2015北大定量遥感班课件-7.18上

北京空间机电研究所中国空间技术研究院静止轨道凝视成像与低轨红外多光谱成像技术进展马文坡北京空间机电研究所2015年7月北京空间机电研究所北京空间机电研究所主要内容概述静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术国外发展概况国内发展概况低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况国内发展概况结束语北京空间机电研究所3概述目前，卫星光学遥感主要利用低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）上的光学遥感卫星来实现。前者的轨道高度为数百公里，后者的轨道高度为35786公里，相差几十倍。北京空间机电研究所4概述LEO光学遥感卫星用于对地观测，由于轨道高度低、观测距离近，比GEO光学遥感卫星在空间分辨率方面具有优势，空间分辨率已达到0.1m。GEO光学遥感卫星用于对地观测，由于相对地物目标“静止”，比LEO光学遥感卫星在时间分辨率方面具有优势，区域观测的时间分辨率已达到几分钟；但由于轨道高度高、观测距离远，空间分辨率较低，目前为公里量级，主要用于气象观测等。北京空间机电研究所5概述气象安全农业灾害监测资源管理土地使用卫星光学遥感典型应用北京空间机电研究所6概述LEO光学成像遥感卫星的主要成像方式：光机扫描、推扫和凝视。光机扫描推扫凝视北京空间机电研究所7概述GEO光学成像遥感卫星的主要成像方式：扫描和凝视。卫星自旋+相机步进扫描成像相机二维扫描成像扫描条带示意图凝视成像北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：将凝视相机装在GEO卫星上进行对地成像，并借助于卫星姿态机动或相机上的机构改变相机观测视线，非常适合于快速响应、高重访、近实时对地观测任务，特别是在突发事件应急响应以及动目标跟踪与监视等方面具有显著优势，受到各国广泛关注。由于GEO凝视成像（特别是高空间分辨率凝视成像）面临诸多技术挑战，目前应用还很少。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：可对地球上某一区域的目标进行定点监视成像，即单景成像，观测区域为单景图像覆盖区域。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：可对地球上较大范围内的多个目标进行较高时间分辨率的机动巡查成像，监视多个目标的变化情况。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：可对动目标进行跟踪监视成像。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：对于突发事件，可实现快速任务响应，响应速度可达分钟量级。例如，可对地震、火灾、泥石流等自然灾害以及军事冲突等实现快速任务响应。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：借助于卫星姿态机动或相机上的机构改变相机观测视线，可实现多景拼接成像，扩大观测区域。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：可利用无云的间隙进行观测，提高观测效率。有关云覆盖的信息可通过GEO气象卫星获取。根据欧洲作的分析，GEO凝视成像每天可实现的地面覆盖约为LEO对地观测的2.5倍。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：数据可连续下传，并可近实时传输到卫星覆盖区域内任何地方，以支持近实时数据获取与应用。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：由于GEO轨道高度（35786km）为LEO卫星轨道高度（数百公里）的几十倍，因而，在GEO实现高空间分辨率成像需采用大口径长焦距光学系统，相机和卫星的体积大，研制和发射难度大、成本高。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：GEO轨道周期（24h）比LEO轨道周期（约1.5h）长，同时外热流变化剧烈，且存在午夜附近阳光进入相机的情况，因而相机热控和抑制杂光的难度大。实现高空间分辨率和长积分时间成像，不仅要求卫星的姿态稳定度高，还要求卫星和相机的微振动小。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道凝视成像特点：图像畸变随着观测视线偏离星下点角度的增大而增大。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：GEO高空间分辨率凝视成像面临诸多技术挑战，部分关键技术如下：大口径光学技术；大规模面阵探测器技术；视线稳定技术；高精度热控技术。北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：1）大口径光学技术大口径光学系统的设计（特别是力学和热学稳定性设计）难度很大。对于大口径反射镜，在镜坯材料制备与成型、光学加工与检测、镀膜以及光学装调与测试等方面有很多关键技术。大口径光学系统入轨后可能会因为应力释放和温度变化导致面形发生变化，需采取措施保证面形精度。光学系统主反射镜增大到一定程度会受到材料、加工和运载等限制，需要用空间可展开光学系统，难度也很大。GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：1）大口径光学技术口径1.5mSiC反射镜口径3.5mSiC反射镜GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术整体式反射镜北京空间机电研究所GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术折叠状态展开状态静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：1）大口径光学技术空间可展开光学系统北京空间机电研究所对于空间可展开光学系统，需要突破空间精密展开技术以及在轨自适应检测与校正技术。为了满足成像要求，展开机构必须具有足够高的展开精度、刚度以及稳定性和可靠性。展开后的稳定性和重复定位精度是保证光学系统成像质量的关键。需采用在轨成像质量自适应校正技术，校正主镜展开残余误差以及力学和温度环境变化导致的像差。GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：1）大口径光学技术北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：2）大规模面阵探测器技术对于GEO高分辨率对地凝视成像，为了满足高空间分辨率和一定的观测幅宽要求，需采用规模达10k10k乃至更大的面阵探测器。目前国际上唯一在轨运行的GEO凝视相机为韩国的GEO海洋水色成像仪（GOCI），其采用的面阵探测器规模仅为14321415。满足性能要求、具备抗辐照和抗饱和溢出能力，且规模大于10k10k的面阵探测器，研制难度很大。GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：2）大规模面阵探测器技术GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术14321415CMOS探测器10k10kCMOS探测器北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：3）视线稳定技术GEO对地凝视成像的优势之一是可以提供较长的积分时间，然而，要充分发挥这一优势，需要相机观测视线（LOS）保持稳定。空间分辨率越高、积分时间越长，对LOS稳定性要求越高；必须采取措施使LOS稳定性满足要求，才能保证成像质量。影响LOS稳定性的主要因素包括周期短于积分时间的高频扰动和周期较长的姿态漂移。前者主要由卫星和相机中活动部件产生的高频微振动引起，后者主要由太阳电池阵等的较低频振动引起。提高LOS稳定性的主要措施包括：通过设计或选择低扰振产品，降低微振动源的扰动；采取减振或隔振措施，对扰振源产生的微振动进行抑制或隔离；采取主动控制措施，降低扰振和姿态漂移的影响。GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术北京空间机电研究所静止轨道高空间分辨率凝视成像的关键技术：4）高精度热控技术GEO轨道周期（24h）比LEO轨道周期（约1.5h）长，同时外热流变化剧烈，且存在午夜附近太阳光进入相机的情况，因此，相机热控难度很大。除了传统的热控措施，可采用随动遮光罩或可展开遮光罩等满足热控要求。GEO高分辨率光学成像的技术路线及关键技术北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：目前，国际上唯一在轨运行的GEO凝视相机为韩国的GOCI（静止轨道海洋水色成像仪），国外其它GEO凝视观测项目仅开展了论证或原理样机研制，主要技术路线为：a)基于整体式望远镜的凝视成像。光学系统主镜为整体式，无需入轨后展开；b)基于可展开光学系统的凝视成像。光学系统主镜由一些较小尺寸的子反射镜组成，发射时折叠，入轨后展开；c)基于衍射光学的凝视成像。光学系统主镜采用衍射光学元件，发射时折叠，入轨后展开。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展基于整体式望远镜基于可展开光学系统基于衍射光学国外发展概况：北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：1）GOCI韩国的GOCI于2010年发射，其采用的面阵CMOS探测器的规模为14321415，像元尺寸为14.8m11.5m。相机入瞳直径为140mm，在韩国附近的平均地面像元分辨率为500m，利用指向镜实现44步进凝视成像，覆盖区域约为2500km2500km。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：1）GOCI谱段中心波长（nm）谱段宽度（nm）141220244320349020455520566020668010774520886540GOCI的谱段设置北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：1）GOCIGOCI的光路图GOCI的步进凝视成像北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：1）GOCIGOCI的构型图CMOS探测器北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：1）GOCIGOCI的滤光片轮北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：2）GEO-AfricaGEO-Africa用于非洲环境监测，通过卫星姿态机动实现步进凝视成像，成像幅宽约为300km300km。GEO-Africa相机口径为900mm，可见近红外谱段星下点地面像元分辨率为25m，短波红外谱段星下点地面像元分辨率为75m。该卫星每天可获取约90景图像，4-5天可覆盖整个非洲一次。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：2）GEO-Africa谱段中心波长（nm）谱段宽度（nm）1443402490203550204640205672206702207722208782209865401091040111600GEO-Africa的谱段设置北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：2）GEO-AfricaGEO-Africa通过卫星姿态机动成像北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：2）GEO-AfricaGEO-Africa相机光路图和构型图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-OculusGeo-Oculus用于满足快速响应、高重访、近实时和高空间分辨率这一类对地观测任务需求。Geo-Oculus相机口径为1500mm，工作谱段覆盖紫外、可见近红外、短波红外、中波红外和长波红外谱段。Geo-Oculus的主要任务目标为灾害监测（滑坡、洪水、风暴等）、火灾监测、海藻探测与监测以及水质监测。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-OculusGeo-Oculus的典型应用北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-Oculus谱段中心波长（nm）谱段宽度（nm）焦面UV131810UV-blueUV235010VNIR141210VNIR244310VNIR349010VNIR451010VNIR555510VNIR7655155PANVNIR662010Red-NIRVNIR8a66510VNIR8b66510VNIR96818VNIR1070910VNIR117538VNIR1277915VNIR13a86520VNIR13b86520VNIR1488510VNIR1590010VNIR16104040SWIR137550SWIR/MWIRMWIRa3700390MWIRb3700390TIR1a10850900TIRTIR1b10850900TIR2a120001000TIR2b120001000谱段星下点地面采样距离（m）星下点成像幅宽（km）PAN2110.5157157UV-blue4020300300Red-NIR4020300300SWIR/MWIR150150300300TIR375375300300Geo-Oculus相机的主要指标北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-OculusGeo-Oculus相机光学布局图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-OculusGeo-Oculus相机构型图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：3）Geo-OculusGeo-Oculus卫星构型图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：4）HRGEOHRGEO用于在静止轨道上进行对地静态和视频成像。相机口径约4.1m，星下点地面像元分辨率约为3m。HRGEO构型图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：5）Towards1-mfromGEO“Towards1-mfromGEO”项目采用光学合成孔径成像技术，用6个直径2m的反射镜通过孔径合成实现等效孔径7m。相机工作谱段包括可见近红外、中波红外和长波红外谱段。可见近红外谱段星下点地面像元分辨率为2m，中波红外和长波红外谱段星下点地面像元分辨率分别为20m和40m。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：5）Towards1-mfromGEOTowards1-mfromGEO构型图北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国外发展概况：6）GEO衍射成像美国提出采用衍射成像技术在GEO实现1m分辨率的设想，正在开展原理样机研制。衍射成像系统主要由聚焦系统和成像系统构成。前者为超大口径衍射透镜，用于实现光线汇聚，口径约为24m；后者主要对聚焦系统的像差进行校正并成像。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国内发展概况：从十五开始，国家支持开展GEO凝视相机技术研究。主要项目包括：地球静止轨道CCD成像仪；地球静止轨道50m分辨率凝视相机；高分四号卫星凝视相机；其它GEO凝视相机。上述项目均由北京空间机电研究所承担。北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国内发展概况：1）地球静止轨道CCD成像仪“地球静止轨道CCD成像仪”为十五背景预研项目，完成了工程样机研制，各项性能均满足要求。项目指标谱段范围0.45m0.9m（包括全色、多光谱）星下点地面像元分辨率200m探测器面阵CCD幅宽800km800km地球静止轨道CCD成像仪的主要指标北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国内发展概况：1）地球静止轨道CCD成像仪地球静止轨道CCD成像仪工程样机及外景图像北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国内发展概况：2）地球静止轨道50m分辨率凝视相机地球静止轨道50m分辨率凝视相机工程样机及外景图像北京空间机电研究所静止轨道凝视成像技术进展国内发展概况：4）其它GEO凝视相机除了上述地球静止轨道凝视相机项目，北京空间机电研究所还承担了其它GEO凝视相机研制，空间分辨率进一步提高，探测谱段覆盖可见近红外、中波红外和长波红外谱段。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展目标温度、发射率和光谱特征与其表面材料类型和状态存在密切关系，利用红外多光谱遥感技术获得这些参数，可获取有关目标及其状态的信息；红外多光谱遥感在地质、水文、土壤、火山、气候、植被和能量平衡研究等方面具有广泛应用；地球表面不同目标的尺度差异较大，研究中小尺度目标需要较高空间分辨率红外多光谱遥感数据。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：就低轨红外多光谱成像而言，国外空间分辨率较高（百米量级或更高）的红外多光谱成像仪主要包括美国Landsat-4/5卫星上的TM、Landsat-7卫星上的ETM+、Landsat-8（LDCM）卫星上的OLI和TIRS、EOS/AM卫星上的ASTER，以及Sentinel-2卫星上的MSI。此外，WorldView-3商业遥感卫星也增加了8个短波红外谱段。北京空间机电研究所58部分Landsat卫星的基本情况卫星名称发射时间轨道高度重复覆盖周期遥感器备注Landsat41982年7月16日705km16天MSS,TM1993年停止工作Landsat51984年3月1日705km16天MSS,TM2013年停止工作Landsat61993年10月5日705km16天ETM1993年发射失败Landsat71999年4月15日705km16天ETM+2003年5月SLC失效Landsat8（IDCM）2013年2月11日705km16天OLITIRSOLI工作在可见到短波红外谱段，TIRS工作在热红外谱段低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星TM和ETM+为光机扫描成像仪，OLI和TIRS为推扫成像仪。北京空间机电研究所59低轨红外多光谱成像技术进展谱段光谱范围（m）空间分辨率（m）Landsat4/5-TMLandsat7-ETM+P0.50-0.901510.45-0.52303020.52-0.60303030.63-0.69303040.76-0.90303051.55-1.75303072.08-2.353030610.4-12.512060国外发展概况：1）Landsat卫星TM和ETM+的主要指标北京空间机电研究所60低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星ETM+的实物图TM和ETM+的工作原理北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星自1982年发射Landsat4卫星开始，Landsat卫星持续提供红外多光谱图像数据；Landsat5设计寿命3年，实际工作了约29年；Landsat7设计寿命5年，ETM+工作了4年SLC失效，图像质量受到很大影响；与Landsat-7相比，Landsat-8增加了海岸带和气溶胶谱段，长波红外谱段采用分裂窗，长波红外谱段空间分辨率由60m降至100m，利用2台推扫成像仪（OLI和TIRS）取代1台ETM+光机扫描成像仪。北京空间机电研究所62ETM+OLI/TIRS备注序号谱段描述谱段范围(m)分辨率(m)序号谱段描述谱段范围(m)分辨率(m)1深蓝0.4330.45330OLI1蓝0.4500.515302蓝0.4500.515302绿0.5250.605303绿0.5250.600303红0.6300.690304红0.6300.680304近红外0.7750.900305近红外0.8450.885305短波红外11.5501.750306短波红外11.5601.660307短波红外22.0902.350307短波红外22.1002.300308全色0.5200.900158全色0.5000.680159卷红外10.4-12.56010热红外110.611.2100TIRS11热红外211.512.5100低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星ETM+与OLI/TIRS的主要指标对比北京空间机电研究所63低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星OLI及其获取的图像TIRS及其获取的图像北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星为了将红外遥感数据用于对地物目标长期变化进行研究，需要对整个Landsat存档数据进行持续定标。一些研究团队一直开展Landsat-5-TM和Landsat-7-ETM+红外谱段定标，并对定标系数进行了几次更新，以校正增益和偏移误差。Landsat-5-TM和Landsat-7-ETM+热红外谱段绝对辐射定标精度分别为0.53K和0.48K（300K）。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星相比Landsat-5-TM和Landsat-7-ETM+，Landsat-8-TIRS采用推扫成像技术，且对光学系统进行了制冷，在技术上进行了升级换代，因此其温度分辨率显著提高，NETD约为TM和ETM+的1/4。TIRS配备了星上全口径、全光路黑体定标以及深空定标手段，便于提高辐射定标精度和定量化应用。TIRS具有两个长波红外谱段，可利用分裂窗大气校正算法提高反演精度。北京空间机电研究所66低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星TIRS焦面排列及构型图北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：1）Landsat卫星Landsat-8于2013年2月发射后，来自NASA/JPL和RIT的两个定标团队立即对TIRS进行绝对辐射定标，采用的方法包括替代定标和交叉定标。最初发现TIRS谱段10和谱段11在300K温度下分别存在2.1K和4.4K偏差。发射近1年后，对定标系数进行了更新，但谱段10和谱段11在300K温度下仍分别存在0.87K和1.67K偏差，于是建议需要绝对辐射定标的用户，不要使用谱段11的数据。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERASTER（AdvancedSpaceborneThermalEmissionandReflectionRadiometer）于1999年12月发射，它由3个独立的子系统构成，分别是VNIR、SWIR和TIR子系统。VNIR和SWIR子系统的成像方式为推扫，TIR子系统的成像方式为光机扫描。SWIR子系统于2008年5月停止工作，VNIR和TIR子系统一直正常获取图像。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTER参数谱段序号VNIR谱段序号SWIR谱段序号TIR谱段(m)10.52-0.6041.600-1.700108.125-8.47520.63-0.6952.145-2.185118.475-8.8253N0.76-0.8662.185-2.225128.925-9.2753B0.76-0.8672.235-2.2851310.25-10.9582.295-2.3651410.95-11.6592.360-2.430空间分辨率15m30m60m幅宽60km60km60km量化8bit8bit12bitASTER的主要技术指标北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERTIR子系统的光学和定标黑体TIR子系统的探测器排列北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERTIR子系统构型图黑体扫描镜望远镜北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTER虽然ASTER的TIR子系统一直在正常工作，但其响应出现明显衰减，而且5个谱段以及每个谱段的10个探测元的衰减程度不同。至2014年，TIR子系统的谱段12衰减最大，高达48%；谱段10衰减最小，为18%。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERTIR子系统响应变化趋势北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERTIR子系统Band10和Band14各探测元间响应差异随时间变化情况Band10Band14北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：2）EOS/AM-ASTERTIR子系统的替代定标工作一直由3个团队承担，分别是茨城大学（IbarakiUniversity）、国家环境研究所（NationalInstituteforEnvironmentalStudies(NIES)）和JPL。星上定标与替代定标的差异为1K（对于水体）和1.5K（对于陆地），两种定标结果吻合（在两种定标的不确定度之内）。北京空间机电研究所低轨红外多光谱成像技术进展国外发展概况：3）Sentinel-2