高光谱成像卫星发展研究

高光谱成像卫星发展研究

高光谱成像技术始于20世纪80年代，通过成像技术和光谱技术集成，对目标进行空间成像同时，完成光谱信息采集，获取目标“指纹特征光谱”，建立三维数据库，通过纳米级差异光谱分析，对特征波段差检测，将不同光谱通道的地物空间几何特性和光谱特性多维融合，从信号层实现地物光谱采集、异常灾害检测和伪装隐身目标识别，在农林普查、环境保护、浅海及近海岸基探测、地质资源勘探和国防建设等领域应用广泛。
美国利用近二十年时间完成高光谱技术的机载应用验证和星载在轨运行，目前已初步建成基于高光谱成像探测的遥感卫星体系，国际上在2000年前后兴起高光谱成像卫星发展热潮，俄、印、德、法和日本等国都已具备不同程度的研制和发射高光谱卫星能力。随着光电探测器、星载存储及数据传输等技术发展，高光谱卫星将为光学卫星发展迎来新的发展机遇。为此，文中围绕高光谱侦察卫星技术体制、在轨现状、典型工作模式和未来主要发展方向进行了综述。

1 高光谱成像卫星技术体制研究
根据分光方式不同，高光谱成像卫星可分为干涉体制和色散体制。基于干涉信息获取途径不同，可分为时间调制、空间调制和时空联合调制三种类型。时间调制型在同一时刻收集地物目标点辐射单一光程差信息，通过动反射镜时间积分完善干涉信息；空间调制型同一时刻采集单点地物目标点辐射所有干涉信息，通过空间扫描完善二维空间光谱辐射；时空联合调制型通过面阵成像获得目标某一光程差处干涉信息，通过平台推扫完善全部视场干涉图。上述体制本质是通过获得地物辐射信息，在不同光程差处的光场叠加强度，形成干涉条纹，通过计算光学反演目标光谱和任意通道空间信息。基于分光介质不同，色散体制可分棱镜色散和光栅色散型两类。图1所示为三种典型分光体制高光谱载荷分光原理图。

图1 不同分光体制高光谱载荷分光原理图

干涉型载荷在探测器上成像是干涉条纹，无法直接成像，且数据量大，数据管理与数据传输复杂；棱镜色散型载荷结构简单，易于小型化，但光谱分辨率不高；光栅色散型载荷可实时成像，光谱分辨率高，且体积小、质量轻。不同分光体制的高光谱载荷性能各异，在不同应用领域互有优势。美欧等国早期就发展了干涉分光、棱镜色散分光、光栅色散分光等多种技术体制高光谱成像卫星，2000年7月19日，美国发射强力星-II搭载FTH⁃SI高光谱载荷，实现首颗干涉体制高光谱卫星在轨运行；同年10月22日，欧空局发射PROBA小卫星搭载CHRIS棱镜色散型多光谱成像侦察载荷在轨运行，2001年11月21日，美国发射EO-1搭载Hy⁃perion高光谱载荷，实现首颗光栅色散体制高光谱卫星在轨探测。对比不同体制高光谱载荷优劣势，美国空军认为就星载高光谱侦察载荷方面，光栅分光体制最适合星载应用。基于此，2004年启动的Tacsat-3战术指挥高光谱侦察卫星选择了Offner凸面光栅分光体制。图2所示为三种典型高光谱侦察卫星及载荷分光光路图。

Tacsat-3于2009年5月18日成功发射，在轨工作两年，光谱覆盖0.4~2.5μm，共有超过400个光谱通道，空间分辨率4m。Tacsat-3的成功应用，加速推动了光栅分光技术体制应用进程，使其在以后的至少20年一直被广泛应用在高光谱卫星领域，后续发射COIS、CRISM、M3等以及计划发射的高光谱卫星全部采用该技术体制。

2 国外高光谱侦察卫星现状
经过21世纪初的大面积验证，星载高光谱技术在军民检测及监控领域能力被普遍认可。受限于探测器硬件规模、电子学处理及遥测能力，近15年内高光谱卫星发射基本处于停滞状态，严重阻碍了高光谱侦察卫星发射和实际应用。但该项技术一直是各国研究重点，近几年，随着光学及电子技术进步，高光谱成像卫星迎来第二轮发展热潮，发射计划逐步增多，图3所示为部分典型退役、在轨服役和计划发射高光谱卫星信息。

近3年内共有7颗卫星发射，未来5年内还至少有十余颗发射。其中，光栅分光技术体制被认为是最适合星载高光谱应用，占现役卫星95%以上。2.1典型在轨高光谱成像卫星2018年6月29日，由美国和德国共同研制的DE⁃SIS高光谱成像载荷搭载SpaceX火箭发射到国际空间站（ISS），用于在可见光范围对地光谱精确遥测。其工作波段为400~1000nm，光谱分辨率为3.3nm，受平台姿态影响，在400km轨道高度对地成像空间分辨率为24.7~32.6m，幅宽25.3~33.4km。图4所示为DESIS高光谱成像卫星示意图。