資源一號02D衛星高光譜相機系統指標論證及總體設計

梁德印 安萌 王嘯虎 朱海健

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(3 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083)

成像光譜儀是一種譜像合一的新型星載成像遙感儀器，可同時采集目標的幾何、輻射及光譜信息，形成圖像立方體，通過獲得地面像元的光譜特征曲線，實現地物的“指紋”識別[1]，具有特殊的識別能力，數目很多的光譜譜段的組合應用可以為不同需求用戶提供大量相應的遙感圖像產品，光譜數據在物質分類、目標識別和定量遙感方面價值的體現尤為突出，在大氣環境、農業、林業、流域調查和海岸地區分析、軍事偵查等領域展現出廣泛的應用前景。

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)搭載的高光譜相機基于改進型的凸面光柵Offner光譜儀結構，其主要任務是在衛星運行的軌道上獲取星下點附近地面像元分辨率優于30 m，幅寬優于60 km的高光譜圖像，光譜范圍400～2500 nm，光譜通道數166個，可見近紅外光譜分辨率10 nm，短波紅外光譜分辨率20 nm，兼顧了高空間分辨率、高光譜分辨率和高信噪比，綜合性能在國際上處于領先水平。

本文介紹了資源一號02D衛星高光譜相機系統指標的論證及總體研制經驗，提出了面向國土應用的高光譜相機系統指標論證方法和圖像質量保障措施，為后續光柵分光型光譜儀的總體研制提供參考。

1 高光譜相機應用需求分析

1.1 礦產資源勘查

高光譜遙感數據具有波段數目多、光譜分辨率高、波段連續等特點,在地表物質分類、識別等方面具有明顯的優勢[2]，在地質調查領域,特別是礦物識別和礦物填圖等方面，具有廣泛的需求。高光譜數據可用于對不同礦物元素的精細化探測和分類，定性或定量地反演礦物種類和含量，開展礦物填圖和找礦預測等研究。目前，常用的研究方法主要包括基于地物光譜的吸收特征、混合光譜分解和多元統計分析方法等。

高光譜遙感技術在地質上的應用具有2個特殊優勢：①通過礦物填圖，可以快速、大面積地提取蝕變礦物；②圖譜合一，既可以通過譜識別礦物，特別是蝕變礦物，又可以通過圖，直觀蝕變礦物的位置、規模、形態、控制要素和分布規律等[3]。

1.2 農林遙感應用

航天高光譜相機能夠獲取地物準確的精細光譜曲線，便于提取出葉面積指數、生物量、葉綠素含量等農林作物的生理生化屬性，在精確監測農作物的類別、種植面積、產量估計和作物分類等方面有廣泛的應用，為精細農、林業管理提供強大的數據技術支持。

農業遙感監測需要高光譜分辨率的數據來支持農業遙感監測，如農業生態參數的定量反演、作物及雜草種類的識別需要光譜分辨率優于10～30 nm，而草原物種變化等草原生態結構變化監測則主要依賴具有高光譜分辨率的高光譜數據，病蟲害、地表元素含量探測需要譜段更為細膩的高光譜載荷[4]。

森林樹種分類與識別、森林生態物理參數反演與提取、林木養分元素監測與診斷、森林郁閉度信息提取等方面的應用中，使用高光譜數據可獲取更加精確的、定量化的結果，從而為森林管理決策、植被生產力模擬、森林更新和演替模擬以及生態學和生物學過程制圖提供重要信息[5]。

1.3 水體監測

水體光學特性復雜，且隨區域和季節變化大。波段較寬的多光譜遙感很難探測到水體組分的光譜信息，因此具有很大的局限性[6]。高光譜遙感以其光譜分辨率高、波段連續性強、可以獲得多光譜傳感器無法獲得的精細的光譜信息，可以建立光譜特征與水質指標濃度之間的關系[7]。利用高光譜遙感數據可以反演葉綠素、懸浮物、黃色物質、透明度、渾濁度等水色參數，可以對遠洋、近岸和內陸水體的藻類組成進行分析，監測藍藻水華，探測海冰及海岸帶等，豐富的譜段信息可以大幅提高水質參數的反演精度。

高光譜數據還可以對海上溢油進行檢測，分析相關區域的高光譜遙感影像，可以將疑似發生溢油的區域與正常的海面的光譜曲線進行對比，分析得到差異，從而得到發生溢油的程度及影響范圍，有助于人們對大規模的海上污染檢測和調查，可使有關部門對海洋上不同的災難在有效的時間內快速做出決策。

1.4 災害監測

在火災預防方面，高光譜數據可通過光譜混合物分析法(SMA)反演可燃物類型及覆蓋情況，根據高吸水性光譜區域的光譜特征推導出植被含水量等參數，這些信息對于火災的預防和撲救有很大的參考價值。高光譜數據也可應用在火山噴發規律分析、火山分類、火山監測等方面，以及對有害氣體如SO2含量監測等方面，還可以用于災后對植被退化、災害恢復等方面進行監測。

2 高光譜相機系統指標論證

資源一號02D衛星的工程目標包括開展土地利用動態監測、基礎地質調查、成礦帶礦產資源調查、資源開發現狀監測、地質災害調查與監測、生態地質環境調查、境外礦產資源調查等，兼顧林業、農業、水利等其他業務的需求。

其中高光譜相機的業務重點是為礦產資源勘探與監測提供數據，在礦物填圖(Mineral Mapping)方面，高光譜數據具有較大的優勢，它使遙感地質由識別巖性發展到識別單礦物以至礦物的化學成分及晶體結構，在礦物種類識別、礦物豐度識別、礦物化學成分反演與地質成因信息分析方面得到了越來越廣泛的應用。

2.1 星載高光譜相機發展現狀

2.1.1 國外發展情況

20世紀70年代，美國提出了高光譜遙感的概念，并在1983年成功研制了首個航空成像光譜儀AIS-1[8]。此后，美國、加拿大、歐洲、日本及印度等國家和地區在高光譜遙感領域開展了大量研究工作，研制了涵蓋不同光譜波段、具有不同空間分辨率的機載和星載高光譜遙感載荷。自第1臺星載中分辨率成像光譜儀(MODIS)于1999年12月8日發射以來，星載高光譜得到了快速發展，國外典型的高光譜衛星包括了地球觀測-1(EO-1)衛星、“星上自主項目”(PROBA)衛星、“碳”衛星等。

部分典型星載高光譜載荷見表1。

表1 典型星載高光譜相機Table 1 Typical spaceborne hyperspectral camera

可以看到，30 m空間分辨率、10～20 nm光譜分辨率、30 km幅寬是目前國際上的主流研制方向，后續研制的光譜儀當中，空間分辨率指標不斷優化。

2.1.2 國內發展情況

1)HJ-1A超光譜相機

HJ-1A超光譜相機是我國于2008年9月發射升空的環境與災害監測小衛星(HJ-1A)上搭載的國內第一臺超光譜相機[9]，其光譜范圍為0.45～0.95 μm，光譜分辨率為5 nm，共有110～128個譜段，空間分辨率為100 m，幅寬為50 km，主要用于監測環境生態變化、自然災害發生和發展過程。

2)天宮一號高光譜相機

天宮一號高光譜相機是我國于2011年9月發射升空的天宮一號目標飛行器上搭載的高光譜相機，在軌運行四年半，是當時在空間分辨率和光譜分辨率綜合指標上最高的航天高光譜相機，其可見近紅外光譜范圍為0.4～1.0 μm，光譜分辨率為10 nm，譜段數64個，空間分辨率為10 m；短波紅外1.0～2.5 μm，光譜分辨率為20 nm，譜段數64個，空間分辨率為20 m。在國土資源、海洋檢測、林業遙感、城市環境監測、水文生態監測等方面開展應用研究工作。

3)高分五號可見短波紅外高光譜相機

可見短波紅外高光譜相機是我國于2018年5月發射升空的高分五號上搭載的高光譜相機，在0.4～2.5 μm的光譜范圍內細分了330個譜段，0.4～1.0 μm范圍內的光譜分辨率為5 nm；1.0～2.5 μm范圍內的光譜分辨率為10 nm，空間分辨率為30 m，幅寬為60 km，其與Hyperion相比，信噪比更高，幅寬更寬，譜段數更多。

2.2 高光譜相機總體設計

2.2.1 分光方式的選擇

高光譜傳感器實現光譜分光的方式主要有棱鏡分光、光柵分光和干涉分光。

1)棱鏡分光特點

(1)光譜非線性，對于相同的角色散寬度，折射率變化呈非線性，這會導致光譜采樣間隔不一致，從而使儀器的輻射靈敏度受到影響。

(2)直狹縫圖像會彎曲，這是由于在狹縫的末端準直光束入射角傾斜而引起的，彎曲與波長有關，呈非線性，光譜彎曲可達微米級。

(3)棱鏡色散只有單級光譜，不存在多幾次光譜混疊問題。

(4)經棱鏡色散后的光譜是連續性的，對整個光譜，光的通過量不變，能量相對普通光柵器件更高。

2)干涉型分光的光譜儀特點

(1)保留了所有波長的譜強度信息，直接測量得到干涉圖。

(2)干涉光譜儀光譜分辨率與波長有關，存在光譜的非線性。

(3)干涉型光譜儀星上定標相比色散型困難。

3)光柵分光光譜儀特點

(1)對整個光譜范圍可提供線性光譜色散，色散線性有利于定量化應用。

(2)存在高級次光譜重疊現象，需要采取高級次光譜抑制措施。

(3)全反射式結構比較容易實現焦面穩定性和輻射/光譜穩定性，適合于空間環境應用。

(4)直入射狹縫存在光譜彎曲，但采用Offner凸面光柵的“無像差”系統設計，使得圖像彎曲問題對于光柵分光來說已不再是顯著問題。

(5)光柵效率與波長有很大關系，絕對效率較低(典型的效率為30%～40%)。

(6)閃耀波長的選擇與探測器響應、太陽光譜輻照度匹配設計可獲得對特定地物較好的探測靈敏度。

光柵分光方式非常適合地物定量化遙感應用，光柵分光的光譜儀具有較強的環境適應性，性能穩定，因此光柵的分光的方式是星載高光譜相機的首選。

2.2.2 高光譜相機指標體系

高光譜相機是一種譜像合一的新型星載成像遙感儀器，和全色多光譜相機相比，有其獨特的指標體系。高光譜相機指標可分為光譜性能指標、輻射性能指標、幾何性能指標3類。其中輻射指標包括動態范圍、信噪比、輻射定標精度、調制傳遞函數(MTF)等；幾何指標包括空間分辨率、幅寬、定位精度、內部畸變等；光譜性能指標包括光譜范圍、光譜分辨率、橫向光譜偏差、光譜定標精度等。高光譜遙感器的成像幅寬決定了單次掃描獲取圖像的區域大小；空間分辨率則反映了獲取目標的精細程度；光譜分辨率反映了獲取目標光譜的精細程度；信噪比決定了高光譜圖像數據的質量；定標精度則是高光譜數據定量化應用的保證。

高光譜相機指標體系中比較特殊的是光譜類指標，對定量化應用有很大影響，其影響因素如圖1所示。

圖1 高光譜相機光譜質量Fig.1 Hyperspectral camera spectral quality

1)光譜范圍

光譜范圍與光學各零部件的反射和透射特性、光柵光譜儀的分光特性，以及探測器的響應特性有關。CCD探測器響應光譜范圍為380～1050 nm，SWIR探測器響應光譜范圍為1000～2550 nm；凸面光柵分光效率按395～1050 nm、1000～2510 nm分成可見近紅外波段(VNIR)和短波紅外波段(SWIR)兩個高效率凸面光柵，進行設計和定制；光學薄膜亦按上述光譜范圍進行反射增強和增透。對探測器規模、探測器像元尺寸等關鍵指標以及設計裕度要求進行分析，確保工作譜段的總色散寬度在探測器尺寸范圍以內并留有一定余量，以滿足光譜范圍的要求。綜合各部件，高光譜相機光譜響應設計在395～2510 nm光譜范圍，確保高光譜相機光譜范圍在400～2500 nm無間斷。

2)光譜分辨率

光譜分辨率是相機能分辨的最小波長間隔，反映了高光譜相機光譜分辨的本領，基于光柵光譜儀的高光譜相機其光譜分辨率主要由光柵的刻線密度、工作光譜級次、狹縫寬度、光譜儀的焦距、光譜儀的像質和探測器像元等決定。光柵的線色散本領由光柵方程推導出，假設l為不同波長譜線在焦面分開的距離，λ為波長，光柵的線色散本領定義:波長相差單位長度的兩條譜線在焦面上分開的距離為

式中：f為系統焦距；θ為衍射角；m為光譜級次；D為光柵常數。光譜采樣間隔越小，對應光譜分辨率越高，通過光譜維像元合并，可以實現不同的光譜分辨率。

在方案選取和設計中，充分優化了相機的光譜特性，通過采取改進型的凸面光柵Offner光譜儀，并進一步擴大光譜色散寬度，使得相機的光譜彎曲優于0.1個像元、光譜混疊小于5%。凸面光柵刻線密度直接影響光譜分辨率，光柵的面型精度和閃耀角加工精度，對光譜質量也有很大影響，需要嚴格保障光柵的加工精度。針對1∶1倍率的光譜儀，狹縫寬度與探測器像元尺寸一致，狹縫過窄會造成系統信噪比偏低，狹縫過寬會造成光譜分辨率不達標，因此，對狹縫加工的工藝過程應加強控制。

3)橫向光譜偏差

橫向光譜偏差又稱為光譜彎曲，是指通過線視場的光信號經過分光成像后，在探測器同一光譜維上波長的偏離程度，反映了相機不同視場對應光譜波長的一致性，主要由分光方式、光學加工和光學裝校的工藝決定。

橫向光譜偏差由光譜儀自身光譜彎曲(smile)及探測器安裝誤差造成，光譜彎曲源于未經準直的光路里中心視場與邊緣視場主光學對色散元件入射角的不同。由于凸面閃耀光柵光譜儀基于完善成像結構Offner系統，Offner同心結構的光譜儀可以平衡入射角的差異，具有很小的光譜畸變(keystone)和光譜彎曲，對于狹縫長度比較大的光譜儀(資源一號02D衛星狹縫長度60 mm，超出當前國際先進水平一倍)，即便采用Offner系統，邊緣視場也會存在比較大的光譜畸變，需采取特殊措施。VNIR光譜儀和SWIR光譜儀分別增加一塊校正透鏡，通過校正透鏡的像差與Offner系統的光譜彎曲和像差平衡，能夠將光譜儀自身的光譜彎曲控制在1/20像元以內。探測器芯片與狹縫之間的安裝平行度是決定橫向光譜彎曲的另一個重要因素，通過高精度數字化無應力裝調及實驗室光譜定標技術，可將該指標控制在1/20像元內，通過以上控制措施，并且配合地面系統進行光譜彎曲糾正處理，橫向光譜偏差可以控制在1 nm之內。

4)光譜定標精度

光譜定標精度反映光譜定標的設備、方法及算法造成光譜標定的誤差大小。實驗室光譜定標精度由用于光譜定標的光源穩定性、光源平坦度、單色儀單色光純度、單色儀位置及姿態誤差、定標裝置誤差、相機穩定性、相機雜光、相機工作溫度等因素決定。

其中光源穩定性、平坦度一般由定標使用的鹵素燈參數給出，光譜定標采用鹵素燈光源，其光譜平坦度較好，本身可以提供穩定的光譜輸出，其穩定度和平坦度可由測試給出；單色儀單色光純度由光譜定標時所使用的光柵參數、入射狹縫寬度、出射狹縫寬度決定，系統穩定性和相機溫度引入的誤差由相機實測給出；光學雜光有專用測試設備獲取，某一視場的雜光是在足夠大均勻面光源照明下，相機無視場遮攔和有效視場遮攔輸出信號的差值，與有效視場遮攔輸出信號的比；其他因素為儀器的自身精度。

據研究表明，各種巖礦在短波紅外波段具有多個特征吸收峰[10]，從400～1000 nm的可見近紅外波段到1000～2500 nm的短波紅外波段，基本覆蓋了植被、水體、礦物、巖石等信息，可滿足各項業務需求。

目前國際主流的光譜儀采用空間分辨率30 m，可滿足礦產資源調查精細化應用的空間分辨率需求。幅寬方面，基于改進型Offner光譜儀，克服了大狹縫長度下光譜畸變較大的問題，幅寬比國際主流光譜儀的指標大了一倍，達到60 km，該幅寬可大大提高遙感找礦的效率。同時為了提高光譜反演的精度，高光譜相機在保證光譜分辨率10 nm/20 nm的基礎上，采用了合并像元的方式，使信噪比在400～900 nm范圍內大于240，在900～1750 nm范圍內大于180，在750～2500 nm范圍內大于120，與同類載荷比，信噪比有大幅提升，圖像質量進一步提高。

綜合考慮應用需求、國內外發展水平以及繼承性等因素，高光譜相機各系統指標確定如表2所示。

表2 高光譜相機指標體系Table 2 Hyperspectral camera index system

3 高光譜圖像質量保障

高光譜相機光學子系統由主光學系統、視場分離器、VINR光譜儀和SWIR光譜儀4部分組成，如圖2所示。來自目標的可見光及短波紅外輻射信號經過離軸三反光學系統及視場分離器分別匯聚到可見近紅外光譜儀和短波紅外光譜儀的狹縫，經過1∶1的Offner系統分光成像于探測器。

圖2 高光譜相機光路圖Fig.2 Hyperspectral camera optical path diagram

高光譜相機因為譜段細分，很多問題都會放大，比如探測器的不均勻性、空間力熱環境變化、Etalon現象等，給圖像處理和應用帶來很大的困難。對于這些問題，在研制過程中采取了大量措施，以保證在軌圖像質量達到要求，包括Etalon效應專項復核測試、力熱變形分析、設計高光譜偏航定標流程等。

3.1 Etalon效應專項測試

Etalon效應是由于探測器接收的光信號在光敏區的兩個分界面上來回反射產生明暗相間的干涉條紋。高光譜相機由于入射光的波段范圍很窄，相干性較好，Etalon效應難以避免，嚴重時可能會造成25%甚至更大的響應非均勻性，對圖像的后續處理造成較大的困難。Etalon效應波紋與探測器的溫度、入射光波長、入射角、耗盡層厚度均勻性均有關系，控制難度較大。

資源一號02D衛星針對此問題進行了專門的設計與復核。根據用戶需求，為改善Etalon效應、提高信噪比，資源一號02D衛星高光譜相機進行了譜段合并，相機Etalon效應的調制度從譜段合并前的23%左右，降低到5%以內；Etalon效應、探測器暗電平對溫度敏感，高光譜提高了相機溫控精度，有助于提高圖像質量，提高地面處理效率；在此基礎上，安排了高光譜相機Etalon專項測試，以評估Etalon效應的影響，以及獲取輻射校正(含Etalon效應)的實驗室數據。

通過測試結果可知，通過譜段合并，高光譜相機圖像Etalon效應已經非常弱化，由Etalon效應產生的信號調制度在可見近紅外波段中小于3%，在短波紅外波段中小于5%，遠遠小于傳感器非均勻性造成的響應差異，可通過地面處理進行校正。

3.2 載荷平臺一體化力熱變形分析

高光譜相機安裝在載荷艙頂部，為滿足星下點無控定位精度優于100 m(Circle Error 90%，CE90)的指標要求，對結構熱變形引起的相機光軸指向誤差進行了分析。將整星各個工況的溫度場分布數據，映射到熱變形分析模型中，作為熱變形分析的載荷開展熱變形分析工作，計算相機安裝點相對位移，將計算結果作為輸入，進而分析對高光譜相機光軸指向的影響，如圖3所示。

根據在軌熱分析結果及高光譜相機在軌工作狀態，在高溫工況和低溫工況各選取4種工作狀態進行結構熱變形分析。通過有限元分析，計算出相機安裝點相對位移，根據相機安裝腳位置和相應的位移情況，用最小二乘法擬合一個平面作為理想安裝面，計算每個安裝點相對于理想安裝面的最大位移，將計算結果作為相機進行光軸指向分析的輸入。

根據相機在軌的安裝工作狀態，對相應安裝點加載強制位移，進行有限元分析，觀察計算光軸的偏轉角度。

圖3 相機熱變形分析結果Fig.3 Camera thermal deformation analysis result

經分析，因為結構熱變形引起的光軸變化小于9″(1σ)，滿足定位誤差分配的要求。在軌實測平均定位精度58.05 m(CE90)，滿足100 m(CE90)的指標要求。

3.3 偏航定標流程設計

高光譜相機的定標是高光譜遙感定量化分析的重要環節，輻射定標的精度直接決定了遙感器獲得數據的使用價值[11]，為提高高光譜數據的定量化應用水平，資源一號02D衛星設計了高光譜相機的偏航定標模式。

資源一號02D衛星高光譜相機具有60 km大幅寬，并且具有短波紅外譜段，探測器規模大，像元間響應的非均勻性問題突出。偏航定標主要用于高光譜相機的相對輻射定標，通過衛星平臺90°偏航機動，使探測線列方向與成像方向平行，如圖4所示。

圖4 偏航定標方法原理Fig.4 Side-slither calibration method

一般符合條件的定標場地大小有限，很難覆蓋整個相機視場的所有像元，理論上偏航定標時由于探測線列上的所有像元都對相同的地面區域成像，任何地物都可以用來當作定標地物。盡管考慮其它因素的影響使得定標地物的選取不可能是完全隨意，但相比起傳統的使用地面定標場的方法偏航定標方法對定標場地的要求明顯降低[12]。

為保證偏航定標能夠安全、有效的進行，資源一號02D衛星設計了詳細的高光譜相機偏航定標操作流程，形成相應的在軌使用策略。偏航定標流程如圖5所示。

圖5 高光譜相機偏航定標時序圖Fig.5 Hyperspectral camera side-slither calibration sequence chart

90°偏航保證了各個探元能夠對同一地物進行成像,為輻射定標提供了高精度輻射基準，為衛星傳感器在軌高頻次定標提供支持[13]，尤其適合對定量化要求較高的載荷。經過在軌測試，偏航定標取得了良好效果，相對定標精度可達到1%，如圖6所示。

圖6 在軌偏航數據Fig.6 In-orbit side-slither data

3.4 高光譜相機防污吹氮保護

高光譜相機具有狹縫結構，狹縫寬度微米級，極易受到灰塵的污染，一旦被污染將嚴重影響圖像質量。高光譜相機在整個研制過程中，采取了多項措施進行防污染控制。首先在光機主體上設計了專門的防污吹氮管路。在整個總裝、集成與測試(AIT)期間和發射場測試期間，建立了嚴格的值班制度監測衛星周圍環境變化，提供了安全可靠的高純氮氣保障，制定了詳細的防污吹氮流程，一旦環境潔凈度不滿足要求，立刻進行防污吹氮操作，確保狹縫結構不受污染。

目前高光譜相機已完成所有的在軌測試項目，功能、性能優異，各項指標均滿足要求，各行業取得了良好的應用效果，見圖7。

圖7 高光譜相機圖像Fig.7 Hyperspectral camera image

4 結束語

資源一號02D衛星高光譜相機兼顧了高空間分辨率、高光譜分辨率、大幅寬、高信噪比等，其綜合性能處于世界領先水平；圖像數據包含豐富的空間信息和譜段信息，具有巨大的應用潛力；將有力地推進中國星載遙感數據的定量化遙感水平。目前復雜混合地物的光譜解混是一個難點，后續高光譜遙感要求越來越高的空間分辨率，然而高空間分辨率、高光譜分辨率情況下信號較弱，很難獲得較高的信噪比。此外，對于大范圍內的定量化反演，如湖泊水體成分反演，需要有同時相的高光譜數據，對大面積區域盡量一次覆蓋，要求相機有大幅寬。因此，未來高光譜領域的發展，需要在大口徑光學系統加工、高靈敏度低噪聲探測器研制、光柵等核心器件加工制造等方面獲得突破；還需要基于應用需求的深化研究，通過指標體系論證，使空間分辨率、光譜分辨率、信噪比、幅寬等互相制約的指標達到對任務滿足程度的最優化設計。