資源一號02D衛星高光譜相機在軌性能及穩定性評估

劉銀年 孫德新 梁建 朱海健 劉書鋒 李勛

(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 南通智能感知研究院，江蘇南通 226000)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)可見短波紅外高光譜相機(AHSI)隨整星于2019年9月12日在太原衛星發射中心由長征四號丙運載火箭發射升空，并成功進入預定的778 km高度太陽同步軌道。該相機是國際上首臺兼顧寬覆蓋、寬譜段并具備高定量化水平的星載高光譜相機。它能夠以60 km幅寬、30 m空間分辨率在400～2500 nm寬光譜范圍內以10～20 nm光譜分辨率同時獲取166個光譜通道下地物的影像和光譜信息。

對遙感器的在軌測試工作是監測其在軌運行情況的主要手段，是評價其在軌性能的主要依據，也是遙感器圖像數據應用的前提和基礎[1-2]。美國陸地觀測衛星-1(EO-1)的高光譜相機(Hyperion)是過去十幾年來最經典的星載高光譜載荷，主要通過對其圖像的光譜特性、輻射特性、幾何特性和圖像質量的綜合分析來實現對遙感器的在軌測試和評價[3-6]。遙感器在軌運行的穩定性和高可靠性也是遙感器運行安全的重要保證[7]。因此，定期檢查相機在軌測試期間的遙測參數和在軌性能長期運行的穩定性具有重要意義。

本文首先介紹了資源一號02D衛星AHSI相機的主要工作模式，然后闡述了AHSI相機的在軌性能指標測試情況，從光譜特性、輻射特性和幾何特性來綜合評價其星地一體化指標。此外，對AHSI相機在軌運行一年多的成像穩定性進行了分析，并對其在軌性能和穩定性進行總結。

1 AHSI在軌主要工作模式

AHSI入軌后的前幾個月主要是進行了儀器的啟動和在軌性能的測控和調試工作。首先是相機工作和成像模式的測試，主要包括星下點推掃成像和在軌偏航定標。

1)星下點推掃成像模式

在光照區對用戶定制的特定區域進行星下點連續推掃成像，默認狀態為兩個波段同時工作，也可根據地面指令控制可見近紅外(VNIR)和短波紅外(SWIR)兩個波段分時工作。數據傳輸默認狀態為無損壓縮的數據。此外，166個通道可以按地面上注數據指令選擇任意指定通道下傳。

2)在軌定標模式

預設每兩個星期進行在軌光譜定標和輻射定標，在軌定標頻次可調整。定標期間默認狀態為兩個波段同時工作，也可以根據地面指令控制VNIR和SWIR兩個波段分時工作。

在經過制冷機和成像參數調優、暗電平校正、相對輻射校正、幾何校正及配準、在軌光譜定標和輻射定標并處理等工作的基礎上，實現對AHSI相機在軌主要性能指標的評價。

2 AHSI相機在軌主要性能指標評價

AHSI相機在軌主要性能指標的評價內容主要包括：光譜特性評價、輻射特性評價和幾何特性評價。結合AHSI相機載荷特點，在軌分別進行了測試和評價。

2.1 在軌光譜特性

高光譜相機的光譜特性主要通過光譜范圍、光譜分辨率、橫向光譜偏差和光譜定標精度4項指標來描述。

光譜范圍是相機獲取的光譜通道覆蓋的波長范圍，是第一個波段前光譜半峰值功率點的和最后一個波段后光譜半峰值功率點波長所覆蓋的范圍。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。在軌測試期間，通過判斷圖像首尾有效響應通道，參考實驗室光譜定標結果，計算對應通道光譜半峰值功率點的波長值，測得資源一號02D衛星AHSI相機光譜范圍為0.395～2.501 μm。

光譜分辨率是相機能分辨的最小波長間隔，反映了相機光譜分辨的能力，每個光譜通道光譜響應半峰值功率點對應波長的寬度。在軌測試期間，選取敦煌定標場圖像典型大氣吸收位置(O2吸收峰曲線，CO2吸收峰曲線或水汽吸收曲線)，基于實驗室光譜定標結果中的光譜分辨率，分別加入-4～+4 nm的模擬漂移量，通過光譜匹配法得到VNIR波段光譜分辨率約為8.75 nm，SWIR波段光譜分辨率約為16.27 nm。

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，在探測器光譜維上某行像元在不同視場其光譜波長的偏離程度，反映了相機在不同視場對應光譜波長的一致性。基于衛星過境場地替代光譜定標數據的橫向光譜偏差測試結果為，VNIR達到0.125 nm，SWIR達到0.025 nm，均滿足≤1 nm的指標要求。

光譜定標精度反映了光譜定標的設備、方法及算法造成光譜標定的誤差大小。相機在軌光譜定標主要基于大氣廓線獲得定標數據。光譜定標精度在軌測試選取敦煌定標場圖像，提取出滿足要求地物的光譜輻亮度后，從中選取O2、H2O和CO2的特征峰，通過尋峰處理計算得到峰值點的波長，將該波長與特征峰的理論波長值進行比較，求兩者的絕對偏差，結果表明VNIR偏差平均為0.6 nm，SWIR偏差平均為0.75 nm。

2.2 在軌輻射特性

高光譜相機輻射特性主要指儀器信噪比、相對輻射定標精度、絕對輻射定標精度和動態范圍。

采用敦煌定標場區域計算圖像信噪比，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(見圖1)。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1 AHSI相機在軌信噪比測試結果Fig.1 On-orbit SNR measurement results of AHSI

相對輻射定標用于消除由于探測器在空間上的響應不一致、在時間上的不穩定性、以及電路噪聲所引起的非均勻性輻射失真[8]。

1)平均行標準差法

該算法先計算相對輻射校正后圖像每列的平均值，得到一個平均行，然后計算該行數據的標準差，再除以整幅圖像的平均值，即為通過該圖像計算得到的相對定標精度。計算公式如下

(1)

2)平均標準差法

對相對輻射校正后圖像的各行計算其標準差，然后除以該行的平均值，得到各行的校正精度，取其平均值即為該圖像計算得到的相對定標精度。

(2)

(3)

3)廣義噪聲法

對相對輻射校正后的圖像，計算每列圖像均值和整幅圖像均值，并求兩者差值的絕對值平均值，然后求該值與整幅圖像均值的比值，該比值即為圖像的廣義噪聲。

(4)

對資源一號02D衛星AHSI相機獲取的對地成像影像進行分析，在敦煌定標場選取了8個區域進行評價，平均相對輻射校正精度平均行標準差法可見通道達到0.37%，短波通道達到0.82%；平均標準差法可見通道達到0.68%，短波通道達到1.38%；廣義噪聲法可見通道達到0.32%，短波通道達到0.65%，均優于3%的指標要求，如圖2所示。

圖2 敦煌定標場區域分布示意圖Fig.2 Regions of interest in Dunhuang calibration field

而絕對輻射定標指由于外界因素，數據獲取和傳輸系統產生的系統的、隨機的輻射失真進行的校正，消除或改正因輻射誤差而引起影像失真的過程。從星上絕對輻射定標過程中各環節的誤差分析來看，輻射定標精度均滿足7%的指標要求。

2.3 在軌幾何特性

高光譜相機幾何特性主要指圖像幅寬、星下點地面采樣距離、圖像波段配準精度、平面定位精度等[9]。通過對不同緯度不同地區的6景資源一號02D衛星AHSI相機影像數據進行分析，得出高光譜影像的平均幅寬為60.01 km，滿足指標要求。

星下點地面采樣距離是描述傳感器能區分兩相鄰目標地物之間的最小角度間隔或距離間隔，通常用地面采樣距離(Ground Sample Distance，GSD)來表示[10]。GSD是傳感器單個探元在原始圖像上對應的距離的大小。通過對10軌不同地區的資源一號02D衛星AHSI相機影像進行分析測試得出，高光譜影像的平均空間分辨率為29.913 m，滿足指標要求。

圖像波段間配準精度是對圖像的不同波段之間的定位、對齊或重合情況進行評價，以一級圖像任意一個波段為匹配參考波段，在參考波段上均勻選擇若干控制點，以每個控制點為種子點，在參考波段和待匹配波段上提取一定大小的匹配窗口；然后對兩個對應匹配窗口進行匹配，搜索控制點在待匹配波段的同名點，再根據同名點及其相鄰幾個點在圖像中的位置和相關系數，擬合二次曲面，二次曲面的極值點就是控制點在待匹配圖像上的精確配準位置。最后統計所有控制點的配準精度作為波段的配準精度。用以上方法統計5景在軌圖像，得到資源一號02D衛星高光譜圖像波段間配準精度最大誤差為0.247像元，平均誤差為0.219像元，滿足小于0.25像元的指標要求。

平面定位精度是指經過幾何校正后的圖像上地理位置和真實位置之間的差異。高光譜相機在無控制點和星下點成像條件下，10景影像平面定位精度(Circle Error 90%，CE90)誤差最大值為95.539 m，平均值為69.004 m，符合小于100 m的指標要求。

AHSI相機飛行產品對幅寬、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，如表1所示。可以看出，AHSI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。

表1 AHSI相機在軌測試結果Table 1 Summary of on-orbit performance characteristics

3 AHSI相機在軌穩定性分析

AHSI相機目前已在軌運行一年多，為評價相機在軌測試期間及交付后的性能在軌長期運行的穩定性，我們分析了2019年11月6日、2019年11月30日、2019年12月28日和2020年5月12日四軌暗電平數據，統計了所有像元沿軌方向上暗電平的平均值和標準差，結果如表2所示。從表2中可以看出，暗電平數據均值和標準差差別很小，表明相機在軌運行期間工作狀態穩定性良好。

表2 在軌暗電平統計Table 2 On-orbit dark current statistics

4 結束語

資源一號02D衛星可見短波紅外高光譜相機完成了所有在軌測試工作，波段范圍達到0.395～2.501 μm，166個光譜通道信號均正常有效，信噪比可見近紅外最高達到近700，短波紅外最高達到近600；相機在軌光譜橫向偏差優于1 nm，相機光譜定標精度優于0.1 nm，相對輻射定標精度可見通道優于0.5%，短波通道優于1%；模塊間幾何配準精度優于0.3個像元；平均絕對定位精度優于70 m；多次測試數據表明光譜輻射響應特性基本沒有變化。在軌測試結果表明，相機各項功能、性能指標均符合要求，入軌至今遙測數據和性能穩定，相機系統性能良好。