍425~2450nm，譜段數為218個。在500~850nm波段光譜分辨率為5nm，探測器采用1024元×1024元的面陣CCD，空間分辨率30m，幅寬為30km；在850~2450nm波段光譜分辨率10nm，采用MCT探測器，1024元×256元，制冷溫度120K。載荷光路圖及在軌運行概念圖如圖8所示。

圖8 ENMAP系統光路圖及其在軌運行概念圖

印度計劃在2020年發射GISAT1（GEOimag?ingsatellite）[17]衛星，軌道高度35786km，在東經93.5°位置，是第一顆地球同步軌道高光譜成像衛星，分光技術體制與HySIS完全相同，可在400~2500nm范圍內提供不少于210個光譜通道的高光譜探測能力，空間分辨能力在192~320m之間。圖9為GISAT1同步軌道高光譜成像衛星設計圖。同時，該系列的GISAT2已經列入研制計劃，預計2025年發射。

圖9 GISAT1同步軌道高光譜成像衛星設計圖

法國計劃在2020年發射HYPXIM-P高光譜衛星，軌道高度660km，搭載一個可見光全色波段高分辨光學相機，空間分辨率2m，以及兩個高光譜載荷，光譜范圍分別覆蓋400~2500nm和8~12μm，采集幅寬16km。圖10所示為HYPXIM-P高光譜成像衛星設計圖。

圖10 HYPXIM-P高光譜成像衛星設計圖

其中可見及近紅外波段載荷光學系統口徑430mm，探測器規模2000元×360元，共210個光譜通道，光譜分辨率10nm，空間分辨率優于8m；長波紅外波段載荷光學系統口徑60mm，探測器規模160元×35元，共40個光譜通道，光譜分辨率100~150nm，空間分辨率100m。美國計劃在2022年發射HySpecIQ高光譜衛星，軌道高度450~700km。HySpecIQ與TacSat-3搭載的ARTEMIS高光譜載荷均由波音公司研制，光譜覆蓋400~2380nm，采用單一分光光路結構和單一探測器的Offner光柵技術體制，共有220個光譜通道，且每個光譜通道空間分辨率5m，是目前所有商用高光譜載荷最高分辨率水平。HySpecIQ系列目前計劃共兩顆星。

3 高光譜成像衛星典型工作模式分析

3.1 協同光學衛星接力偵察
高光譜成像衛星借助損失每一個光譜通道的光照度，實現多譜段同時探測。為增加系統探測能力，載荷視場很小，以EO-1高光譜偵察載荷Hyper?ion為例分析。Hyperion視場僅0.624°，導致其偵察范圍受限，重訪周期過長，為此設計者在同一平臺上增加了相同空間分辨率，但偵察視場曾大5倍的ALI載荷，為進一步增加偵察能力，同時利用EO-1和Landsat7接力工作模式，Landsat7先進行大范圍普查，當其發現感興趣目標或區域時，迅速將相關信息傳遞給稍后到達的EO-1衛星，后者利用同一平臺兩種載荷協作，實現對地物信息提取和有效識別，這使Hyperion探測能力提高近25倍。EO-1衛星和Landsat7衛星載荷偵察區域示意圖如圖11所示。

圖11 高光譜偵察衛星與光學衛星協同工作

3.2 高分辨率載荷與高光譜載荷同平臺集成

高光譜偵察衛星最大的優勢是高光譜分辨率探測。在高分辨率光學照相衛星高速發展的今天，亞米級空間分辨率技術已經全球普及。然而就現在高光譜技術能力，30m空間分辨率是普遍水平，只有美國能夠實現兼顧納米級光譜分辨條件下空間5m分辨，這簡直無法被用戶接受。然而，調用其他衛星資源需要面對解決載荷軌道高度、過境時間、照相角度、太陽輻射強度、云層遮擋等一系列問題，高分辨率載荷與高光譜載荷同平臺集成，可通過光學系統設計實現同視場、同幅寬、同側擺，數據同時傳輸等棘手問題。例如印度發射的Cartosat-3、意大利發射的PRISMA和日本即將發射的ALOS-3等都采用這種集成方式解決高光譜載荷低空間分辨率問題。

4 高光譜成像衛星發展研究
4.1 衛星組網全球覆蓋探測
星載高光譜偵察載荷質量一般較小，通常在幾十公斤量級。近10年來，小衛星發展迅速，組網探測技術已成熟，高光譜載荷搭載小衛星已不是問題?，F以百公斤量級小衛星星座為平臺探討高光譜組網探測能力。評估小衛星星座對地球表面上一個特定位置或區域的覆蓋能力，最通用的覆蓋性能指標有覆蓋重數、時間覆蓋百分比等。根據仿真計算，在450~650km軌道高度范圍內，基于18顆衛星組網，采用三個軌道面工作模式，基本可實現全球不少于60%地區一重覆蓋探測；基于24顆衛星組網，采用三個軌道面工作模式，可實現全球地區兩重覆蓋探測。圖12所示為24顆衛星組網對全球探測能力示意圖。

圖12 SkySat星座（24/3）三維示意圖

4.2 模塊化載荷應急發射

考慮陸地、海洋及大氣環境驟變及突發性事故、災害頻繁，針對有限時間內、有限區域內、有限能力的高光譜探測需求日益迫切。高光譜載荷整體采用模塊化、組合化、通用化和商業化設計，基本可滿足1~3天內完成載荷需求滿足篩選、地面系統調試、與運載火箭裝配整合，3~5天內完成運載火箭準備程序，根據發射場地及發射時機資源分配適時發射升空，一旦處于合適軌道高度，高光譜衛星將在24h內完成快速初始化。一個星期內為用戶提供可用的指定區域光譜成像信息，持續時間至少一年的數據采集能力，基本能夠滿足用戶需求，因此應急發射高光譜衛星將成為常態化。

4.3 載荷高空間分辨率成像
遙感電子偵察領域，光學類成像衛星較其他電子偵察衛星最大優勢是成果可視化。高速發展的光電探測器及圖像處理技術大力推進了光學衛星分辨能力，美國KH-11系列衛星早已突破0.1m分辨能力，商用衛星方面World-view系列代表全球最高水平，全色譜已達0.25m，四色譜分辨率不小于1.24m。單一平臺集成高空間分辨與光譜分辨載荷近只是解決燃眉之急的過渡手段。針對人類對地物目標指紋特征數據需求的迫切程度，基于調整軌道模型、提升光學系統及探測器性能規模等手段提供空間分辨能力，是目前發展的重點方向也是必然方向。圖13所示為應急發射模塊化高光譜衛星流程圖。

圖13 應急發射模塊化高光譜衛星流程圖

4.4?高效的在軌數據管理
高光譜成像衛星以“大數據”著稱，在0.4~2.5μm波段范圍內，數百光譜通道同步獲取地物時、空及光譜多維信息，載荷基于多譜段圖像融合互補及光譜信息印證，實現復雜背景環境下目標探測與識別，由于高維度數據信息過度冗余，導致原始數據信息量與傳輸帶寬及時機不成比例，在軌原始數據面臨突發性傳輸阻隔、瞬時采集數據堆積等淹沒風險?；诘孛嫦到y對原始數據依賴程度，通過維度裁剪、信息融合、數據無損壓縮等技術解決星載平臺在線數據處理，有限信道容量對數據實時/準實時傳輸是高光譜衛星發展亟待解決問題。

5 結論
基于對高光譜技術在星載領域應用歷程、在軌任務及計劃發射衛星分析，得出以下結論：一是光柵分光體制將是未來一段時間內高光譜載荷首選技術路線；二是在需求牽引及技術推動下，高光譜衛星迎來新的發展熱潮；三是在無法突破高效對地探測的情況下，接力探測和集成高分辨率全色譜載荷是高光譜衛星提升任務性能的主要過渡手段；四是面對任務需求，衛星平臺組網探測、模塊化載荷應急發射、高空間分辨率和高效的在軌數據管理是高光譜衛星主要發展方向。