資源一號02D衛星可見短波紅外高光譜相機研制

劉銀年 孫德新 韓波 朱海健 劉書鋒 原娟

(1 中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，上海 200083)(2 中國科學院上海技術物理研究所啟東光電遙感中心，江蘇啟東 226200)(3 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

我國擁有豐富的自然資源，同時也面臨著資源利用不合理和自然環境遭受破壞和退化的困境，及時掌握國土資源、地質礦產、生態環境、城市發展等的演化趨勢，是做出合理決策、科學布局及可持續發展的基礎。在需求驅動下，資源勘查活動對地觀測采用先進的成像高光譜技術是必然趨勢。

高光譜遙感技術是充分獲取地物信息的革命性先進遙感技術，高光譜技術獲取的地物觀測數據可應用于精細化的地物分類。利用成像高光譜技術對地觀測可同時獲取地物目標的幾何、輻射和光譜信息，是地物遙感與目標探測的新興技術，也是資源普查勘察的利器。在生態環境監測、國土資源調查、災害監測、農林漁牧、海洋監測等領域發揮著越來越重大的作用[1-6]。隨著對地觀測應用需求的提高，從光譜范圍、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對成像高光譜遙感技術提出更高的要求。

2019年9月12日我國成功發射的資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)，其上搭載了中國科學院上海技術物理研究所研制的可見短波紅外高光譜相機(Advanced Hyperspectral Imager，AHSI)，是繼高分5號(GF-5)衛星[7]之后，我國又一臺先進的民用業務化高光譜相機。本文著重介紹了資源一號02D衛星可見短波紅外高光譜相機的工作原理、主要結構、主要的技術革新，并給出了相機性能實測指標以及在軌圖像數據，在軌實測結果表明，相機達到了預期的設計目標。

1 星載高光譜相的基本原理及國內外現狀

成像高光譜技術按照分光方式大致可分為3類：干涉成像光譜技術、色散成像光譜技術、衍射成像光譜技術。國際上在研或在軌的星載高光譜相機采用的分光方式基本為傅里葉、棱鏡或傳統的平面光柵，資源可見短波紅外高光譜相機采用了與GF-5衛星可見短波紅外光譜儀相同的新型Offner結構凸面光柵的分光技術。表1列出了當前在軌/在研星載高光譜遙感器的主要技術指標，可以看出，AHSI相機的幅寬、波段數等性能指標處于國際先進水平[7-13]。

表1 在軌/在研星載高光譜遙感器參數Table 1 Parameters of on-orbit/in-research spaceborne hyperspectral remote sensing instruments

2 AHSI高光譜相機構成及工作原理

資源一號02D衛星可見短波紅外高光譜相機載荷實物如圖1所示，相機采用模塊化設計，主要由相機主體、信息控制器、制冷機控制器和扼流器4個單機組成。其中相機主體由遮光罩、主光學望遠鏡、光譜儀和面陣探測器組件、探測器驅動與信號獲取電子學部件、大氣校正輻射計等組成。相機主體實現對地觀測，獲取地物高光譜圖像信息，信息控制器實現與整星的電氣接口及對整個相機的測控，制冷機控制器則實現對短波紅外探測器制冷機的驅動控制，扼流器主要用于抑制制冷機母線電流的波動以減弱其對整星母線的擾動。

AHSI高光譜相機裝載在運行高度為778 km的太陽同步軌道衛星上，衛星在側擺情況下重訪周期3天。相機隨著衛星沿軌飛行，相機多狹縫瞬時視場幾何位置關系如圖2所示(其中灰色框代表瞬時視場，藍色、紅色線分別代表穿軌、沿軌的瞬時視場角)。AHSI高光譜相機主望遠鏡采用離軸三反成像，視場分離器將可見、近紅外和短波紅外波段分離開，通過狹縫視場后，采用新型凸面光柵的雙光譜儀進行精細分光，地物目標圖像的光譜信號分別匯聚到CCD面陣探測器和短波紅外HgCdTe焦平面探測器焦面上(帶制冷機)，實現高光譜成像。

圖1 資源一號02D衛星可見短波紅外高光譜相機載荷Fig.1 Visible and short-wave infrared hyperspectral imager (AHSI) onboard ZY-1-02D satellite

圖2 AHSI高光譜相機安裝指向示意Fig.2 Diagram of installation direction of AHSI

在衛星穿軌方向，地物目標星下點圖像的光譜信號，經凸面光柵分光后，按照不同波長散射成像于光譜儀的面陣探測器上，探測器一維為光譜維，另一維為空間維(穿軌方向)。光譜與空間對應關系面陣示意圖如圖3所示。其中可見近紅外(VNIR)波段是一個完整的長條帶，對應星下點沿飛行方向0°的位置；短波紅外(SWIR)由4個30 m×15 km的條帶組成，4個條帶按“品”字形前后左右錯開，兩個條帶對應星下點沿飛行方向1.0°的位置，另外兩個條帶對應星下點沿飛行方向1.4°的位置。隨著衛星的飛行，形成60 km幅寬的連續成像條帶，獲得2000個像元，每個像元30 m空間分辨率和400～2500 nm共166個譜段的高光譜圖像。

圖3 資源一號02D衛星AHSI相機光譜與空間對應關系Fig.3 Relationship between spectrum and space of AHSI onboard ZY-1-02D satellite

AHSI相機采用了新型Offner凸面光柵作為分光部件，運用了單、雙狹縫結合的視場分割技術，將地物信息細分為166個光譜通道，成像于高靈敏CCD面陣探測器和HgCdTe焦平面探測器上，相機橫向光譜偏差優于1 nm，實驗室性能測試信噪比分別達到900以上(VNIR)和600以上(SWIR)，星上輻射和光譜自定標組件，光譜定標精度優于λ/10，絕對輻射定標精度優于5%。

AHSI相機與衛星數傳綜合處理器接口采用了高速串行傳輸技術(TLK2711)，數據傳輸速率可達2.0 Gbit/s；AHSI相機可以在一軌內連續觀測15 min，業務運行后每天最多可獲取100 min完整的166譜段高光譜遙感數據，共計覆蓋250萬平方千米，可以較好地滿足我國對地資源勘查觀測的需要。

3 AHSI高光譜相機分系統技術特點

可見短波紅外高光譜相機具有寬波段、大幅寬、高空間分辨率、高精度定量化等特點，系統復雜，技術難度大。相比較于GF-5可見短波紅外高光譜相機，為適應資源能源勘查的需求，對信噪比的指標提出了更高的要求，同時，在高精度大氣輻射校正場地定標和Eatlon效應消除等方面體現出了明顯的技術特色。

3.1 探測靈敏度的提升

3.1.1 離軸三反望遠鏡，大視場小F數望遠鏡技術

目前國際上在軌運行的高光譜空間離軸三反望遠鏡中，通常視場較小，F數比較大，如美國EO-1衛星上的Hyperion高光譜成像儀[5]，其幅寬為7.5 km，F數為12。AHSI相機的幅寬為60 km，比Hyperion增加了20倍，F數為2.83，比Hyperion提高了4倍，為了確保信噪比的滿足，在光學子系統的設計方面沿用了GF-5衛星高光譜相機的小F數成像系統設計，是當前在軌運行的同類載荷中最優的焦距口徑比(見表1)。

雖然小F數大幅提高了儀器的信噪比，但小F數導致主光學工作距變短，難以直接用一般視場分割的方法將VNIR和SWIR兩個譜段分離開。為此，AHSI相機采用了大相對孔徑視場分割放大技術，其光路如圖4所示，對兩個線視場的光路在像面前分別由反射鏡A和B1(或B2)進行2次轉折，可以在垂直狹縫方向視場相對較小的情況下，將兩條平行線視場在像面上成像位置的距離分離開來，把雙狹縫的間隔由虛線所示的d′(無視場分割放大器的距離)拉大到D=d′+2a(其中a為轉折鏡與分束鏡之間的水平距離，b為轉折鏡與分束鏡之間的垂直距離)，擴大到之前的3倍，有效克服了離軸三反望遠鏡一個維度視場窄小的不足，可有效實現多通道大視場大口徑成像，使得該望遠鏡成為目前國際上少有的實現穿軌和沿軌雙向大視場的離軸三反望遠鏡。

圖4 視場分離放大器光路圖Fig.4 Optical path diagram of field separator

AHSI相機將光信號分解成166個光譜通道，VNIR光譜儀、SWIR光譜儀在光譜方向均采用二元合一的方式，VNIR光譜儀76個通道總共使用了152行像元，SWIR光譜儀90個通道總共使用180行像元，即按照30m×60m的器件單元尺寸進行設計。與VNIR光譜儀相比，SWIR光譜儀的特點在于考慮到探測器拼接的需要，在同一臺光譜儀中對兩條平行的60 mm狹縫同時進行分光成像，在保證超低畸變下，實現了面視場超大像譜空間(同類儀器的6倍)光譜儀。

3.1.2 大規模、大動態范圍高探測靈敏度探測器及信噪比的提升

目前已公布資料的可用于航天高光譜成像的最先進的CMOS圖像傳感器是由e2v公司研制的一款背照式CMOS APS芯片，面陣大小為1024×256，峰值量子效率達到95%，滿阱容量可為100 ke-或300 ke-，幀頻可達250 幀/秒，其綜合性能指標已接近普通CCD的水平。然而，該CMOS器件在400 nm附近量子效率較低，而CMOS器件普遍較薄的耗盡層也導致其在近紅外波段量子效率比CCD要低。

為了滿足可見近紅外通道對探測器的高幀頻、大面陣、寬光譜響應范圍、低噪聲、大動態范圍的要求，針對高光譜成像系統的特點，本文提出背部減薄的背照式CCD方案，在不降低近紅外譜段量子效率的前提下，藍紫波段的量子效率較以往同類型探測器有成倍的提升，超過85%，在400 nm處和近紅外波段的量子效率有著明顯優勢，當CCD工作于像素合并(binning)模式時，滿阱電子數、等效像元尺寸及最大工作幀頻均還可以加倍，有利于收集更多的能量和提高系統的信噪比。而更大的面陣規模則使得在同樣的地面采樣間隔下能達到更大的觀測幅寬。

SWIR通道選用了自主研制的制冷型HgCdTe短波紅外焦平面探測器。采用4個硅基碲鎘汞512×512焦平面器件，通過“品字形”精密拼接，獲得2000×512規模的短波紅外焦平面探測器，經過金屬杜瓦封裝、與制冷機耦合，獲得探測器制冷組件(IDDCA, Integrated Detector Dewar Cooler Assembly)，如圖5所示。探測器組件響應波長范圍900～2550 nm，幀頻達到250 幀/秒。

圖5 高光譜相機中的硅基碲鎘汞2000×512短波紅外探測器組件Fig.5 SWIR HgCdTe/Si FPA IDDCA in hyperspectral imager

與通常應用于凝視成像(Stare Imager)的焦平面器件相比，高光譜相機的工作模式和性能要求有較大的區別。針對高光譜應用，研制了基于CTIA輸入級結構的高線性度、低噪聲CMOS讀出電路。同時，針對寬譜不同波長下信號能量差異顯著，首次提出并實現了短波紅外探測器芯片級按波長分段分檔的電荷累積技術(見圖6)，突破了大動態范圍和高信噪比難以兼顧的技術瓶頸(見圖7)；可以看出，在2000～2500 nm的短波紅外波段，信噪比提升近1.4倍。

為了達到更高的信噪比要求，對可見波段CCD采用4binning讀出方式，SWIR探測器采用了2倍像元合并處理的方式，最終提高了信噪比近1.4倍。

圖6 短波紅外探測器芯片級按波長分段分檔的電荷累積技術Fig.6 Charge accumulation technology at chip level of short-wave infrared detector sorted by wavelength

圖7 積分電容分區優化前后系統信噪比對比Fig.7 Signal-to-noise ratio comparison before and after partition optimization of integrated capacitance

3.2 高精度在軌定標技術

資源一號02D衛星高光譜相機在軌定標由場地定標和交叉定標組成。高光譜相機在軌運行期間，一年進行不少于兩次場地定標。交叉定標可根據天氣、交叉覆蓋時間、觀測條件等實際情況進行。標定時，相機上大氣校正輻射計定標裝置進行同步觀測。

場地定標是相機在軌定標的主要組成部分，由場地相對輻射定標及場地絕對定標(含輻射和光譜定標)組成。場地的相對輻射定標通過衛星偏航90°進行，選用定標場或非定標場的均勻地物，在同一個偏航周期內進行逐像元同步觀測。均勻地物需要覆蓋探測器動態范圍內高中低三點非均勻性校正的要求。場地絕對輻射定標與場地光譜定標同時進行，選用國內或國外的定標場進行相機定標，相機上定標裝置大氣校正輻射計進行同步觀測。

資源一號02D衛星高光譜相機上配備的大氣校正輻射計具有信噪比強、穩定性高的優勢，以穩定已知的太陽為參照，測量場地定標時刻的大氣特性參數，在原理上消除了自身衰減和變化對定標源標定精度的影響，擁有高精度定標和大氣反演功能。

為確保定標的精度，對反演算法進行了精度分析，以2019年10月17日大氣校正輻射計過境敦煌定標場的實測和模擬仿真數據為數據基礎，進行衛星氣溶膠光學厚度仿真精度分析。將660 nm，670 nm和870 nm三個通道的輻亮度產品帶入查找表中，線性內插得到550 nm對應的平均氣溶膠光學厚度為0.113，與敦煌定標場地面實測氣溶膠光學厚度0.115結果對比，絕對誤差僅為0.002，說明氣溶膠光學厚度反演的高精度和可靠性。

同時，以2019年10月17日大氣校正輻射計過境敦煌定標場的模擬仿真數據為基礎，進行了水汽含量仿真精度分析，通過935 nm和870 nm比值(大氣透過率)與水汽含量的關系可以通過統計回歸得到曲線關系，如圖8所示，回歸擬合系數R2可達到99.11%，根據公式計算出水汽含量為0.763 g/cm2，與敦煌定標場實測水汽含量0.758 g/cm2誤差不超過1%(絕對誤差)，說明水汽含量反演算法的高精度和可靠性。

圖8 通道比值(水汽透過率)與水汽含量的統計回歸曲線Fig.8 Statistical regression curve of channel ratio (water vapor transmission rate) and water vapor content

以上結果表明，大氣校正輻射計與高光譜相機擁有共同光軸，可實現成像路徑下氣溶膠光學厚度和水汽含量等大氣參數的高精度實時獲取，可有效提高在軌場地輻射定標的精度。

利用2020年3月4日和5月30日兩次敦煌定標場過境數據，對AHSI相機進行了在軌場地定標，衛星過境時，同時利用地物光譜儀進行了地表反射率的同步測量，將地物光譜儀獲取的反射率光譜曲線與AHSI相機獲取的反射率光譜曲線進行了比較，二者誤差在5%以內。

在軌場地絕對輻射定標精度分析表明，目前的場地輻射定標系數具有良好的可靠性和精度。后續工作將結合大氣校正輻射計實測數據，以及多場地、多次同步輻射定標試驗進一步驗證場地輻射定標的可靠性和精度。

3.3 Etalon效應的消除

為了提高量子效率，高光譜相機采用背部減薄的背照式CCD方案和Si基減薄型短波紅外探測器方案，然而，上述背部減薄的探測器應用于高光譜分辨率成像時，會產生干涉條紋(Etalon效應)[14-15]，當光譜分辨率超過5 nm時，Etalon效應引起的信號調制度將高達±25%，對系統的輻射、光譜定量化水平將產生極大地影響。項目研制過程中提出一種單層介質干涉理論模型，將多層介質干涉模型中除耗盡區以外其它介質層的影響統一歸納為一個精細度系數，可將模型簡化為入射介質、耗盡區、出射介質三級結構，實現了Etalon干涉效應的高精度表征，大幅提升了模型的實用性；定量仿真分析了入射角、介質厚度、精細度系數、光譜分辨率、像元合并、入射光的光譜特征以及CCD 的工作溫度等因素對干涉條紋的影響，揭示了干涉條紋在各影響因素下的變化規律。基于可見近紅外、短波紅外波段的Etalon效應提出了不同的干涉條紋消除方法，根據以上分析研究的結果，系統性的通過像元合并等方式，將Etalon效應影響降低到可接受的范圍之內，通過與圖像非均勻性校正處理算法的結合，解決了因Etalon效應對數據光譜和輻射帶來的影響。

4 相機在軌性能

資源一號02D衛星成功發射后，采用敦煌場地定標區域計算了AHSI相機的圖像信噪比，并反推到1個太陽常數、60°太陽高度角、50%地物反照率下的信噪比，如圖9所示；可以看出，由于資源一號02D衛星采用了波段合并的方式，顯著提升了單波段的信噪比，遠高于設計指標要求，有利于對各種資源礦物及油氣開展精度更高的勘查。

圖9 在軌信噪比測試結果Fig.9 Measurement results on-orbit

資源一號02D衛星AHST相機已經獲取了超過10萬景的地物高光譜影像數據，從中選擇部分數據進行三波段偽彩色合成，結果如圖10，11所示(紅：681 nm，綠：852 nm，藍：552 nm)，圖像清晰，細節豐富，信噪比高，系統達到了預期效果。

AHSI高光譜相機在軌對幅寬、光譜范圍、光譜分辨率、空間分辨率、信噪比、定標精度等相機性能進行了測試，結果如表2所示?？梢钥闯?，AHSI高光譜相機在軌各項性能指標均滿足相機研制技術要求且系統性能良好。

圖10 可見近紅外三波段(澳大利亞海邊)合成圖像VNIRFig.10 Three band composite image in VNIR bands of Australia sea

圖11 短波紅外三波段(天津港)合成圖像Fig.11 Three band composite image in SWIR bands of Tianjin port

表2 AHSI高光譜相機在軌測試結果Table 2 Summary of on-orbit performance

5 結束語

本文介紹了資源一號02D衛星的主載荷——可見光短波紅外高光譜相機(AHSI)的工作原理、技術指標、特點以及在軌測試結果。AHSI相機在軌穩定的運行狀態、優良性能及獲取的高質量高光譜圖像，進一步驗證了相機采取的大相對孔徑望遠鏡成像，低畸變大平場精細分光、大規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技術的有效性，通過場地定標的實測結果證明了大氣校正儀可實現對大氣參數的精確反演。資源一號02D衛星的在軌成功運行，將在生態環境監測、自然資源調查、油氣礦產勘察等方面發揮重要的作用。