资源一号02D卫星高光谱相机在轨性能及稳定性评估

刘银年 孙德新 梁建 朱海健 刘书锋 李勋

(1 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)(2 中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心，江苏启东 226200)(3 南通智能感知研究院，江苏南通 226000)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)可见短波红外高光谱相机(AHSI)随整星于2019年9月12日在太原卫星发射中心由长征四号丙运载火箭发射升空，并成功进入预定的778 km高度太阳同步轨道。该相机是国际上首台兼顾宽覆盖、宽谱段并具备高定量化水平的星载高光谱相机。它能够以60 km幅宽、30 m空间分辨率在400～2500 nm宽光谱范围内以10～20 nm光谱分辨率同时获取166个光谱通道下地物的影像和光谱信息。

对遥感器的在轨测试工作是监测其在轨运行情况的主要手段，是评价其在轨性能的主要依据，也是遥感器图像数据应用的前提和基础[1-2]。美国陆地观测卫星-1(EO-1)的高光谱相机(Hyperion)是过去十几年来最经典的星载高光谱载荷，主要通过对其图像的光谱特性、辐射特性、几何特性和图像质量的综合分析来实现对遥感器的在轨测试和评价[3-6]。遥感器在轨运行的稳定性和高可靠性也是遥感器运行安全的重要保证[7]。因此，定期检查相机在轨测试期间的遥测参数和在轨性能长期运行的稳定性具有重要意义。

本文首先介绍了资源一号02D卫星AHSI相机的主要工作模式，然后阐述了AHSI相机的在轨性能指标测试情况，从光谱特性、辐射特性和几何特性来综合评价其星地一体化指标。此外，对AHSI相机在轨运行一年多的成像稳定性进行了分析，并对其在轨性能和稳定性进行总结。

1 AHSI在轨主要工作模式

AHSI入轨后的前几个月主要是进行了仪器的启动和在轨性能的测控和调试工作。首先是相机工作和成像模式的测试，主要包括星下点推扫成像和在轨偏航定标。

1)星下点推扫成像模式

在光照区对用户定制的特定区域进行星下点连续推扫成像，默认状态为两个波段同时工作，也可根据地面指令控制可见近红外(VNIR)和短波红外(SWIR)两个波段分时工作。数据传输默认状态为无损压缩的数据。此外，166个通道可以按地面上注数据指令选择任意指定通道下传。

2)在轨定标模式

预设每两个星期进行在轨光谱定标和辐射定标，在轨定标频次可调整。定标期间默认状态为两个波段同时工作，也可以根据地面指令控制VNIR和SWIR两个波段分时工作。

在经过制冷机和成像参数调优、暗电平校正、相对辐射校正、几何校正及配准、在轨光谱定标和辐射定标并处理等工作的基础上，实现对AHSI相机在轨主要性能指标的评价。

2 AHSI相机在轨主要性能指标评价

AHSI相机在轨主要性能指标的评价内容主要包括：光谱特性评价、辐射特性评价和几何特性评价。结合AHSI相机载荷特点，在轨分别进行了测试和评价。

2.1 在轨光谱特性

高光谱相机的光谱特性主要通过光谱范围、光谱分辨率、横向光谱偏差和光谱定标精度4项指标来描述。

光谱范围是相机获取的光谱通道覆盖的波长范围，是第一个波段前光谱半峰值功率点的和最后一个波段后光谱半峰值功率点波长所覆盖的范围。与光学各零部件的反射和透射特性、光栅光谱仪的分光特性，以及探测器的响应特性有关。在轨测试期间，通过判断图像首尾有效响应通道，参考实验室光谱定标结果，计算对应通道光谱半峰值功率点的波长值，测得资源一号02D卫星AHSI相机光谱范围为0.395～2.501 μm。

光谱分辨率是相机能分辨的最小波长间隔，反映了相机光谱分辨的能力，每个光谱通道光谱响应半峰值功率点对应波长的宽度。在轨测试期间，选取敦煌定标场图像典型大气吸收位置(O2吸收峰曲线，CO2吸收峰曲线或水汽吸收曲线)，基于实验室光谱定标结果中的光谱分辨率，分别加入-4～+4 nm的模拟漂移量，通过光谱匹配法得到VNIR波段光谱分辨率约为8.75 nm，SWIR波段光谱分辨率约为16.27 nm。

横向光谱偏差又称为光谱弯曲，是指通过线视场的光信号经过分光成像后，在探测器光谱维上某行像元在不同视场其光谱波长的偏离程度，反映了相机在不同视场对应光谱波长的一致性。基于卫星过境场地替代光谱定标数据的横向光谱偏差测试结果为，VNIR达到0.125 nm，SWIR达到0.025 nm，均满足≤1 nm的指标要求。

光谱定标精度反映了光谱定标的设备、方法及算法造成光谱标定的误差大小。相机在轨光谱定标主要基于大气廓线获得定标数据。光谱定标精度在轨测试选取敦煌定标场图像，提取出满足要求地物的光谱辐亮度后，从中选取O2、H2O和CO2的特征峰，通过寻峰处理计算得到峰值点的波长，将该波长与特征峰的理论波长值进行比较，求两者的绝对偏差，结果表明VNIR偏差平均为0.6 nm，SWIR偏差平均为0.75 nm。

2.2 在轨辐射特性

高光谱相机辐射特性主要指仪器信噪比、相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度和动态范围。

采用敦煌定标场区域计算图像信噪比，并反推到1个太阳常数、60°太阳高度角、50%地物反照率下的信噪比(见图1)。可以看出，由于资源一号02D卫星采用了波段合并的方式，显著提升了单波段的信噪比，远高于设计指标要求，有利于对各种资源矿物及油气开展精度更高的勘查。

图1 AHSI相机在轨信噪比测试结果Fig.1 On-orbit SNR measurement results of AHSI

相对辐射定标用于消除由于探测器在空间上的响应不一致、在时间上的不稳定性、以及电路噪声所引起的非均匀性辐射失真[8]。

1)平均行标准差法

该算法先计算相对辐射校正后图像每列的平均值，得到一个平均行，然后计算该行数据的标准差，再除以整幅图像的平均值，即为通过该图像计算得到的相对定标精度。计算公式如下

(1)

2)平均标准差法

对相对辐射校正后图像的各行计算其标准差，然后除以该行的平均值，得到各行的校正精度，取其平均值即为该图像计算得到的相对定标精度。

(2)

(3)

3)广义噪声法

对相对辐射校正后的图像，计算每列图像均值和整幅图像均值，并求两者差值的绝对值平均值，然后求该值与整幅图像均值的比值，该比值即为图像的广义噪声。

(4)

对资源一号02D卫星AHSI相机获取的对地成像影像进行分析，在敦煌定标场选取了8个区域进行评价，平均相对辐射校正精度平均行标准差法可见通道达到0.37%，短波通道达到0.82%；平均标准差法可见通道达到0.68%，短波通道达到1.38%；广义噪声法可见通道达到0.32%，短波通道达到0.65%，均优于3%的指标要求，如图2所示。

图2 敦煌定标场区域分布示意图Fig.2 Regions of interest in Dunhuang calibration field

而绝对辐射定标指由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像失真的过程。从星上绝对辐射定标过程中各环节的误差分析来看，辐射定标精度均满足7%的指标要求。

2.3 在轨几何特性

高光谱相机几何特性主要指图像幅宽、星下点地面采样距离、图像波段配准精度、平面定位精度等[9]。通过对不同纬度不同地区的6景资源一号02D卫星AHSI相机影像数据进行分析，得出高光谱影像的平均幅宽为60.01 km，满足指标要求。

星下点地面采样距离是描述传感器能区分两相邻目标地物之间的最小角度间隔或距离间隔，通常用地面采样距离(Ground Sample Distance，GSD)来表示[10]。GSD是传感器单个探元在原始图像上对应的距离的大小。通过对10轨不同地区的资源一号02D卫星AHSI相机影像进行分析测试得出，高光谱影像的平均空间分辨率为29.913 m，满足指标要求。

图像波段间配准精度是对图像的不同波段之间的定位、对齐或重合情况进行评价，以一级图像任意一个波段为匹配参考波段，在参考波段上均匀选择若干控制点，以每个控制点为种子点，在参考波段和待匹配波段上提取一定大小的匹配窗口；然后对两个对应匹配窗口进行匹配，搜索控制点在待匹配波段的同名点，再根据同名点及其相邻几个点在图像中的位置和相关系数，拟合二次曲面，二次曲面的极值点就是控制点在待匹配图像上的精确配准位置。最后统计所有控制点的配准精度作为波段的配准精度。用以上方法统计5景在轨图像，得到资源一号02D卫星高光谱图像波段间配准精度最大误差为0.247像元，平均误差为0.219像元，满足小于0.25像元的指标要求。

平面定位精度是指经过几何校正后的图像上地理位置和真实位置之间的差异。高光谱相机在无控制点和星下点成像条件下，10景影像平面定位精度(Circle Error 90%，CE90)误差最大值为95.539 m，平均值为69.004 m，符合小于100 m的指标要求。

AHSI相机飞行产品对幅宽、光谱范围、光谱分辨率、空间分辨率、信噪比、定标精度等相机性能进行了测试，如表1所示。可以看出，AHSI相机在轨各项性能指标均满足相机研制技术要求且系统性能良好。

表1 AHSI相机在轨测试结果Table 1 Summary of on-orbit performance characteristics

3 AHSI相机在轨稳定性分析

AHSI相机目前已在轨运行一年多，为评价相机在轨测试期间及交付后的性能在轨长期运行的稳定性，我们分析了2019年11月6日、2019年11月30日、2019年12月28日和2020年5月12日四轨暗电平数据，统计了所有像元沿轨方向上暗电平的平均值和标准差，结果如表2所示。从表2中可以看出，暗电平数据均值和标准差差别很小，表明相机在轨运行期间工作状态稳定性良好。

表2 在轨暗电平统计Table 2 On-orbit dark current statistics

4 结束语

资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机完成了所有在轨测试工作，波段范围达到0.395～2.501 μm，166个光谱通道信号均正常有效，信噪比可见近红外最高达到近700，短波红外最高达到近600；相机在轨光谱横向偏差优于1 nm，相机光谱定标精度优于0.1 nm，相对辐射定标精度可见通道优于0.5%，短波通道优于1%；模块间几何配准精度优于0.3个像元；平均绝对定位精度优于70 m；多次测试数据表明光谱辐射响应特性基本没有变化。在轨测试结果表明，相机各项功能、性能指标均符合要求，入轨至今遥测数据和性能稳定，相机系统性能良好。