星载高光谱成像载荷发展及关键技术

星载高光谱遥感技术可通过光谱特征对地物进行大范围快速精细识别,在自然资源勘查、生态环境保护、精细农业、碳排放监测和地表异常即时探测等方面有着广阔的应用前景。自20世纪80年代初期美国NASA研制出第一台机载高光谱成像仪以来,高光谱成像技术的研究发展日益得到重视。与机载高光谱载荷相比,星载高光谱载荷的研制难度大幅增加,但其全球范围快速探测识别的巨大应用价值,成为国际上竞相攻克的科技制高点,也是人类探测地球感知万物的重要手段。我国高分五号卫星的成功发射,使国际上星载高光谱成像技术的水平达到了一个新的高度,在助力碳排放、土壤有机质、土壤重金属污染、水质微量污染和大范围地球深部找矿等应用方面产生诸多突破。本文回顾了星载高光谱载荷技术的发展历程,总结了星载宽谱宽幅高光谱载荷的要点、关键技术及应用情况。结合团队在该领域多年实际开展的工作,凝炼提出了静止轨道高光谱、荧光超光谱和高光谱即时遥感探测几个重要发展方向及其关键技术,为星载高光谱载荷研究工作的重大发展提供一些重点有益的参考。

星载低温光学系统热控设计与飞行验证

星载长波红外相机工作时需要将整个光学系统的温度降低至-20℃以下,以减少背景红外辐射的影响。在弱导热连接结构设计的基础上,研制了Ω型柔性遮阳装置,通过直接辐冷方式实现了光学系统的低温设计;研制了鸟笼式三维导热带,实现了主镜筒的均温设计。作为国内首个在空间领域应用的低温光学系统随实践九号B星进行了在轨飞行试验,结果表明,整个光学系统温度可长期保持在-35℃~-20℃,主镜筒圆周温度差小于4℃。该热控设计方法简单有效,可以为类似星载红外光学系统的热设计提供参考。

实用型模块化成像光谱仪

介绍研制的一种先进的光机扫描光谱成像仪 ,即实用型模块化成像光谱仪 (OMIS) .它具有 12 8个波段 ,覆盖了从可见光到热红外的光谱范围 ,可应用于地质、农业、林业和海洋等领域 .全面介绍了OMIS的系统设计及其整体性能 。

资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机研制

高光谱技术获取的地物观测数据可应用于精细化的地物分类。文章论述了资源一号02D卫星上的主载荷之一可见短波红外高光谱相机(AHSI)的基本结构、成像原理和技术特点。通过在轨测试验证了该相机的主要性能指标,相机光谱范围覆盖可见到短波红外(400~2500nm),实现了可见近红外10nm、短波红外20nm的光谱分辨率,可以以30m空间分辨率获取地面60km幅宽的高光谱图像,具有突出的地物分类和识别能力,在国土资源和地质矿产调查,生态环境以及灾害监测,农、林、牧业精细作业,城市规划等领域具有良好的应用前景。

环境减灾-1B卫星红外相机的研制

红外相机是环境减灾-1B卫星上的主要载荷之一,具有近红外、短波红外、中波红外和长波红外4个探测谱段,幅宽720km、地面像元分辨率150m/300m,主要用于自然灾害、环境污染等的监测、预报、评估。红外相机的研制中,解决了高精度双面镜扫描及其定标、弱信号高增益放大及载荷轻小型化等关键技术,成功应用了多元红外探测器和空间斯特林制冷技术,中波红外和长波红外通道共用一个光路,集成到一个焦面上,由同一台斯特林制冷机制冷。其中中波红外和长波红外通道相结合,具有200～500K的大动态范围,提高了对地物热特性和火灾监测的能力。自2008年9月卫星发射以来,红外相机运行稳定,各项指标达到了研制要求,在雪灾、旱灾、火灾和秸秆焚烧、水体污染等环境灾害监测方面有较高的应用价值,已分别纳入到民政部和环保部的卫星减灾、环境监测业务化系统。

45°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹分析

在光学反射矢量理论基础上 ,对于航天航空用多光谱成像仪 4 5°镜多元探测器并扫成像特性和扫描轨迹进行了分析 ,给出了 4 5°镜反射作用矩阵、4 5°镜多元探测器并扫成像的物像关系和像旋计算公式 ,及其对应的地面扫描轨迹理论计算公式。

“高分五号”卫星可见短波红外高光谱相机的研制

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。

可见短波红外高光谱相机有效载荷观测能力及应用前景

高分五号卫星上的主载荷之一——可见短波红外高光谱相机(AHSI)是国际上首个采用改进型Offner结构凸面光栅分光的星载高光谱相机,以60km幅宽、30m空间分辨率和5~10nm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,具有突出的地物探测和识别能力。通过地面测试与在轨测试验证了该相机的主要性能指标。与国际上经典的高光谱相机相比,该相机幅宽提高8倍,光谱数增加近百个,信噪比提升近4倍;与德国、日本、意大利等国家高光谱相机比较,AHSI在幅宽和光谱通道数等方面具有明显优势,其综合性能指标处于国际领先水平。该相机将为遥感应用如生态环境监测,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,城市规划等中的许多关键问题提供解决方案。

资源一号02D卫星高光谱相机在轨性能及稳定性评估

为了评估资源一号02D卫星可见短波红外高光谱相机(AHSI)在轨运行模式下的性能和稳定性,在2019年10月—2020年6月期间进行了在轨调试和测试工作。根据AHSI相机的在轨指标测试内容,全面评价了相机的光谱性能、辐射性能、几何性能。此外,卫星运行一周年之际,还对相机运行的稳定性进行了评估,全面分析了传感器状态稳定性、相机噪声特性稳定性。结果表明,AHSI在轨各项系统性能指标良好,符合相机研制技术要求,且在轨运行稳定性良好。

利用温度和植被指数进行地物分类和土壤水分反演

首先利用地物表面温度和植被指数 ,成功地对北京精准农业示范区内生长旺盛小麦、稀疏小麦、池塘水体、水草、淤泥和裸露土壤等 6种地物进行了分类 .其次 ,利用地物表面温度 (LST)和归一化植被指数 (NDVI)作为坐标系 ,建立LST—NDVI三角形分布的散点图 ,分析了散点图的地物特征分布及其物理意义 .与植被的红外和近红外两个特征波段构造的散射图相比 ,同类样本的离散度更小 ,不同类别样本之间的距离更大 .最后 ,提出了植被指数—表面温度的土壤水分反演模型 ,结合地面采样数据 。

基于高光谱图像特征提取与凸面几何体投影变换的目标探测

在介绍凸面几何体概念和高光谱图像光谱线性模型的基础上,探讨了凸面几何体和高光谱图像的关系.提出了在光谱特性提取的基础上利用凸面几何体投影变换进行高光谱图像目标探测的方法,并成功地应用于亚运村建材市场屋顶板材和亚运村中心地区真假草坪的自动识别和探测中.试验证明该方法不需要探测目标的任何先验知识就能达到比较好的目标探测效果.同时试验还表明,由于高光谱图像波谱范围宽,特别是有短波红外、中红外和热红外范围的图像,不仅增加了地物的可分性,而且为探测地物物理性质提供了可能.

脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究

时间间隔的测量精度对脉冲激光测距系统的测量精度起决定作用.为此研制了一高精度时间间隔测量模块,该模块基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,最大测量时间可高达200m s,测时分辨率最高可达125ps,对应测距分辨率18.75mm,适用于远距离的测量.给出了硬件和软件设计方法以及模块的测试结果.

红外焦平面器件二点多段非均匀性校正算法研究

分析了红外焦平面探测器的非均匀性机理和各种非均匀性校正算法 ,提出两点多段非均匀性校正算法 ,该算法避免了二点校正算法的低精度和多点校正算法的大运算量 .在红外多谱段相机上的应用结果表明二点多段非均匀性校正算法具有运算量小、精度高、实用性强的优点 .

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8,°相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75%,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60%.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.

航天遥感反射式光学系统设计

航空遥感光学系统与一般光学系统相比,具有长焦距,大口径,宽波段等特点,因此反射式光学系统得到了广泛的应用。分析了最常用的两镜反射系统和三镜反射系统,用初级像差理论分析了同轴两反RC系统,同轴三反系统的设计方法,指出了各种常用系统的适用范围,给出了具体的设计步骤。

空间目标红外辐射谱测量系统

研究空间目标的红外辐射谱,对于识别空间目标、监视空间碎片、保障卫星运行等空间安全问题有重要意义。针对典型空间目标红外辐射特性,分析了最大可探测距离、系统温度分辨能力以及它们之间的关系,设计出一套中、长波相结合,实时监视并跟踪空间点源目标的红外辐射谱测量系统。在实验室条件下进行了模拟测量,结果表明系统效果良好。

高稳定度步进电机驱动电路设计

介绍了一种采用细分技术的高精度、高稳定度的步进电机驱动电路,其以EPROM与FPGA为核心器件构成环形分配器,采用升频启动,电机根据升频曲线从启动状态平稳地过渡到工作状态。实验结果表明,电机按该驱动方案工作时,可以获得很高的周期稳定性。

二次成像中波红外折射衍射光学系统设计

中波红外(3～5μm)在航天遥感中有着重要的应用。由于背景辐射的影响,中波红外光学系统一般要求达到100%冷光阑效率。在航天应用中由于系统轻量化的要求,同时要求光学系统的设计尽可能简化。光学技术的发展,使得光学设计可以利用非球面,二元光学衍射面等,获得更多的自由度,对成像光学系统的像差进行有效的校正。利用三个光学元件,设计出波段范围3～5μm,口径200 mm,F/2.5的二次成像光学系统。系统由主光学卡塞格林系统加中继系统组成。中继系统由一片硫化锌透镜组成,成像质量达到衍射极限。

320×256短波红外焦平面温控系统设计与应用

针对碲镉汞红外焦平面需要在恒定低温条件下工作的要求,设计并实现了基于热电制冷技术的红外焦平面温控系统。该温控系统具有体积小、响应速度快、可控性好及温控精度高等特点,满足设计要求。实验结果表明,该温控系统可使短波红外焦平面在195K时长期稳定工作,温控精度优于0.1℃,焦平面暗电流及噪声水平均有明显改善。