全谱段光谱成像仪系统设计及实现

全谱段光谱成像仪系统设计及实现赵艳华;戴立群;白绍竣;刘剑锋;彭宏刚;王浩【摘要】TheVisualandInfraredMultispectralImager(VIMI),asanimportantearthobservationpayloadonboardtheGF-5satellite,hasthecharacteristicsofbroaderbands,higherspatialresolutionandhigherradiometriccalibrationprecision.Theimagerhasaneight-yeardesignlifeandoperatesinapush-boomimagingfashiontoacquireearthdatafrom0.45pmto12.5pmover60kmswath.Thenadirspatialresolutionis20mandtheabsoluteradiometriccalibrationprecisionislessthan5%forreflectedsolarbands(B1-B6).Forthermalemissivebands(B7-B12),thenadirspatialresolutionis40mandtheabsoluteradiometriccalibrationprecisionisless,andtheadvancedtechnicalindexes,China'smulti-spectralopticalremotesensorhasbeengreatlyimprovedinthespectralnumber,spatialresolution,radiationresolution,andradiationcalibrationaccuracy.Inthispaper,thecomparisonofindexesathomeandabroad,thetechnicalcharacteristicsandtheadvanceddesignofVIMIareintroduced.Finally,theapplicationdirectionisdiscussed.%全谱段光谱成像仪是"高分五号"卫星上的一重要的对地观测有效载荷,具有谱段多、空间分辨率高、辐射定标精度高的特点.载荷设计寿命8年以60km幅宽、推扫成像方式,获取地球表面0.45~12.5pm谱段范围的辐射数据•可见近红外短波谱段(B1-B6)星下点空间分辨率20m,绝对辐射定标精度5%;中长波红外谱段(B7-B12)星下点空间分辨率40m,绝对辐射定标精度1K(300K时).该载荷集成度高、技术指标先进,使中国多光谱光学遥感器在谱段数量、空间分辨率、辐射分辨率和辐射定标精度上都有了大幅提升.文章对载荷的方案、技术特点和先进性等进行了介绍,并对后续的应用方向进行了展望.期刊名称】《航天返回与遥感》年(卷),期】2018(039)003【总页数】13页(P38-50)【关键词】多光谱;全谱段光谱成像仪;遥感;"高分五号"卫星【作者】赵艳华;戴立群;白绍竣;刘剑锋;彭宏刚;王浩【作者单位】北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094【正文语种】中文【中图分类】V443+.5“高分五号”卫星是我国高分专项工程之一，是实现“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统目标的重要组成部分，同时它也是国家高分辨率对地观测能力的重要标志之一。“高分五号”卫星研制的主要目的是利用卫星装载的6台遥感仪器，获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据，面向国家污染减排、环境品质监管、大气成分与气候变化监测、国土资源调查等重大需求，开展污染气体、温室气体、区域环境空气品质、水环境和生态环境、大气成分、气候变化、地矿资源调查等高光谱遥感监测应用示范，推进在农业、减灾、国安、公安、城市建设、水利、交通、林业、地震、海洋、测绘、统计、首都圈等部门的应用。全谱段光谱成像仪(VisualandInfraredMultispectralImager,VIMI)是“高分五号”卫星的主要载荷之一，它是我国第二代从可见光到热红外光谱范围的星载多光谱成像仪。该载荷以60km幅宽、20/40m的空间分辨率的能力，获取地物在可见光到长波红外的光谱辐射信息，可对水体、生态环境、国土资源进行综合监测，以满足环境保护、监测、监管、应急、评价、规划和资源调查等方面的需求。VIMI主要技术指标见表1。VIMI由光机头部、管理控制盒、信号处理盒、制冷控制盒、温控盒、扼流器等组成，系统组成框图见图1。采用离轴三反主光学系统，短波、中波和长波红外谱段共用主镜、次镜和三镜，在三镜后加入分色片，分别成像在四谱段集成的短中波及长波红外探测器焦面上；采用视场分离技术将可见近红外谱段分离出来，汇聚到CCD探测器。采用长线阵TDI探测器推扫方式，获取高品质的多谱段地球影像，再经信息获取电路将探测器图像信号读出，进行A/D转换后发送给信号处理盒，按CCSDS格式，通过LVDS接口送给星上数传分系统。采用漫反射板和黑体实现不同谱段高精度在轨辐射定标如图2所示，光学系统为二次成像三镜消像散(RUG-TMA)全反射式，利用离轴孔径消除次镜和三镜的中心遮拦。短波谱段、中波谱段和长波谱段共用主镜、次镜和三镜，在三镜后面加入分色片，分成短中波谱段通道和长波谱段通道，两个通道成像视场角一致。可见光多光谱与其他谱段在一个方向上成像视场角不一致，在中间像面处放置反射镜，将可见光谱段分离出来。可见光谱段与其它谱段共用主镜和次镜，三镜单独使用。可见通道、红外通道在地面投影相对位置关系见图3。为了满足装星接口、空间尺寸、质量、强度、刚度、结构的热稳定性、微振动隔离测试操作等功能和性能要求。光机结构设计主要采用如下方案：采用复合材料底板(碳纤维面板、铝蜂窝夹层)，在保证刚度的情况下，尽可能减轻质量。2）为了隔离压缩机的微振动对焦面的影响，焦面和压缩机分别安装在不同的结构上；3）散热面面积较大，为了解决散热面的支撑问题，相机罩采用铝蜂窝蒙皮的复合材料板；4）镜头的主承力结构采用铸造钛合金；5）针对主次镜间距温度稳定性要求高的特点，次镜支撑架采用殷钢材料；6）压缩机的支撑采用复合材料杆系，对杆的角度和截面形状进行优化。光机头部通过-Z方向的20个安装点、2个销钉以及-X方向的3个火工锁与卫星相连接（如图4）。可见光探测器采用五色集成TDI探测器，使用其中的B1-B4谱段，各谱段像元规模为3072元；短波、中波探测器为三模块拼接而成，每个模块中包括B5-B8四个谱段，单模块中，短波两个谱段为1024元、中波两个谱段为512元；长波探测器也为三模块拼接而成，每个模块中包括B9-B12四个谱段，单模块中长波四个谱段为512元。通过在探测器芯片上方放置组合滤光片实现光谱细分。短波、中波探测器焦面工作温度为80K，长波探测器焦面工作温度为60K，由脉管制冷机提供焦面工作所需的温度。图5为红外探测器冷头结构示意。采用可展开的太阳漫反射板置于相机入光口前，实现可见光、近红外、短波红外谱段（B1-B6）在轨辐射定标，为国内首次实现漫反射板全光路全口径在轨辐射定标，定标精度5%，并设置比辐射计监测漫反射板变化。进行太阳定标时，步进电机通过减速齿轮带动齿轮轴旋转，进而驱动漫反射板旋转，到达指定位置，将太阳光漫反射至光路中，获得在轨定标数据，计划每两周定标一次；定标结束后将漫射板收回到零位，不遮挡相机成像光路，发射时由电磁铁加电锁定。太阳定标时机构位置示意如图6所示。综合考虑了机构使用功能、刚度及质量等性能指标要求和光路设计、光机头部空间结构，利用复合材料加铝板为主体支撑结构，具有较高的比强度和比刚度，对于空间温度环境变化也具有较好的适应性。步进电机通过两级减速传动的方式驱动漫反射板完成定标动作。利用电磁铁保证发射过程加电锁定。另外设计了应急退出装置用于机构发生故障时，将传动系统分离，在卷簧反作用力下使漫反射板回到零位。黑体定标机构安装在相机光路中，实现成像、黑体定标、焦面自反射三种位置的切换，对中长波谱段进行在轨辐射定标。黑体定标机构采用转盘转动切入切出方案，将变温黑体安装在转盘上，通过步进电机驱动减速齿轮副带动转盘转动，采用光电对作为位置反馈元件，采用电磁铁作为锁定元件，采用自反射角镜监测探测器焦面底电平变化，黑体定标机构三维示意图见图7。相对光谱响应测试方案为：在B1-B7谱段采用基于单色仪的测试方法，在B8-B12谱段采用基于可调谐激光器的测试方法。（1） B1-B7谱段的相对光谱响应测试基于单色仪的相对光谱响应测试方法，是国内外可见光/近红外/短波红外光谱测试的主要方式，测试光路如图8所示。（2） B8-B12谱段的相对光谱响应测试B8-B12谱段的相对光谱响应测试采用基于可调谐激光器方案，测试设备布局如图9所示。B1-B12谱段范围测试结果见表2:B1-B6谱段将规定的观测条件（反照率50%，太阳天顶角30°）转换为辐亮度后，利用该测试条件下得到的多帧图像计算得到B1-B6谱段信噪比。B7-B12谱段通过对高低温黑体成像，采集多帧图像，计算B7-B12谱段的噪声等效温差（NoiseEquivalentTemperatureDifference，NEDT）。B1-B6谱段的信噪比测试系统示意图如图10所示。用光谱辐亮度计标定积分球的光谱辐亮度，将积分球的谱段平均辐亮度调整到接近观测条件的档位，相机TDI级数、积分时间、增益调整为在轨常用级数。从分系统图采设备中分别得出每个像元输出DN值后，按以下公式分别计算每个谱段的均方根噪声及平均SNR。像元的信号均值：式中n为采样的行数，测试时取1024;i为第i行；Si为第i行的信号值。均方根噪声为：第k个像元的信噪比为：相机系统信噪比为：式中m为像元数。B7-B12谱段的NEDT测试系统示意图如图11所示：温度分辨率采用300K黑体温度下的噪声等效温差来表征。噪声等效温差的测试方法是：在300K附近选取两个温度点，相机及黑体均放置在真空罐内，黑体放置在相机入光口前，相机分别采集面源黑体在这两个温度状态下的图像，然后分别计算出在这两个温度状态下的信号和噪声，根据温度差、信号差以及噪声来计算出噪声等效温差。两个温度点温差DT选取的一般原则为：使信号差（DV）与噪声（Vn）之比大于10，即DV/Vn大于10，其中噪声Vn为两个温度状态下噪声的平均值。按下式计算NEDT：式中NEDTi为第i个像元的噪声等效温差，单位为K,i=1,2/xxxxxx1536;DT为温度差，单位为K;DVi为第i个像元在两个温度点的信号平均值之差，用量化值（DN）表示；DVi=V2i-V1i,V2i和V1i分别为第i个像元在T2和T1温度状态下的信号平均值；Vni为第i个像元在两个温度点的噪声平均值，用量化值(DN)表示；Vni=(Vni1+Vni2)/2,Vni1和Vni2分别为第i个像元在T1和T2温度状态下的噪声。表3和表4分别为信噪比测试结果。根据测试结果可知，B1-B12谱段SNR/NEDT实测结果均满足指标要求。B1-B6谱段辐射定标由积分球辐射定标系统提供均匀性好、辐亮度已知且多档不同辐亮度输出的均匀光源，通过数据采集系统记录相机系统在不同辐亮度条件下的输出。另外，在每档辐亮度情况下，改变相机系统的参数(TDI级数、增益)，得到相机系统不同参数情况下的积分球辐射定标数据。通过对积分球辐射定标数据的分析和处理，可以得到相机系统的响应曲线、动态范围、信噪比、以及相机系统的输出与不同参数组合之间的关系。试验现场照片如图12所示。B7-B12谱段辐射定标中长波红外谱段真空辐射定标采用的是全口径全光路的辐射定标方法，即用均匀、稳定的黑体作为定标源，将黑体置于相机入光口的加热笼前，通过改变外黑体温度来改变全谱段接收到的入射能量，并采集全谱段光谱成像仪的输出量，从而获得一系列输入量与输出量之间的对应关系，经过处理和计算后，将其对应关系用定标方程的形式表示出来，完成对全谱段光谱成像仪的辐射定标。测试系统示意图见图11。经分析，B1-B4谱段绝对定标精度为4.81%，B5-B6谱段绝对定标精度为4.93%,B7-B12谱段绝对定标精度为0.9K,满足可见短波绝对辐射定标精度＜5%,中长波绝对辐射定标精度＜1.0K的要求。全谱段光谱成像仪的探测谱段范围为0.45~12.5pm,可见、近红外、短波红外谱段空间分辨率为20m，中长波红外谱段空间分辨率为40m。据公开资料，从谱段设置、空间分辨率、幅宽、应用方向等方面考虑，可进行类比的国内外同类载荷有Landsat-7卫星上的ETM+相机、Landsat-8卫星上的OLI/TIRS相机、美国热成像仪MTI和我国的“资源一号”卫星04星（CBERS-04）红外多光谱扫描仪IRMSS。全谱段成像仪及国内外相关载荷技术指标见表5。通过对比可以看出，在覆盖0.45~12.5pm谱段的同类载荷中，全谱段成像仪谱段最多、热红外空间分辨率最高，达到国内外该类载荷的先进水平。全谱段光谱成像仪技术特点如下：1）系统指标要求高，国内首次研制。同时采用光学系统分视场、在汇聚光路中采用分色片、焦面上采用微型组合滤光片分光等措施进行光谱细分，系统焦面多（3个焦面、12个谱段），定标手段和方法多（全光路\全口径漫反射板定标和全口径黑体定标），可靠性要求高，系统非常复杂；空间分辨率高：长波红外谱段空间分辨率达到40m，是目前国内长波红外最高分辨率的多光谱相机，与国外同类载荷相比也处于先进水平。辐射分辨率高：长波通道采用分裂窗探测，温度反演精度高，对辐射分辨率要求高（优于0.2K）。光谱覆盖范围宽：从可见到热红外（0.45~12.5mm），是国内高分辨率多光谱遥感中光谱范围最宽的载荷。2）在一个主光学系统上实现3个通道、12个谱段、不同F数的光学系统设计，使得系统结构复杂；系统透过率要求高，谱段涵盖可见光、短波、中波、长波谱段，研制难度大；为了实现冷光阑匹配，通常光学系统采用二次成像系统，每个光学元件光焦度大，非球面变化率大、非球面度大使得光学元件加工难度大；二次成像离轴三反为我所首次研制，装调难度很大。3）红外探测器研制难度大。四谱段集成长线阵红外探测器组件国内基础较薄弱，响应一致性及暗电流水平与国外有较大差距。4）超低温（60K）红外微型组合滤光片研制难度大。红外焦平面组件覆盖短、中、长波8个谱段，由8个窄带滤光片采用胶粘的方式将4片拼接在一起，滤光片在常温下镀制，低温下使用存在光谱漂移，需要多轮投产试验片进行光谱测试，修正温漂量。5）制冷机冷指结构复杂，冷量大，采用两台脉冲管制冷机分别对短中波焦面和长波焦面制冷，长波焦面温度为60K,制冷量达2.75W，是国内设计寿命最长（8年）的60K大功率脉冲管制冷机。“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪作为国内第一台实现覆盖可见、短波、中波、长波红外谱段且具有较高空间分辨率的多光谱成像仪，具有较强的先进性。尤其是热红外谱段，国内急需该类数据，用于热污排放监测等领域。经过与国内外同类载荷技术指标比对，结合自身技术特点，得到全谱段光谱成像仪有如下技术先进性：1） 国内第一台实现覆盖可见、短波、中波、长波红外的较高空间分辨率的多光谱成像仪，在国内同类载荷中谱段数量最多（12个）、热红外分裂窗空间分辨率40m达到国际领先水平；2） 国内首次采用二次成像三镜消像散的可见，红外共光路的离轴三反光学系统，利用视场分光、分色片及组合滤光片等手段实现12个谱段的光谱细分，系统集成度高，光学系统透过率高，可见通道优于0.90，红外通道优于0.80；3） 突破红外探测器和脉管制冷机关键技术瓶颈，首次实现了国产四谱段集成（8~12.5pm）大规模（1536元）长线列碲镉汞红外探测器和大冷量2.75W（60K时）、8年长寿命脉冲管制冷机在轨应用，为我国红外光学遥感技术发展奠定坚实基础；4） 系统共有三个探测器焦面，每个探测器焦面上含四个谱段，同一探测器上谱段配准精度高，只需保证三个探测器的线阵平行性和中心对准精度，研制难度降低、也易于用户使用；5） 国内首次研制深低温四谱段集成组合滤光片，并完成高低温冲击和抗辐照试验，验证8年寿命满足要求；6）采用星上漫反射板和黑体来实现不同谱段在轨高精度辐射定标，首次实现国内漫反射板全光路全口径在轨辐射定标，定标精度优于5%，为目前国内领先水平，并设置比辐射计监测漫反射板变化，设置应急退出机构来解决可能出现的漫反射板遮挡光路问题。“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪，可获得覆盖可见多光谱、短波、中波、长波红外在内的较高空间分辨率的多谱段图像数据，从空间匹配和光谱匹配两个方面对地物目标进行分析，可以取得更加丰富的地物目标信息，从而提高地物目标的探测能力以及对突发事件的监测水平，将在我国环境监测及资源调查等应用领域发挥重要作用。在“高分五号”卫星25类应用产品中，有14类需要使用全谱段光谱成像仪的数据，可见其应用领域很广，具体应用于以下几个方面：1）对于环保用户，在水环境遥感应用中，可用于内陆大型水体（太湖等）水华遥感监测，内陆大型水体水质（水体叶绿素a、悬浮物和透明度等）遥感监测，大型核电站等水体热污染遥感监测；在生态遥感应用中，可用于植被覆盖度提取、制作专题图指导，进行矿产资源开发及其生态影响监测，开展区域生态系统分类和矿产资源开发用地识别与分类中的能力。2） 对于国土资源用户，在矿产地质遥感应用中，进行地层、岩体、构造等地质信息人工解译，评价其在基础地质填图中的应用能力；通过大气校正、温度-发射率分离、矿物与异常提取，分析其信噪比、光谱特征，评价其在矿物与异常提取、找矿预测中的应用能力；在矿山地质环境遥感应用中，可用于矿区地物分类、矿区水体酸碱度分类、矿区植被长势监测。3） 对于气象用户，在气候监测遥感应用方面，可用于青藏高原典型冰川群及背景积雪监测；利用热红外数据开展区域热红外波段地表发射率遥感应用能力的评价；进行干旱指数计算，获得试验区的干旱指数的空间分布格局，然后利用参照卫星遥感数据进行干旱指数计算；进行局地高温信息提取，获得试验区的陆表温度、局地高温强度、局地高温空间距平、近地表气温，然后利用参照卫星遥感数据进行局地高温信息提取。赵艳华，女，1977年生，中国空间技术研究院飞行器设计专业工学硕士，高级工程师。研究方向为航天光学遥感器总体设计、辐射定标技术等。E-mail:。【相关文献】PAHLEVANN,LEEZ,WEIJ,etal.On-orbitRadiometricCharacterizationofOLI(Landsat-8)forApplicationsinAquaticRemoteSensing[J].RemoteSensingofEnvironment,2014,154:272-284.VERMOTEE,JUSTICEC,CLAVERIEM,etal.PreliminaryAnalysisofthePerformanceoftheLandsat-8/OLILandSurfaceReflectanceProduct[J].RemoteSensingofEnvironment,2016,185:46-56.FLOODN.ContinuityofReflectanceDatabetweenLandsat-7ETM+andLandsat-8OLI,forBothTop-of-atmosphereandSurfaceReflectance:aStudyintheAustralianLandscape[J].RemoteSensing,2014,6(9):7952-7970.KEY,IMJ,LEEJ,etal.CharacteristicsofLandsat-8OLI-derivedNDVIbyComparisonwithMultipleSatelliteSensorsandIn-situObservations[J].RemoteSensingofEnvironment,2015,164:298-313.BARSIJ,SCHOTTJ,HOOKS,etal.Landsat-8ThermalInfraredSensor(TIRS)VicariousRadiometricCalibration[J].RemoteSensing,2014,6(11):11607-11626.REUTERDC,RICHARDSONCM,PELLERANOFA,etal.TheThermalInfraredSensor(TIRS)onLandsat-8:DesignOverviewandPre-launchCharacterization[J].RemoteSensing,2015,7(1):1135-1153.ESTOQUERC,MURAYAMAY.ClassificationandChangeDetectionofBuilt-upLandsfromLandsat-7ETM+andLandsat-8OLI/TIRSImageries:aComparativeAssessmentofVariousSpectralIndices[J].EcologicalIndicators,2015,56:205-217.YANGL,CAOYG,ZHUXH,etal.LandSurfaceTemperatureRetrievalforAridRegionsBasedonLandsat-8TIRSData:aCaseStudyinShihezi,NorthwestChina[J].JournalofAridLand,2014,6(6):704-716.LIPeng,JIANGLugang,FENGZhiming.Cross-comparisonofVegetationIndicesDerivedfromLandsat-7EnhancedThematicMapperPlus(ETM+)andLandsat-8OperationalLandImager(OLI)Sensors[J].RemoteSensing,2013,6(1):310-329.NANDYP,POSTBN,SMITHJL,etal.Edge-basedCorrelationImageRegistrationAlgorithmfortheMultispectralThermalImager(MTI)[J].ProceedingsofSPIE,2004,5425:197-207.WEBERPG,BROCKBC,GARRETTAJ,etal.MultispectralThermalImagerMissionOverview[J]Proc.ofSPIE,1999,3753:340-346.DOI:10.1117/12.366296SZYMANSKIJJ,WEBERPG.MultispectralThermalImager:MissionandApplicationsOverview[J].IEEETransactionsonGeoscience&RemoteSensing,2005,43(9):1943-1949.朱利，顾行发,陈良富，等.高分辨率红外相机单窗与劈窗陆表温度反演精度分析研究[J].红外与毫米波学报,2008,27(5):346-353.ZHULi,GUXingfa,CHENLiangfu,etal.Compa