红外甚高光谱分辨率探测仪高精度在轨光谱定标

红外甚高光谱分辨率探测仪(AIUS)是高分五号(GF-5)卫星的主要载荷之一,它通过太阳掩星观测实现多种大气痕量气体垂直分布信息的获取,准确的光谱定标是其数据定量反演的关键和基础。针对AIUS超高的光谱分辨率、无配套星上光谱定标设备的问题,提出基于大气吸收特征谱线的多谱线线性拟合算法,通过多普勒频移修正、多谱线筛选、准确谱峰位置确定等关键技术提高其在轨光谱定标精度,并在GF-5卫星成功发射后,围绕AIUS开展了一系列的光谱定标和精度分析工作。结果表明:该方法可实现AIUS的高精度光谱定标,MCT和In Sb通道的平均谱峰绝对偏差分别为0.004 37cm~(-1)和0.003 89cm~(-1),均小于痕量气体反演应用要求的0.008 cm~(-1)。     

“高分五号”卫星光学遥感载荷的技术创新

介绍了高分五号卫星上由北京空间机电研究所研制的两台载荷的性能和技术先进性。其中，大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪具有光谱分辨率高、太阳跟踪精度高、光谱定标精度高的技术特点。全谱段光谱成像仪具有谱段范围宽、空间分辨率高、辐射定标精度高的技术特点。与国内外同类载荷相比，两台载荷都达到了国内领先、国际先进的技术水平，使我国在空间高光谱分辨率和高精度观测能力上有了大幅提升。对两台载荷的技术先进性进行了分析，并给出了相关测试结果。最后，展望了后续多种高光谱载荷的发展方向。     

温室气体监测仪星上光谱定标及不确定度分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759~2058 nm波段大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础,在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算,进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响,该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。     

基于中阶梯光栅的光谱定标装置设计方法

针对紫外-可见光波段高光谱成像仪光谱定标装置的设计进行研究,论述了中阶梯光栅的光学原理,根据光谱定标原理,利用中阶梯光栅工作角度大、衍射级次高、光谱分辨率高的优点,建立了基于中阶梯光栅的光谱定标装置,提出了基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计方法。以大气探测卫星Aura 上所搭载的臭氧观测仪为例论述了光谱定标装置的设计过程,仿真分析了光谱定标装置带宽对光谱定标精度的影响,给出了衍射级次、光谱分辨率、平行光管焦距等光谱定标装置主要性能参数的设计计算方法,为基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计提供了依据。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪数据的定标处理与存储方式研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪搭载于太阳同步轨道卫星,用于获取紫外至可见波段的高光谱遥感数据,可定量监测全球痕量气体分布、变化及输运过程。为满足大量实时遥感数据的读写功能,并实现载荷数据的快速有效查找与读取要求,选择HDF5数据格式存储大气痕量气体差分吸收光谱仪获得的遥感数据。为测试数据的有效性,基于载荷在实验室获取的0级测试数据,通过暗背景扣除、增益修正、光谱定标与辐射定标等处理,获得1级遥感数据,并将其成功写入HDF5文件中,从而为载荷入轨后的处理提供数据支持。     

FY-3A中分辨率光谱成像仪红外通道辐射定标的场地评估

对比分析了基于场地观测数据模拟的和FY-3A 中分辨率光谱成像仪(MERSI)红外通道星上定标观测卫星入瞳亮温值。主要的场地观测数据来自于2008、2009年青海湖以及2010年敦煌外场同步观测和2008、2009年青海湖浮标观测。利用光学仪器的同步观测数据共有7组有效结果,两年的青海湖有效浮标数据一共18组。通过对比分析发现,MERSI观测结果基本都在夜间低于浮标同步观测结果,而白天偏高。综合与场地同步和浮标的对比结果发现,MERSI星上定标观测亮温值系统性偏高于基于场地观测数据模拟的亮温值,平均偏高1.721.18 K。MERSI星上定标观测亮温值的系统性偏高可能主要由星上黑体发射率未经过修正引起。     

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.     

滤光片分光型高光谱相机发展现状及趋势（特邀）

高光谱相机可将成像技术与光谱探测技术相结合,在对目标空间特征成像的同时,可以对每个空间像元形成多个窄波段实现连续的光谱覆盖,不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。与传统的空间二维成像相比,高光谱相机可以同时获取目标的空间和光谱信息,在一定的空间分辨率下,能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱,对地物的精准识别和探测具有显著优势,目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段,在农、林、水、土、矿等资源调查与环境监测等领域具有重要的应用价值。随着滤光片镀膜技术的飞速发展,极大地促进了滤光片分光型高光谱相机的研制,目前基于滤光片分光原理的高光谱相机以大幅宽、高空间分辨率、高光谱分辨率和轻小型的优势成为高光谱遥感载荷的重要组成部分,在微纳卫星高光谱星座组网中获得广泛应用。主要对滤光片分光型的高光谱相机进行了综述,介绍了国内外典型滤光片分光型星载高光谱成像载荷,以及地面在研的滤光片分光型高光谱成像系统,并分析了这些系统的技术方案、性能指标及应用前景,阐述了基于滤光片分光原理的高光谱相机的技术特点和优缺点,最后展望了滤光片分光型高光谱相机的发展趋势。     

大气痕量气体差分吸收光谱仪地面数据评价软件设计

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。     

AOTF的高光谱成像光谱仪的辐射定标技术

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的高光谱成像光谱仪不同于传统的成像光谱仪,它利用声光调制的分光原理,在像面上得到空间信息和任意一个波段的光谱信息.但由于其分光原理和分光器件自身性能的特殊性,辐射定标的方法尚不成熟,辐射定标技术的精度和长期稳定性不能满足遥感应用的更高要求.结合AOTF高光谱成像光谱仪自身的性能和对辐射定标的要求,提出了基于探测器的定标方法和改进的数据处理算法,并对辐射定标的精度进行了分析.实验结果表明:定标后的成像光谱仪能够真实地反映地物目标的信息,有效地提高了成像光谱仪的信息定量化水平.     

机载热红外高光谱成像仪的光谱性能测试与初步应用

介绍了机载热红外高光谱成像仪样机的低温光谱仪设计特点,为了检测系统的光谱识别能力,在实验室开展了详细的光谱性能测试。为满足气体探测对超高光谱精度的需求,提出了采用CO₂激光器结合高精度单色仪的方法应用于色散型高光谱成像系统。在实验室对氨气气体进行了准确的红外吸收光谱测试,表明系统可用于气体探测及识别。在此基础上,开展了飞行试验,应用结果表明热红外高光谱可以有效开展城市典型建筑物分类、工业化学气体排放种类和形态监测等应用,特别是后者是目前其它光学遥感手段尚不具备的。以上研究和试验结果表明机载热红外高光谱成像仪已经具备了业务应用能力,后续将在仪器辐射定量化精度的提升方面进一步开展研究工作。     

可见近红外、短波红外超光谱成像仪在轨数据处理技术研究

分析了天基可见近红外、短波红外超光谱成像仪的数据特征,提出了一种用于可见近红外、短波红外超光谱成像仪的在轨数据处理系统.重点介绍了星上定标及非均匀性校正、星上数据压缩等算法.超光谱成像仪在地面定标的基础上进行星上辐射和光谱定标,用基于定标和基于场景两种方法对图像数据做非均匀性校正.星上数据去噪及压缩采用基于小波变换的方法,去噪后的数据用3D-Tarp算法压缩.该系统设计既考虑了算法的有效性,又考虑了恶劣的星上环境对时间、功耗等指标的限制,在尽量少损失信息的情况下,能有效去除噪声,提高信噪比,减少星上存储和下传的数据,提高图像质量.     

Hα太阳空间望远镜热设计

Hα太阳空间望远镜具有对日光谱成像及全日面成像功能,具有多功能、高度集成化的特点。它位于卫星载荷舱内,在轨姿态多变,并且具有连续观测的工作模式,焦平面组件及电单机工作热环境苛刻,对热设计提出较高要求。通过星载一体化设计及相机结构合理布局,在卫星舱板靠近相机处预留辐射散热通道,合理设计散热面将工作热耗快速导出,保证各部组件温度满足指标要求。搭建热平衡试验平台,对高低温工况下的热分析和热平衡试验及在轨数据进行对比,同一工况下各电单机最大温差≤4℃,对热设计的正确性进行了验证。保证了Hα太阳空间望远镜在复杂空间环境下的正常工作,对此类空间太阳望远镜热控设计具有一定的借鉴意义。     

导航卫星有效载荷在轨测试系统设计研究

导航卫星有效载荷在轨测试是卫星入轨后的重要试验,通过在轨测试实现对导航卫星运行状态的全面检测。在轨测试系统可以全面模拟地面运行控制系统的功能,是检验导航卫星功能和性能指标的专用测试设备。针对导航卫星的工作原理对有效载荷的构成进行了简要介绍,根据被测对象,提出了在轨测试系统的设计方案,描述了系统设备组成及各设备的功能特点,并对在轨测试系统中的关键技术的实现进行了分析。     

基于天宫一号高光谱成像仪的替代光谱定标方法精度对比分析

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结果表明:基于三景图像的非同步替代光谱定标结果相近,差异小于0.2 nm,标准差小于0.11;同步和非同步两种替代光谱定标结果差异小于0.3 nm;以星上定标结果为基准,两种替代光谱定标方法的误差分别为0.384 nm和0.489 nm,二者差异较小.可见,可采用非同步替代光谱定标方法对高光谱成像仪进行高频次的光谱定标.     

基于相关光子宽谱段自校准辐射基准源的定标新方法

针对我国空间科学的未来发展和应用需求,以及目前星上定标和在轨定标方法的局限性,提出一种基于自发参量下转换效应的自校准宽谱段（450~1500 nm）辐射基准源设计方案。该辐射基准源系统主要由宽波段参量下转换、观测与自校准复用光路、多路光子计数与符合探测、信号采集与测量控制等4个主要功能模块构成。辐射基准源兼有星上自校准和自主观测功能,能够在不依赖于外部基准的条件下实现高精度的自校准,保障对地高精度观测,为其他卫星有效载荷提供高精度的量值传递标准。     

航天高光谱成像技术研究现状及展望

自1997年8月23日首颗高光谱卫星LEWIS发射以来,航天高光谱成像技术走过了15年的路程,我国在该领域的技术也取得了跨越式的发展。当前我国正按照国家中长期科技规划,努力构建下一代高分辨率对地观测系统,深入全面地总结过去若干年的航天高光谱成像技术发展情况,并分析发达国家的发展计划,对制定我国的航天高光谱成像技术发展战略具有重要意义。从当前的主流高光谱分光技术、应用情况和发展趋势三个方面进行了全面的分析总结,认为民用高光谱成像系统应该朝着宽幅、定量化和应用细分的方向发展;军用高光谱成像系统的发展重点应该是高空间分辨率、宽波段以及快速信息处理技术。