高光譜成像衛(wèi)星發(fā)展研究
發(fā)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(wèi)星發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)地物光譜采集、異常災害檢測和偽裝隱身目標識別，在農(nóng)林普查、環(huán)境保護、淺海及近海岸基探測、地質(zhì)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(wèi)星體系，國際上在2000年前后興起高光譜成像衛(wèi)星發(fā)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(fā)射高光譜衛(wèi)星能力。隨著光電探測器、星載存儲及數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g發(fā)展，高光譜衛(wèi)星將為光學衛(wèi)星發(fā)展迎來新的發(fā)展機遇。為此，文中圍繞高光譜偵察衛(wèi)星技術體制、在軌現(xiàn)狀、典型工作模式和未來主要發(fā)展方向進行了綜述。
1 高光譜成像衛(wèi)星技術體制研究
根據(jù)分光方式不同，高光譜成像衛(wèi)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(diào)制、空間調(diào)制和時空聯(lián)合調(diào)制三種類型。時間調(diào)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(diào)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(lián)合調(diào)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(zhì)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|(zhì)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(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)傳輸復雜；棱鏡色散型載荷結(jié)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(zhì)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(yōu)勢。美歐等國早期就發(fā)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(wèi)星，2000年7月19日，美國發(fā)射強力星-II搭載FTH?SI高光譜載荷，實現(xiàn)首顆干涉體制高光譜衛(wèi)星在軌運行；同年10月22日，歐空局發(fā)射PROBA小衛(wèi)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(fā)射EO-1搭載Hy?perion高光譜載荷，實現(xiàn)首顆光柵色散體制高光譜衛(wèi)星在軌探測。對比不同體制高光譜載荷優(yōu)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?；诖耍?004年啟動的Tacsat-3戰(zhàn)術指揮高光譜偵察衛(wèi)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(wèi)星及載荷分光光路圖。
圖2 不同體制高光譜偵察衛(wèi)星及載荷分光光路圖
Tacsat-3于2009年5月18日成功發(fā)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(wèi)星領域，后續(xù)發(fā)射COIS、CRISM、M3等以及計劃發(fā)射的高光譜衛(wèi)星全部采用該技術體制。
2 國外高光譜偵察衛(wèi)星現(xiàn)狀
經(jīng)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(jiān)控領域能力被普遍認可。受限于探測器硬件規(guī)模、電子學處理及遙測能力，近15年內(nèi)高光譜衛(wèi)星發(fā)射基本處于停滯狀態(tài)，嚴重阻礙了高光譜偵察衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星迎來第二輪發(fā)展熱潮，發(fā)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(fā)射高光譜衛(wèi)星信息。
圖3 典型退役、在軌和計劃發(fā)射的部分高光譜成像衛(wèi)星
近3年內(nèi)共有7顆衛(wèi)星發(fā)射，未來5年內(nèi)還至少有十余顆發(fā)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(xiàn)役衛(wèi)星95%以上。2.1典型在軌高光譜成像衛(wèi)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(fā)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(tài)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(wèi)星示意圖。
圖4 DESIS高光譜成像衛(wèi)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(wèi)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(yōu)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(guī)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(fā)射Cartosat3光學衛(wèi)星，光學系統(tǒng)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(wèi)星是印度有史以來光學載荷集成度最高、功能最強大的衛(wèi)星。衛(wèi)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(yōu)于6m。圖5左圖所示為HySIS高光譜成像衛(wèi)星示意圖，右圖所示為Cartosat3光學衛(wèi)星示意圖。
圖5 HySIS（左）及Cartosat-3（右）高光譜成像衛(wèi)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(wèi)星發(fā)射升空，軌道高度641.8km，傾角97.87°，推掃幅寬30km。該衛(wèi)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(tǒng)采用離軸三反結(jié)構，光學系統(tǒng)直徑210mm，相對孔徑2.95，光學視場48.3mrad。高光譜載荷探測器規(guī)格1000元×256元，像元尺寸30μm×30μm。光譜分辨率優(yōu)于12nm，空間分辨率20~30m。VNIR譜段（400~1010nm）范圍內(nèi)共拍攝66個通道，SWIR譜段（920~2505nm）范圍內(nèi)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(guī)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(wèi)星示意圖及實物圖。
圖6 PRISMA高光譜成像衛(wèi)星
2019年12月6日，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）研制的HISUI高光譜系統(tǒng)搭載SpaceXDragon貨船前往國際空間站（ISS），主要用于制圖、區(qū)域觀測、災害監(jiān)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(jié)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(jié)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(tǒng)，入瞳直徑300mm，焦距660mm，瞬時視場48.5mrad。地物輻射信息經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸效率0.4Gbps，載荷日最大數(shù)據(jù)采集量690Gbyte。同時，HISUI是計劃2020年發(fā)射的ALOS-3高級陸地觀測衛(wèi)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(wèi)星載荷設計制造、數(shù)據(jù)處理傳輸、地面應用、平臺發(fā)射等體系化的高光譜成像衛(wèi)星自主研發(fā)體系。
近年來，高光譜成像衛(wèi)星發(fā)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(wèi)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(jiān)測，預計2020年發(fā)射，軌道高度預計643km，光譜范圍425~2450nm，譜段數(shù)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(tǒng)光路圖及其在軌運行概念圖
印度計劃在2020年發(fā)射GISAT1（GEOimag?ingsatellite）[17]衛(wèi)星，軌道高度35786km，在東經(jīng)93.5°位置，是第一顆地球同步軌道高光譜成像衛(wèi)星，分光技術體制與HySIS完全相同，可在400~2500nm范圍內(nèi)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(wèi)星設計圖。同時，該系列的GISAT2已經(jīng)列入研制計劃，預計2025年發(fā)射。
圖9 GISAT1同步軌道高光譜成像衛(wèi)星設計圖
法國計劃在2020年發(fā)射HYPXIM-P高光譜衛(wèi)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(wèi)星設計圖。
圖10 HYPXIM-P高光譜成像衛(wèi)星設計圖
其中可見及近紅外波段載荷光學系統(tǒng)口徑430mm，探測器規(guī)模2000元×360元，共210個光譜通道，光譜分辨率10nm，空間分辨率優(yōu)于8m；長波紅外波段載荷光學系統(tǒng)口徑60mm，探測器規(guī)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(fā)射HySpecIQ高光譜衛(wèi)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(jié)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(wèi)星典型工作模式分析
3.1 協(xié)同光學衛(wèi)星接力偵察高光譜成像衛(wèi)星借助損失每一個光譜通道的光照度，實現(xiàn)多譜段同時探測。為增加系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)感興趣目標或區(qū)域時，迅速將相關信息傳遞給稍后到達的EO-1衛(wèi)星，后者利用同一平臺兩種載荷協(xié)作，實現(xiàn)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(wèi)星和Landsat7衛(wèi)星載荷偵察區(qū)域示意圖如圖11所示。
圖11 高光譜偵察衛(wèi)星與光學衛(wèi)星協(xié)同工作
高光譜偵察衛(wèi)星最大的優(yōu)勢是高光譜分辨率探測。在高分辨率光學照相衛(wèi)星高速發(fā)展的今天，亞米級空間分辨率技術已經(jīng)全球普及。然而就現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(diào)用其他衛(wèi)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(tǒng)設計實現(xiàn)同視場、同幅寬、同側(cè)擺，數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)燃謫栴}。例如印度發(fā)射的Cartosat-3、意大利發(fā)射的PRISMA和日本即將發(fā)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。
4.1 衛(wèi)星組網(wǎng)全球覆蓋探測
星載高光譜偵察載荷質(zhì)量一般較小，通常在幾十公斤量級。近10年來，小衛(wèi)星發(fā)展迅速，組網(wǎng)探測技術已成熟，高光譜載荷搭載小衛(wèi)星已不是問題?，F(xiàn)以百公斤量級小衛(wèi)星星座為平臺探討高光譜組網(wǎng)探測能力。評估小衛(wèi)星星座對地球表面上一個特定位置或區(qū)域的覆蓋能力，最通用的覆蓋性能指標有覆蓋重數(shù)、時間覆蓋百分比等。根據(jù)仿真計算，在450~650km軌道高度范圍內(nèi)，基于18顆衛(wèi)星組網(wǎng)，采用三個軌道面工作模式，基本可實現(xiàn)全球不少于60%地區(qū)一重覆蓋探測；基于24顆衛(wèi)星組網(wǎng)，采用三個軌道面工作模式，可實現(xiàn)全球地區(qū)兩重覆蓋探測。圖12所示為24顆衛(wèi)星組網(wǎng)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(fā)射考慮陸地、海洋及大氣環(huán)境驟變及突發(fā)性事故、災害頻繁，針對有限時間內(nèi)、有限區(qū)域內(nèi)、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(yè)化設計，基本可滿足1~3天內(nèi)完成載荷需求滿足篩選、地面系統(tǒng)調(diào)試、與運載火箭裝配整合，3~5天內(nèi)完成運載火箭準備程序，根據(jù)發(fā)射場地及發(fā)射時機資源分配適時發(fā)射升空，一旦處于合適軌道高度，高光譜衛(wèi)星將在24h內(nèi)完成快速初始化。一個星期內(nèi)為用戶提供可用的指定區(qū)域光譜成像信息，持續(xù)時間至少一年的數(shù)據(jù)采集能力，基本能夠滿足用戶需求，因此應急發(fā)射高光譜衛(wèi)星將成為常態(tài)化。
遙感電子偵察領域，光學類成像衛(wèi)星較其他電子偵察衛(wèi)星最大優(yōu)勢是成果可視化。高速發(fā)展的光電探測器及圖像處理技術大力推進了光學衛(wèi)星分辨能力，美國KH-11系列衛(wèi)星早已突破0.1m分辨能力，商用衛(wèi)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(shù)據(jù)需求的迫切程度，基于調(diào)整軌道模型、提升光學系統(tǒng)及探測器性能規(guī)模等手段提供空間分辨能力，是目前發(fā)展的重點方向也是必然方向。圖13所示為應急發(fā)射模塊化高光譜衛(wèi)星流程圖。
圖13 應急發(fā)射模塊化高光譜衛(wèi)星流程圖
高光譜成像衛(wèi)星以“大數(shù)據(jù)”著稱，在0.4~2.5μm波段范圍內(nèi)，數(shù)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(xiàn)復雜背景環(huán)境下目標探測與識別，由于高維度數(shù)據(jù)信息過度冗余，導致原始數(shù)據(jù)信息量與傳輸帶寬及時機不成比例，在軌原始數(shù)據(jù)面臨突發(fā)性傳輸阻隔、瞬時采集數(shù)據(jù)堆積等淹沒風險。基于地面系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)依賴程度，通過維度裁剪、信息融合、數(shù)據(jù)無損壓縮等技術解決星載平臺在線數(shù)據(jù)處理，有限信道容量對數(shù)據(jù)實時/準實時傳輸是高光譜衛(wèi)星發(fā)展亟待解決問題。
5 結(jié)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(fā)射衛(wèi)星分析，得出以下結(jié)論：一是光柵分光體制將是未來一段時間內(nèi)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(wèi)星迎來新的發(fā)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(wèi)星提升任務性能的主要過渡手段；四是面對任務需求，衛(wèi)星平臺組網(wǎng)探測、模塊化載荷應急發(fā)射、高空間分辨率和高效的在軌數(shù)據(jù)管理是高光譜衛(wèi)星主要發(fā)展方向。
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