“高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机的研制

刘银年



“高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机的研制

刘银年

（中国科学院上海技术物理研究所，中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083）

可见短波红外高光谱相机是“高分五号”卫星上的主载荷之一，由中国科学院上海技术物理研究所研制，以60km幅宽、30m的地面分辨率和5~10nm的光谱分辨率，同时获取地物在400~2 500nm范围内共330个连续谱段的空间信息和光谱信息。相机在可见近红外谱段（0.4~1.0μm）的光谱分辨率约为5nm，短波红外谱段（1.0~2.5μm）约为10nm。高光谱相机将能够解决遥感应用中的许多关键科学问题，诸如生态、环境监测、国土资源和地质矿产调查，以及灾害监测，农、林、牧业精细作业，城市规划等遥感应用。高光谱相机是中国首个采用凸面光栅分光的卫星载荷。与Hyperion上的仪器相比，高光谱相机信噪比更高（3~4倍），地面覆盖更宽（约8倍），谱段数更多（多100多个）。此外，高光谱相机的综合性能指标与未来5–10年国际上要发射的高光谱相机相当。

高光谱相机 大幅宽 低畸变 高灵敏度 “高分五号”卫星

0 引言

高光谱成像技术可同时获取目标的几何、辐射和光谱信息，是对地遥感与目标探测的重要手段，在国土资源探测、环境灾害监测、农林渔牧、海洋监测以及目标探测、伪装识别等领域发挥着越来越重大的作用[1-3]。随着高光谱遥感应用的深入，对高光谱遥感的光谱范围、光谱分辨率、幅宽、空间分辨率、时间分辨率与定标精度等指标提出了新的要求。

过去的几十年，Hyperion[4]和CHRIS[5]是提供星载高光谱数据的主要来源，但是它们数据的品质和数量对于成像光谱技术的潜在应用来说还远远不够，因此各国均规划了性能更先进的高光谱传感器，包括美国NASA的HyspIRI[6]、德国的EnMAP[7]、意大利的PRISMA[8]，以及印度正在研制中的高光谱卫星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3。相关仪器参数和性能指标列于表1。

表1 国外在轨/在研星载高光谱遥感仪器参数

Tab.1 Parameters of the abroad spaceborne hyperspectral imagers on-orbit & in study

1 系统组成及性能

“高分五号”（GF-5）卫星可见短波红外高光谱相机由遮光罩、定标子系统、宽视场望远镜、视场分离器、狭缝、基于凸面光栅的光谱仪、面阵探测器组件、驱动与信号获取和通信控制与信息处理电子学等子系统组成。相机采用离轴三反望远镜成像，视场分离器将可见近红外和短波红外谱段分离开，通过狭缝视场后，采用基于凸面光栅的光谱仪进行精细分光，光谱图像信号分别汇聚到CCD面阵探测器和短波红外HgCdTe探测器焦面上，实现高光谱成像。其实物图如图1所示，具体参数如表2所示。

图1 高光谱相机实物图

表2 GF-5卫星可见短波红外高光谱相机指标

Tab.2 Parameters of the visible-short wave infrared hyperspectral camera of GF-5 satellite

为保证大视场的要求，相机采用全反射式离轴三反主光学望远镜，在传统offner结构的基础上增加了一片校正透镜的凸面光栅，光线分别在进入offner结构前和出offner结构后两次通过这片光栅，通过狭缝中心与边缘光线对光栅的不同入射角，校正了长狭缝的光谱弯曲及光谱畸变。

为保证获取图像数据的定量化水平，相机设置了丰富的星上定标手段。通过对星上LED定标组件成像，结合掩星观测大气轮廓进行相机在轨光谱定标；通过引入太阳光照射星上漫反板对相机进行辐射定标，同时使用独立的漫反板监视器来监视漫反板的衰减。

高光谱相机飞行产品出所前在用户和卫星总体的参与下，进行了性能验收测试，测试结果如表3所示。

表3 高光谱相机测试结果

Tab.3 Test results of AHSI

2 应用前景

高光谱遥感将有力地推进我国环境监测、国土资源调查、油气矿产勘察工作，为我国经济社会可持续发展提供环境、资源和能源保障支持。具体来说，该载荷对于水环境遥感、生态环境遥感、固体废弃物遥感及重大工程和环境事故遥感监测具有十分重要的应用，并有利于高光谱在矿物识别与填图中的和油气探测中的应用，此外，高光谱遥感图像数据还可应用于灾害监测、农林牧精细化作业，及遥感应用研究等诸多领域。

3 结束语

本文介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项高光谱探测卫星（GF-5）的主载荷之一—可见短波红外高光谱相机的设计理念和应用前景。GF-5卫星将为我国环境污染防治等工作提供重要的科技支撑和空间信息服务，将有力地推进我国星载高光谱成像技术的发展，引领相关的精密光学成像、低畸变大平场精细分光、大规模红外焦平面探测器、长寿命大冷量制冷机、高速低噪声信号获取处理等相关技术的发展。

致谢：本项目由国家高分辨率对地观测系统重大专项资助（A0106/1112），研究过程中得到了生态环境部卫星环境应用中心、国土资源部中国国土资源航空物探遥感中心、中华人民共和国国家国防科技工业局重大专项中心、中国航天科技集团有限公司、以及上海航天技术研究院、上海卫星工程研究所等单位的支持。

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Visible-shortwave Infrared Hyperspectral Imager of GF-5 Satellite

LIU Yinnian

（Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technologies, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China）

Visible-shortwave infrared advanced hyperspectral imager (AHSI) is the main payload of the GF-5 satellite, and is developed by Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science. AHSI is designed to be capable of resolving 330 spectral bands from 0.4 to 2.5 μm with 30m ground resolution and 60km swath width. The spectral resolution is about 5 nm for VNIR (0.4~1.0 μm) and 10 nm for SWIR (1.0~2.5 μm). AHSI will be able to address many key science questions in remote sensing applications, such as ecological and environmental monitoring; investigation of geology and mineral resources, land & resources; disaster monitoring; agriculture, forestry, animal husbandry fine work and city planning. AHSI is China’s first spaceborne hyperspectral imager with a convex grating spectrum. Compared to the instruments on board Hyperion, AHSI has a much higher signal-to-noise ratio(about 3–4 times), a much wider swath width(about 8 times) , and much more spectral bands (more than 100 increased). Moreover, the comprehensive performance of AHSI is comparable to that of the hyperspectral imagers to be launched in the next 5-10 years.

hyperspectral camera;wide swath;low distortion; high sensitivity; GF-5 satellite

TN216

A

1009-8518(2018)03-0025-04

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.003

刘银年，男，1971年生，2005年获中国科学院大学物理电子学专业博士学位，现为中国科学院上海技术物理研究所研究员，博士生导师。研究方向为红外暨高光谱遥感技术。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

2018-03-28

国家重大科技专项工程

（编辑：王丽霞）