高光譜成像衛(wèi)星發(fā)展研究

高光譜成像技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，通過成像技術(shù)和光譜技術(shù)集成，對目標(biāo)進(jìn)行空間成像同時(shí)，完成光譜信息采集，獲取目標(biāo)“指紋特征光譜”，建立三維數(shù)據(jù)庫，通過納米級(jí)差異光譜分析，對特征波段差檢測，將不同光譜通道的地物空間幾何特性和光譜特性多維融合，從信號(hào)層實(shí)現(xiàn)地物光譜采集、異常災(zāi)害檢測和偽裝隱身目標(biāo)識(shí)別，在農(nóng)林普查、環(huán)境保護(hù)、淺海及近海岸基探測、地質(zhì)資源勘探和國防建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
美國利用近二十年時(shí)間完成高光譜技術(shù)的機(jī)載應(yīng)用驗(yàn)證和星載在軌運(yùn)行，目前已初步建成基于高光譜成像探測的遙感衛(wèi)星體系，國際上在2000年前后興起高光譜成像衛(wèi)星發(fā)展熱潮，俄、印、德、法和日本等國都已具備不同程度的研制和發(fā)射高光譜衛(wèi)星能力。隨著光電探測器、星載存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)發(fā)展，高光譜衛(wèi)星將為光學(xué)衛(wèi)星發(fā)展迎來新的發(fā)展機(jī)遇。為此，文中圍繞高光譜偵察衛(wèi)星技術(shù)體制、在軌現(xiàn)狀、典型工作模式和未來主要發(fā)展方向進(jìn)行了綜述。

1 高光譜成像衛(wèi)星技術(shù)體制研究
根據(jù)分光方式不同，高光譜成像衛(wèi)星可分為干涉體制和色散體制。基于干涉信息獲取途徑不同，可分為時(shí)間調(diào)制、空間調(diào)制和時(shí)空聯(lián)合調(diào)制三種類型。時(shí)間調(diào)制型在同一時(shí)刻收集地物目標(biāo)點(diǎn)輻射單一光程差信息，通過動(dòng)反射鏡時(shí)間積分完善干涉信息；空間調(diào)制型同一時(shí)刻采集單點(diǎn)地物目標(biāo)點(diǎn)輻射所有干涉信息，通過空間掃描完善二維空間光譜輻射；時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型通過面陣成像獲得目標(biāo)某一光程差處干涉信息，通過平臺(tái)推掃完善全部視場干涉圖。上述體制本質(zhì)是通過獲得地物輻射信息，在不同光程差處的光場疊加強(qiáng)度，形成干涉條紋，通過計(jì)算光學(xué)反演目標(biāo)光譜和任意通道空間信息。基于分光介質(zhì)不同，色散體制可分棱鏡色散和光柵色散型兩類。圖1所示為三種典型分光體制高光譜載荷分光原理圖。

圖1 不同分光體制高光譜載荷分光原理圖

干涉型載荷在探測器上成像是干涉條紋，無法直接成像，且數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)傳輸復(fù)雜；棱鏡色散型載荷結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化，但光譜分辨率不高；光柵色散型載荷可實(shí)時(shí)成像，光譜分辨率高，且體積小、質(zhì)量輕。不同分光體制的高光譜載荷性能各異，在不同應(yīng)用領(lǐng)域互有優(yōu)勢。美歐等國早期就發(fā)展了干涉分光、棱鏡色散分光、光柵色散分光等多種技術(shù)體制高光譜成像衛(wèi)星，2000年7月19日，美國發(fā)射強(qiáng)力星-II搭載FTH?SI高光譜載荷，實(shí)現(xiàn)首顆干涉體制高光譜衛(wèi)星在軌運(yùn)行；同年10月22日，歐空局發(fā)射PROBA小衛(wèi)星搭載CHRIS棱鏡色散型多光譜成像偵察載荷在軌運(yùn)行，2001年11月21日，美國發(fā)射EO-1搭載Hy?perion高光譜載荷，實(shí)現(xiàn)首顆光柵色散體制高光譜衛(wèi)星在軌探測。對比不同體制高光譜載荷優(yōu)劣勢，美國空軍認(rèn)為就星載高光譜偵察載荷方面，光柵分光體制最適合星載應(yīng)用。基于此，2004年啟動(dòng)的Tacsat-3戰(zhàn)術(shù)指揮高光譜偵察衛(wèi)星選擇了Offner凸面光柵分光體制。圖2所示為三種典型高光譜偵察衛(wèi)星及載荷分光光路圖。

Tacsat-3于2009年5月18日成功發(fā)射，在軌工作兩年，光譜覆蓋0.4~2.5μm，共有超過400個(gè)光譜通道，空間分辨率4m。Tacsat-3的成功應(yīng)用，加速推動(dòng)了光柵分光技術(shù)體制應(yīng)用進(jìn)程，使其在以后的至少20年一直被廣泛應(yīng)用在高光譜衛(wèi)星領(lǐng)域，后續(xù)發(fā)射COIS、CRISM、M3等以及計(jì)劃發(fā)射的高光譜衛(wèi)星全部采用該技術(shù)體制。

2 國外高光譜偵察衛(wèi)星現(xiàn)狀
經(jīng)過21世紀(jì)初的大面積驗(yàn)證，星載高光譜技術(shù)在軍民檢測及監(jiān)控領(lǐng)域能力被普遍認(rèn)可。受限于探測器硬件規(guī)模、電子學(xué)處理及遙測能力，近15年內(nèi)高光譜衛(wèi)星發(fā)射基本處于停滯狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙了高光譜偵察衛(wèi)星發(fā)射和實(shí)際應(yīng)用。但該項(xiàng)技術(shù)一直是各國研究重點(diǎn)，近幾年，隨著光學(xué)及電子技術(shù)進(jìn)步，高光譜成像衛(wèi)星迎來第二輪發(fā)展熱潮，發(fā)射計(jì)劃逐步增多，圖3所示為部分典型退役、在軌服役和計(jì)劃發(fā)射高光譜衛(wèi)星信息。

近3年內(nèi)共有7顆衛(wèi)星發(fā)射，未來5年內(nèi)還至少有十余顆發(fā)射。其中，光柵分光技術(shù)體制被認(rèn)為是最適合星載高光譜應(yīng)用，占現(xiàn)役衛(wèi)星95%以上。2.1典型在軌高光譜成像衛(wèi)星2018年6月29日，由美國和德國共同研制的DE?SIS高光譜成像載荷搭載SpaceX火箭發(fā)射到國際空間站（ISS），用于在可見光范圍對地光譜精確遙測。其工作波段為400~1000nm，光譜分辨率為3.3nm，受平臺(tái)姿態(tài)影響，在400km軌道高度對地成像空間分辨率為24.7~32.6m，幅寬25.3~33.4km。圖4所示為DESIS高光譜成像衛(wèi)星示意圖。