环境减灾二号A/B卫星红外相机在轨性能测试与稳定性评估

孙德新 柴孟阳 刘银年 陈塞崎 崔璨璨 孙纪文 林军 刘书锋 姚舜 冯雪飞，3 周魏乙诺 丛强 柯有龙 季诚胜 朱玉琼 徐君

(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 南通智能感知研究院，江苏南通 226000)(3 启东中科光电遥感中心，江苏启东 226200) (4 中国航天科技集团有限公司，北京 100048)(5 航天东方红卫星有限公司，北京 100094) (6 中国资源卫星应用中心，北京 100094)

环境减灾二号A/B卫星是国家民用空间基础设施“十三五”规划中提出的“4+4”卫星星座中的2颗光学卫星，它们状态及配置均一致，于2020年9月27日在山西太原卫星发射中心以“一箭双星”的方式成功发射入轨。作为卫星主载荷之一的红外相机，每颗卫星各搭载1台，且技术状态完全相同。相机具有720 km幅宽、48 m/96 m空间分辨率，可实现可见光近红外、短波红外、中波红外及长波红外的宽谱多谱段观测；在植被红边、植被含水量、地表低中高端温度反演、烟雾识别等方面具有突出的应用潜力。在双星组网条件下，卫星可服务于我国及其他范围内的环境和灾害全天时、短重复周期的有效监测预报，为灾后救援重建、生态环境治理等工作提供重要的科学依据。

对红外相机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，也是红外图像数据应用的前提和基础[1]。对于红外相机，主要通过对其图像的几何特性、辐射特性和在轨定标数据的综合分析实现在轨测试和评价[2]。另外，红外相机在轨运行的稳定性和高可靠性是其运行安全的重要保证[3]。因此，定期检查红外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。

2020年10月20日，环境减灾二号A/B卫星上的2台红外相机依次开机，成功获得了首批图像。本文重点阐述了2颗卫星红外相机的在轨性能指标测试情况，从几何特性和辐射特性综合评价了其性能指标。此外，对相机在轨运行1年来的稳定性进行了评估。

1 红外相机几何特性评估

1.1 空间几何特性评估

环境减灾二号A/B发射入轨后，在2020年10月-2021年4月开展了红外相机的在轨几何特性测试，包括幅宽、空间分辨率、配准精度测试，测试结果见表1。

表1 红外相机幅宽、空间分辨率和谱段间配准精度在轨测试结果Table 1 On-orbit test results of breadth, spatial resolution and interspectral registration accuracy of infrared camera

根据表1所示：环境减灾二号A/B卫星红外相机B1～B9谱段实测幅宽均大于745 km，A卫星红外相机B1～B5谱段空间分辨率的平均值为47.37 m，B6～B9谱段的为95.33 m；B卫星红外相机B1～B5谱段空间分辨率的平均值为47.36 m，B6～B9谱段的为95.33 m。2颗卫星红外相机各谱段垂轨和沿轨方向配准精度均优于0.2像元。相较于美国陆地卫星-8，9(Landsat-8，9)载荷[4-6]，红外相机在空间分辨率相当的条件下幅宽是其4倍。

1.2 在轨传递调制函数(MTF)评价

MTF是客观评价光电成像系统成像质量的重要指标，具有能够真实反映成像系统空间频率响应特性的能力[7]。本文采用刃边法[8]对2台红外相机开展各个谱段MTF值的在轨测试，通过对图像中的刃边进行采样，提取刃边轮廓拟合点，并基于最小二乘的思想，对刃边轮廓线进行直线线性拟合；进一步获取边缘扩展函数(ESF)，对其求导得到线扩展函数(LSF)。得到LSF之后，取包含峰值及足够宽度的区间进行LSF的离散化，然后对此区间做1维离散傅立叶变换，对其取模，得到图像关于频率的MTF曲线。

选取环境减灾二号A卫星在2021年5月31日获取的1 725 378景图像数据进行在轨MTF测试，选取测试区域见图1。

图1 环境减灾二号A卫星红外相机选取的动态MTF测试区域Fig.1 Test area of dynamic MTF from infrared camera in HJ-2A satellite

选取环境减灾二号B卫星在2021年5月29日获取的167 687景图像数据进行在轨MTF测试，选取测试区域见图2。

图2 环境减灾二号B卫星红外相机选取的动态MTF测试区域Fig.2 Test area of dynamic MTF from infrared camera in HJ-2B satellite

2台红外相机各个谱段MTF的在轨测试结果见表2。环境减灾二号A卫星红外相机各谱段的在轨实测MTF值不小于0.26，B卫星红外相机在轨实测MTF值不小于0.25。红外相机的动态MTF是监测其在轨运行状态和性能变化的参考依据之一，其与地面依靠专门仪器测试结果一致，由此说明红外相机在轨运行状态稳定，性能可靠。

表2 红外相机B1～B9谱段的MTFTable 2 MTF of B1～B9 spectral bands of infrared cameras

2 红外相机在轨辐射特性评估

2.1 B1～B6谱段在轨信噪比测试

针对红外相机B1～B6谱段的在轨信噪比测试[9]，利用2021年6月26日获取的环境减灾二号A卫星202 306、202 307景和B卫星198 386、198 387景的星上漫反射板定标数据，计算B1～B6谱段的信噪比。星上漫反射板的太阳高度角(即太阳光线与漫反射板之间的夹角)[10]分别为35°和32°，反射率为0.98，将其推算到高度角为70°、反射率为0.65条件下的信噪比，如表3所示。

表3 B1～B6谱段信噪比Table 3 SNR of B1～B6 spectral bands

2.2 B7～B9谱段在轨灵敏度评估

各谱段的辐射分辨率为噪声等效温差。其定义为在指定的目标温度下(中波370 K，长波320 K)，目标的温度变化引起系统输出信噪比的变化，利用2021年1月23日获取的环境减灾二号A/B卫星星上黑体数据。分别得到2颗卫星B7谱段在温度370 K及B8和B9谱段在温度320 K的噪声等效温差。测量结果如表4所示。A卫星红外相机在轨实测B7～B9谱段探测灵敏度分别为0.03 K(温度370 K)，0.10 K(温度320 K)，0.17 K(温度320 K)；B卫星红外相机在轨实测B7～B9谱段探测灵敏度分别为0.03 K(温度370 K)，0.11 K(温度320 K)，0.18 K(温度320 K)。

表4 在轨实测红外相机的B7～B9谱段探测灵敏度Table 4 Detection sensitivities of B7～B9 spectral bands of infrared cameras

2.3 在轨相对辐射定标精度评估

星载红外相机在轨辐射定标是定量遥感的核心和基础，其定标精度直接决定定量遥感产品的质量[11]；相对辐射定标指的是确定场景中各像元之间、各探测器之间、各谱段之间及不同时间测得的辐射量的相对值[12]。本文选择2级产品数据，再选择多块均匀目标区域测量图像相对辐射精度。本文采用广义噪声法[13]评价相对辐射校正精度。由于相对辐射定标精度与地物均匀性有关，因此根据多块均匀目标区域(沙漠)的最优结果作为相对辐射定标精度评价测试结果，如表5所示。

表5 相对辐射定标精度评价结果Table 5 Results of relative radiometric calibration accuracy evaluation %

2.4 在轨绝对辐射定标精度评估

红外相机在轨辐射定标主要包含探测器响应的非均匀性校正(相对辐射定标)和建立相机输出信号值与输入辐射量的函数关系(绝对辐射定标)，前者是辐射定标的中间环节，后者是辐射定标的最终目标[12]。以下为环境减灾二号A/B卫星2台红外相机进行在轨绝对辐射定标精度数据。

2.4.1 B1～B6谱段

可见光短波红外谱段星上绝对辐射定标的精度受太阳辐射稳定性、太阳光角度测量误差、漫反射板双向发射函数测量误差、漫反射板均匀性、漫反射板在轨稳定性、系统杂散光、系统响应线性度、系统稳定性、电子学随机误差及指向镜反射率测试误差因素影响。B1～B6谱段星上绝对定标精度见表6。

表6 红外相机的B1～B6谱段星上绝对辐射定标精度分析Table 6 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B1～B6 spectral bands of infrared cameras %

对于太阳辐射的稳定性，已有气象部门和国家计量部门经过长期的观测和研究,认为太阳辐射的长期不确定性在1%以内[14]。针对定标时刻太阳角度误差进行分析，当太阳光与漫反射板法线呈35°天顶角入射漫反射板时，按小角度范围内双向发射函数可以认为是恒定值，入射天顶角测量误差引起的不确定度在0.61%以内；漫反射板双向发射函数值由中国计量科学研究院测量得到，其提供的测试报告表明，在可见光近红外和短波红外谱段测量的双向反射分布函数测量不确定度为1%；星上定标漫反射板非均匀性装星前优于0.5%。考虑入轨后可能产生的局部漫反射率变化，漫反射板均匀性估计在2%左右，在仪器内部设置漫反射板稳定性监视比辐射计，测量不确定度优于1.5%；系统响应线性度由探测器和测量系统决定，由响应线性度测得数据，按可见光近红外为0.87%和短波红外为0.91%进行计算；系统稳定性主要指定标期间的系统稳定性，主要受探测器、相机工作环境和外界温度场变化影响。本文按可见光近红外优于0.41%和短波红外优于0.24%计算；电子学随机误差主要是由探测器读出噪声、电路噪声引起的，信噪比测试结果均优于46 dB，这部分误差影响为信噪比的倒数，精度按可见光近红外小于1.87%和短波红外小于1.79%计算。结果显示：红外相机绝对辐射定标精度优于3.69%。

2.4.2 B7～B9谱段

中长波红外谱段星上绝对辐射定标精度受星上面源黑体的均匀性、稳定性、测温精度、发射率误差、发射率均匀性、发射率衰减、背景辐射非一致性、系统响应线性度、系统稳定性及电子学随机误差等方面的影响[15]。B7～B9谱段星上绝对定标精度见表7。

表7 红外相机的B7～B9谱段星上绝对辐射定标精度分析Table 7 Precision analysis of absolute radiometric calibration of B7～B9 spectral bands of infrared cameras K

对星上黑体使用面阵红外测温仪获取黑体在真空罐内的均匀性。经实测，星上黑体均匀性优于0.2 K。本文中的黑体温度稳定性按小于0.005 K(在3 min内)。黑体采用高精度测温电阻测温，16 bit数字量化，测温精度0.005 K。黑体发射率的均匀性主要由黑体表面状态和涂层决定。根据中国计量科学研究院的实测结果，黑体表面发射率为0.989±0.005。由此可算出黑体反射率误差对红外定标精度的影响优于0.02 K。发射率均匀性引入误差为B7谱段0.24 K、B8谱段0.42 K、B9谱段0.48 K，根据实验室真空测试结果可知，背景辐射非一致性误差对长波定标精度的影响优于0.04 K。根据红外相机辐射定标的相应非线性测量结果，B7谱段探测器响应非线性对测量精度的影响优于0.09 K，B8和B9谱段探测器响应非线性对测量精度的影响优于0.16 K。定标期间的系统稳定性，主要受相机工作环境和外界温度场变化的影响。中长波红外系统稳定性优于0.2 K。系统噪声引入误差主要是受红外相机噪声等效温差限制，噪声等效温差结果为B7谱段优于0.03 K，B8和B9谱段优于0.2 K。B7～B9谱段的绝对辐射定标精度均优于0.62 K。

2.5 在轨辐射定标评估特点

环境减灾二号A/B卫星红外相机采用的在轨相对辐射定标及在轨绝对辐射定标评估方法具有以下特点。

(1)通过前端指向镜实现成像/定标光路的迅速切换，配合全口径的漫反射板及变温黑体等星上定标设备，实现高频次的在轨全口径、全光路的全谱段辐射定标。

(2)通过卫星配合机动实现每次对日定标时刻太阳能量的一致性，并设置比辐射计在轨同步开展漫反射板反射率监测并对定标结果实时修正，大幅提升在轨辐射定标精度。

(3)对日定标时刻通过改变漫反射板角度实现多个可见光短波红外谱段能级定标，变温黑体定标结合高频次的冷空间定标实现多个热红外谱段能级定标，全谱段均可获得覆盖动态范围高低端的辐射定标系数，定标过程中消除了大气影响，定标精度更高。

3 红外相机在轨稳定性评估

红外相机在轨长期稳定的工作是服务我国环境及灾害监测领域的关键。红外相机采用高精度高稳定摆扫机构、深低温制冷、在轨自定标设备等核心技术，可实现幅宽超720 km的可见光短波红外至长波红外宽谱段信息获取，因此从在轨深低温控温性能、扫描机构与消角机构稳定性、在轨定标漫反射性能、信号稳定性评估多个角度综合评价红外相机在轨稳定性，具有极强的代表性。

3.1 在轨深低温控温性能评估

红外相机红外探测器采用分置式斯特林制冷机，将其制冷到50 K低温下工作，制冷机冷头温度和工作电流的稳定性决定了制冷机在轨工作状态的稳定性，本文给出了从2020年10月-2021年9月红外相机制冷机冷头温度和工作电流数据，结果见图3和图4。可以看出：制冷机在轨运行期间，冷头温度和工作电流稳定，反映了制冷机良好的工作状态，说明了2台红外相机在轨深低温控温性能良好。

图3 制冷机冷头温度在轨测试结果Fig.3 On-orbit test results of cold heads temperature of refrigerators

图4 制冷机电流在轨测试结果Fig.4 On-orbit test results of current of refrigerators

3.2 扫描机构与消角机构稳定性评估

红外相机主体上设置了扫描镜机构，用于实现相机穿轨方向上慢扫快回成像及在轨辐射定标指向。另外，设置消角动量机构与扫描镜同轴安装，利用反向转动消除扫描镜机构摆扫过程中产生的剩余角动量。

3.2.1 扫描机构的稳定性能评估

在对地扫描成像时，将扫描镜指向星下点时的角度定义为45°，在45°±15°范围内慢扫快回对地摆扫成像，扫描镜匀速扫描时间代表获取1帧穿轨图像所用帧时，扫描时间的稳定性直接决定了图像的配准和拼接精度，匀速扫描速度则体现出每次扫描过程中扫描镜转动的稳定性。本文给出了2020年10月-2021年9月扫描镜机构运行时的匀速扫描时间和匀速扫描速度，结果见图5和图6。可以看出：在近1年的工作时间内，扫描机构匀速扫描时间、匀速扫描速度数据稳定，一致性好，表明扫描机构在轨工作状态稳定。

图5 匀速扫描时间在轨测试结果Fig.5 On-orbit test results of uniform scanning time

图6 匀速扫描速度在轨测试结果Fig.6 On-orbit test results of uniform scanning speed

3.2.2 消角机构的稳定性能评估

红外相机扫描镜运转时产生的剩余角动量最高可达到0.064 2 kg·m2，为消除扫描镜摆扫时剩余角动量对整星姿态的影响，在红外相机上设置消角动量装置将剩余角动量限制到允许的范围内。该消角动量装置安装在扫描镜机构电机的另一侧，与扫描镜机构同轴布置，采用驱动电机带动不锈钢惯量盘同轴反向运转实现角动量的补偿；剩余角动量的稳定性直接反映了消角机构的运行状态。剩余角动量ΔL由式(1)计算。

ΔL=|ωs·Is-ωx·Ix·cosθ|

(1)

式中：ωs为扫描镜机构实测角速度；Is为扫描镜机构转动惯量(模型计算值为0.07 kg·m2)；ωx为消角机构实测角速度；Ix为消角机构转动惯量(模型计算值为0.002 3 kg·m2)；θ为扫描镜机构转轴和消角机构转轴的轴线夹角，考虑余量取最大值(如图7所示，扫描镜机构转轴和消角机构转轴的同轴度由同轴工装保证，该同轴工装两端与两轴的最大总间隙为0.05 mm，两轴端间隙为33 mm，因此两轴夹角θ的最大值为arcsin(0.05/33)=0.087°)。

本文统计了2020年10月-2021年9月获取的红外相机在轨剩余角动量数据，如图7所示。可以看出：环境减灾二号A/B卫星的2台红外相机剩余角动量数据稳定，一致性良好；消角机构在轨工作稳定。

图7 剩余角动量在轨测试结果Fig.7 On-orbit test results of residual angular momentum

3.3 红外相机在轨定标漫反射板性能评估

可见光近红外(B1～B6谱段)等反射通道的在轨辐射定标，通过太阳光与漫反射板组合，并配合卫星机动的方式实现。漫反射板在空间环境下的稳定性将直接影响红外相机在轨辐射定标结果及数据反演结果，需要红外相机具备在轨期间对其反射性能持续测试评估的能力[16]。

为了便于监测并修正因漫反射板衰减引入的定标误差，红外相机在星上设置比辐射计组件，以稳定已知的太阳为参照，通过对不同时间段漫射板的比对测量监测漫射板的反射率衰变，对漫射板性能及辐射定标计算公式进行实时修正[17]。比辐射计共设置4个通道，分别对应红外相机的B1，B2，B3，B5谱段。对日定标时刻，比辐射计通过电磁阀切换连续采集对日、对漫反射板信号，通过日板响应比例判断漫反射板衰减情况。

红外相机入轨以来，经过参数调优后于2021年3月与2021年6月开展了2次对日辐射定标工作。以2021年3月数据为基准，使用6月对日定标数据对漫反射板3个月内各谱段的衰减情况进行评估。2次对日定标的太阳天顶角均为52°，提取环境减灾二号A/B卫星辅助数据，取比辐射计的2次日地口比值，测试结果见表8。

表8 比辐射计2次定标日板比例因子测试结果Table 8 Results of scale factors of calibration plates in ratioing radiometers at two different times

环境减灾二号A/B卫星比辐射计存在一定差异，因此它们的日板比例因子略有不同。以2021年3月数据为基准，代入表9中各谱段漫反射板初始反射率，计算得到2021年6月各谱段反射率变化情况。由比辐射计结果可知：漫反射板各谱段内反射率在3个月内衰减轻微(最大约0.3%)。

表9 漫反射板4个谱段反射率在3个月内衰减情况计算结果Table 9 Calculation results of attenuation of reflectance for 4 spectral bands of diffuse reflector in 3 months

3.4 信号稳定性评估

为了对在轨期间红外相机信号稳定性进行评估，本文从环境减灾二号A卫星红外相机选取2021年2月5日和2021年6月25日的冷空间观测数据进行比对，环境减灾二号B卫星红外相机选取2021年3月19日和同年6月25日数据进行比对，比对结果详见表10。从表10中可以看出：环境减灾二号A/B卫星红外相机的图像暗电平数据稳定。

表10 红外相机暗信号比对Table 10 Comparison of dark signals of infrared cameras

对在轨B1～B6谱段，通过STK软件分别仿真2021年3月11日及2021年6月25日定标时刻的日地距离，求得日地距离修正因子为4.368%。同时，代入比辐射计获取的漫反射板衰减系数，求得3月和6月2台红外相机各谱段响应值，见表11。

表11 红外相机响应信号数据比对Table 11 Comparison of response signals of infrared cameras

考虑定标时刻红外相机指向精度及噪声等因素，误差在合理区间内。B7～B9谱段因参数调整完成后，只进行了1次黑体定标，缺乏长期比对的数据，因此本文未进行2台红外相机B7～B9谱段响应稳定性的评估。

4 结束语

环境减灾二号A/B卫星红外相机在2020年10月-2021年6月完成了在轨性能测试工作。2台红外相机B1～B9谱段实测幅宽、空间分辨率均优于指标；各谱段垂轨和沿轨方向配准精度均优于指标要求的0.3像元；2台红外相机各谱段的在轨实测MTF值均优于0.25。在轨辐射特性的方面，2台红外相机B1～B6谱段的信噪比、B7～B9谱段的探测灵敏度均优于指标要求，红外相机相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度均优于指标要求。最后，利用在轨实测数据对2台红外相机在轨1年的工作稳定性进行了测试评估。结果表明，2台红外相机的制冷机、扫描机构与消角机构等在轨工作正常稳定；在轨运行期间辐射响应信号变化百分比优于0.7%，信号稳定性良好。