環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀設計與驗證

孫劍 陳小來 劉學斌 胡炳樑 李思遠 郝雄波 張宏建 王爽 張智南

(中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119)

我國環境減災衛星主要對生態環境和災害進行大范圍、全天候動態監測。環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀用于接替超期服役12年的環境減災一號A衛星超光譜成像儀，通過雙星同軌組網的方式，在全球目標區域內獲取高光譜影像數據，用于支持我國環境監測、防災減災等業務工作，同時為國土資源、水利、農業、林業、地震等多個領域提供衛星數據資源支撐和應用服務。作為環境減災二號A/B衛星上唯一可獲取高光譜數據的重要載荷，高光譜成像儀可以同時獲取可見光近紅外(VNIR，0.45～0.92 μm)譜段和短波紅外(SWIR，0.9～2.5 μm)譜段的光譜數據，相較于環境減災一號A衛星超光譜成像儀[1]增加了SWIR譜段，幅寬由50 km增大到96 km，空間分辨率提高到48 m，使得全國覆蓋時間為42天，提高了觀測效率。

本文主要介紹環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀的工作原理、系統組成及技術特點，并給出環境試驗和在軌成像數據。最終數據結果表明：高光譜成像儀設計所采用的關鍵技術解決了幅寬增大和空間分辨率提高帶來的系列問題。

1 高光譜成像儀國內外現狀及系統方案

1.1 國內外現狀

高光譜成像儀從20世紀70年代開始研究應用以來，國內外已研制成功多種技術原理的儀器設備，自2000年美國地球觀測-1(EO-1)衛星搭載的高光譜成像儀Hyperion成功應用以來，棱鏡色散、光柵色散、濾光片型、靜態干涉等不同技術體制的星載高光譜成像儀已成功在軌運行，幅寬覆蓋30～150 km，分辨率覆蓋30～100 m[2-8]，表1列出了目前國內外在軌及在研的幾個高光譜成像儀。國外近期發射的高光譜成像儀的空間分辨率多集中在30～60 m，幅寬最大為150 km(如表1中的高光譜紅外成像儀HyspIRI)，國內已研制成功的高光譜成像儀幅寬最大為100 km(如表1中SPARK01/02)，而環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀在目前國內在軌的星載高光譜成像儀中屬于大幅寬。

表1 在軌及在研的高光譜成像儀Table 1 Hyperspectral imagers on orbit/in research

1.2 系統方案

1.2.1 工作原理

環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀基于大孔徑靜態干涉光譜成像(LASIS)技術原理，利用衛星平臺推掃獲取包含2維空間信息和1維光譜信息的“數據立方體”。每次曝光獲得1幀包含2維空間信息的干涉圖像，同一視場的不同目標單元光程差不同，通過沿衛星飛行方向推掃，在飛行方向上(與干涉條紋垂直的方向)連續采集后，可獲得同一地物目標不同光程差的干涉信息，面陣探測器將帶有干涉信息的圖像光信號轉換成電信號，再經信號處理電路和數據壓縮電路后輸出至星上數傳分系統，通過數傳(或中繼)分系統傳到地面，最后經地面反演后得到3維數據立方體[9]。高光譜成像儀成像技術原理如圖1所示。

圖1 高光譜成像儀成像技術原理Fig.1 Principle diagram of hyperspectral imager

1.2.2 系統組成

高光譜成像儀由VNIR和SWIR這2路光譜成像系統組成，單路光譜成像系統均包含干涉儀、傅氏鏡和定標系統，2路系統共用1套擺鏡系統，圖2為高光譜成像儀結構示意。

圖2 高光譜成像儀結構示意Fig.2 Structure schematic of hyperspectral imager

通過2塊指向鏡折轉光路將地面目標信息分別折轉到主系統中，擺鏡側擺±15°具有穿軌指向功能，可實現700 km指向范圍，96 km幅寬范圍內目標的重訪時間最小為4天。同時，擺鏡分別轉動±90°背面的定標反射鏡，可將VNIR定標光源和SWIR定標光源引入到VNIR和SWIR主光學系統中，實現星上定標功能。因此，高光譜成像儀包括星下點成像模式、側擺成像模式(擺鏡側擺±15°)和星上定標模式(擺鏡轉動±90°)3種工作模式。圖3為高光譜成像儀主體實物。

圖3 高光譜成像儀主體實物Fig.3 Photograph of hyperspectral imager

環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀具有寬譜段、大幅寬、高空間分辨率等特點，基于LASIS技術原理，幅寬增大和空間分辨率提高，必然會帶來偏流角偏差控制和高速圖像傳輸等問題，尤其是譜段拓寬到SWIR，更能凸顯出高光譜成像儀在擺鏡精度控制、Sagnac干涉儀研制及高質量圖像高速傳輸等方面具有的技術特點。

2 高光譜成像儀技術特點

2.1 偏流角偏差控制技術

2.1.1 偏流角偏差分析

基于LASIS技術原理，高光譜成像儀完成1次“立方體數據”建立，需要保證對同一地物目標連續采集過程中推掃方向在像空間投影與探測器光譜方向不存在夾角(偏流角)。否則，對應的地物目標發生橫向偏移，最終會影響輸出的光譜精度[10]。對于VNIR光譜通道數100，SWIR光譜通道數115，經仿真分析，若控制高光譜成像儀的偏流角小于6′，高光譜成像儀每推掃1行數據時，橫向偏移小于0.17%像元，光譜維全視場累計偏移小于0.45像元。依據真實數據仿真分析，對反演光譜的相對平均偏差影響小于3%，相對二次偏差小于0.4%，光譜角相似度優于0.999 9。通過地面數據處理時的姿態修正可以降低偏流角影響，因此偏流角可以忽略。

高光譜成像儀的偏流角與衛星平臺飛行產生的偏流角[11]、高光譜成像儀在衛星上的安裝角度精度和高光譜成像儀自身裝配精度有關，見式(1)。

(1)

式中：Δ為高光譜成像儀偏流角不確定度；衛星平臺姿態控制精度ΔS=3.6′；高光譜成像儀與衛星安裝角度精度ΔA=3′；ΔI為高光譜成像儀自身的裝配精度。

因此，控制高光譜成像儀裝配精度ΔI≤2.7′，可以確保高光譜成像儀偏流角不確定度Δ≤6′，滿足干涉光譜成像對偏流角的要求。

精確的光譜反演要求探測器光譜方向與干涉條紋嚴格垂直，后期無法通過調整探測器來補償，因此在研制過程中需要嚴格控制擺鏡和干涉儀誤差精度，以實現高光譜成像儀自身的裝配精度ΔI≤2.7′要求，具體包括指向鏡法線與轉軸軸線的夾角誤差小于1′(擺鏡側擺±15°范圍內)，干涉儀條紋與像正交性偏差小于1′。前者涉及2路光譜成像系統所共用的高精度擺鏡系統研制；后者涉及大幅寬帶來的大尺寸高精度Sagnac干涉儀研制。由于需要同時兼顧2路光譜成像系統實現大幅寬成像，因此環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀在偏流角偏差控制難度上進一步增大。

2.1.2 高精度擺鏡系統研制技術

一般，高光譜成像儀或成像相機前端會增加擺鏡系統，通過擺鏡的側擺同步指向功能縮短重訪時間，提高觀測時間分辨率，如環境減災一號A衛星超光譜成像儀(EDIS)、月基光學天文望遠鏡反射鏡系統、資源一號01衛星的紅外多光譜掃描儀(IRMSS)和美國索米國家極地軌道伙伴衛星的可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)均設計有擺鏡系統[12-13]。環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀的擺鏡系統研制，充分繼承了環境減災一號A衛星的超光譜成像儀，但是，由于增加了SWIR譜段的光譜通道，擺鏡系統中的指向鏡數量由1塊增加為3塊，相較于保證1塊指向鏡法線方向，同時保證2塊指向鏡法線方向的難度相對較大。因此，本文從擺鏡結構布局優化設計和運動機構精度控制2個方面展開論述。

1)擺鏡“輕巧型”結構

作為運動機構的負載，3塊反射鏡包括2塊指向鏡和1塊定標鏡，若負載質心偏離轉動軸的旋轉中心，擺鏡系統工作過程中會帶來額外的力。擺鏡系統可簡化為2點支撐的簡支梁，圖4為擺鏡系統的受力分析。其中：f1和f2為軸承位置承受的徑向力；q為簡支梁單位長度上的不平衡力；l為承受不平衡力矩的簡支梁長度。

若負載質心偏離轉軸中心距離(負載旋轉半徑)為R，負載質量為M，負載工作過程中的角速度為ω，則產生的不平衡力為

F=MRω2=ql

(2)

軸承位置承受的徑向力f1和f2為

(3)

由式(3)得出：若減小負載不平衡力對轉軸產生的彎矩，降低軸承的徑向受力，需要減小負載旋轉半徑R，即通過設計配重塊將負載質心配平到轉軸中心內。同樣，配重塊質量過大也會作為新的負載增加轉軸的受力。擺鏡的2塊指向鏡結構參數一體化設計，保證結構的對稱性；轉軸位置距離光軸Z方向(坐標系表示如圖2所示)偏移8 mm，減小指向鏡空間方向的尺寸；定標鏡45°傾斜設計，并且與2塊折軸鏡呈三角構型布局，光路簡單化，減少負載質量，降低配平的難度，最終在滿足功能需求的前提下質量減小20%以上。

圖4 擺鏡系統受力模型Fig.4 Force model of scanning mirror system

2)高精度運動機構研制

依據偏流角偏差分析結果，擺鏡系統要保證指向鏡法線與轉軸旋轉軸線的夾角誤差小于1′(±15°側擺范圍內)，作為基準，轉軸工作過程中需要保證晃動量最小。由于衛星空間資源有限，2塊指向鏡對稱分布，減小2塊反射鏡的間隔，可以降低高光譜成像儀主體Y向(坐標系表示如圖2所示)外包絡尺寸，最終轉軸由傳統的單軸變為左右軸雙軸結構。

軸承支撐位置跨度L為136 mm，箱體軸承位置支撐孔的同軸度為5 μm，雙軸和負載V型架的配合面最大直徑D為30 mm。若保證雙軸與負載裝配成為單軸后達到傳統單軸結構的同軸度要求，則零件單軸和負載V型架的配合面平面度與軸線的垂直度δ可由式(4)計算，最終結果為0.000 6 mm(0.6 μm)。

(4)

由于傳統單軸無法滿足3塊反射鏡的高精度指向功能，依據單軸的設計思路，針對零件超高精度的平面度和垂直度要求，利用螺釘固定和圓錐銷釘定位原理，將左右軸和負載組合成單軸，通過組合加工的方式保證轉軸在2個軸承位置的同軸度為2.9 μm(圖5為組合軸同軸度測量)，這樣既保證了轉軸在軸承內自由轉動，又降低了研制難度。

圖5 組合軸同軸度測量Fig.5 Coaxiality measurement of combined shaft

運動部件完成系統裝配后，利用轉軸上的反射鏡[14]，通過經緯儀實測控制轉軸軸系晃動量均方根為2.48″，且通過監測轉軸軸系反射像得到的軸線軌跡圖近似一個圓。擺鏡系統完成裝配后，擺鏡在±15°不同位置，2塊指向鏡與轉軸旋轉軸線夾角實測值最大變化量為2″，分系統測試探測器正交性最大變化量為18″。

2.1.3 大尺寸高精度Sagnac干涉儀研制技術

相對孔徑是影響高光譜成像探測靈敏度的重要因素，圖6為Sagnac干涉儀原理示意，相較于基線產品，在相同像元尺寸和相對口徑的前提下，傅氏鏡焦距增加1倍，視場變大，入瞳距離增大。環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀干涉儀分光面尺寸增大1.4倍，分光面膠合面積增大2倍，干涉儀質量增大2.3倍，因此保證干涉儀相同誤差精度和力學性能的難度增大。

圖6 Sagnac干涉儀原理示意Fig.6 Schematic of Sagnac interferometer

干涉儀棱鏡錯位量影響光程差，進而影響光譜分辨率，干涉儀反射面的方位和俯仰分別影響干涉條紋的調制度和正交性[15]。因此，在干涉儀研制過程中必須嚴格保證干涉儀棱鏡的錯位量，在干涉條紋與像正交性(1′)的前提下還要控制分光面膠層厚度和膠層均勻性，從而滿足干涉儀的無應力膠合。傳統方法通過計算干涉條紋的寬度，間接控制干涉儀棱鏡的錯位量[16]，干涉條紋與像的正交性通過十字絲來監測，而人工操作不可避免會帶入隨機誤差。為了提高檢測精度，將十字絲改為鉛垂線，提高基準建立精度。為降低人員操作引入的隨機誤差，設計專用微調機構，以保證高精度數字化控制棱鏡錯位量和角度誤差。圖7為Sagnac干涉儀膠合實物及干涉條紋測試圖。經測量，膠合后的干涉儀的干涉條紋與像的正交性偏差為20″，優于1′。

圖7 Sagnac干涉儀Fig.7 Sagnac interferometer

2.2 大面陣CCD探測器高速成像傳輸技術

幅寬增大、空間分辨率及幀頻提高，會帶來數據量增大。高光譜成像儀可見光探測器選用背照式幀轉移CCD器件，面陣大小為2048×256像元，幀頻達到1200幀/秒。為了降低幀轉移時間和提高數據讀出速率，采用32路并行輸出的方式，每路像元速率達到32兆像元/秒，這樣造成高速條件下獲取高質量圖像的難度增大。為此，可見光探測器采用高速信號完整性分析仿真計算方法，解決多分布點容性負載條件下信號的反射振鈴現象，實現高速容性負載驅動技術；對放大器輸出、信號跡線、連接器進行建模，完成阻抗匹配與損耗分析計算，反復迭代優化設計解決高速模擬視頻信號放大與傳輸問題；升級篩選業內最高性能與集成度的視頻信號處理芯片ADDI7004，實現高密度視頻信號處理問題，電路規?？s減為原有技術的1/4，大大減小了單機功耗、體積及質量。

3 高光譜成像儀環境試驗和在軌成像

3.1 環境試驗

3.1.1 環境力學試驗

高光譜成像儀研制過程中經歷環境力學試驗，考核其在隨機振動環境下正常工作的能力，以及暴露材料和工藝缺陷，并利用環境力學試驗前后測試高光譜成像儀調制傳遞函數(MTF)變化情況來表征，見表2。結果表明：高光譜成像儀力學性能滿足航天力學環境要求，也間接反映Sagnac干涉儀膠合面力學性能滿足環境力學要求。

表2 高光譜成像儀環境力學試驗前后MTFTable 2 MTF of hyperspectral imager before and after tests

3.1.2 熱真空成像試驗

高光譜成像儀研制過程中經歷熱真空成像試驗，考核真空熱平衡下系統的功能和熱控性能。檢測得出不同工況下的系統MTF大于0.24。圖8為星上定標燈復原光譜，可知：不同工況下特征峰的位置具有很高的一致性；VNIR譜段光譜位置最大偏差0.49 nm，SWIR譜段光譜位置最大偏差0.82 nm，滿足星上定標精度2 nm的指標要求。

圖8 星上定標燈復原光譜Fig.8 Recovered spectrum of calibration lamp on-board

3.2 在軌成像

自2020年9月發射成功后，環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀在軌運行穩定，成功獲取了VNIR及SWIR數據。圖9為VNIR和SWIR通道的光譜復原圖像立方體，以及不同地貌的光譜數據。數據表明：地物比例適中無變形，地表植被復原曲線正確。利用復原光譜與光譜輻射度計實測譜線之間的偏差，表征復原光譜曲線的準確程度。在VNIR與SWIR譜段，得到相對偏差在5%以下，符合光譜曲線準確度相對偏差要求，進一步證明雙軸結構的高精度運動機構及改進后的干涉儀研制技術，可以滿足譜線復原對偏流角的要求。

圖9 光譜復原圖像立方體及譜線Fig.9 Recovered spectrum image datacube and some spectra

4 結論

環境減災二號A/B衛星高光譜成像儀可以同時獲取從VNIR到SWIR譜段高光譜數據，針對由于幅寬增大、空間分辨率提高帶來的偏流角保證困難，以及數據量增大導致獲取高質量圖像的難度增大，采用以下改進措施。

(1)傳統的單軸結構無法滿足3塊指向鏡的高精度指向功能，采用左右軸雙軸結構組合加工和螺釘銷釘定位的設計方法，為緊湊型擺鏡的高精度運動機構設計提供一種新的方法。

(2)目前的Sagnac干涉儀研制技術，無法滿足干涉儀正交性要求，改進的干涉儀膠合基準提高了檢測精度，設計專用微調機構保證高精度數字化控制棱鏡錯位量和角度誤差，為基于干涉光譜原理的寬譜段光譜儀研制提供了技術經驗。

(3)高光譜成像儀成功在軌運行，圖像數據質量良好，間接證明大面陣CCD探測器高速成像傳輸技術的可行性。