張鏡洋常海萍陳衛(wèi)東康國華沈為民

（1南京航空航天大學，南京 210016）

（2蘇州大學現(xiàn)代光學所，蘇州 220019）

1 引言

超光譜成像系統(tǒng)（HSI）利用物質(zhì)的“指紋光譜特性”，可以實現(xiàn)光譜異常檢測、目標定位和目標識別等功能[1]。在航天遙感領(lǐng)域，星載超光譜系統(tǒng)已成為諸多學者研究的焦點，該系統(tǒng)對實時發(fā)現(xiàn)目標、識別目標具有重大的軍事戰(zhàn)略意義，但目前星載超光譜系統(tǒng)在實時性、海量數(shù)據(jù)處理和傳輸技術(shù)以及像元分辨率等關(guān)鍵問題上還有待進一步突破。小衛(wèi)星因其在中低軌應用的獨特性，于近年來走紅太空，具有姿軌狀態(tài)機動靈活、可組成星座及編隊飛行的應用特點[2-3]。資料顯示利用小衛(wèi)星平臺與超光譜遙感器結(jié)合，將成為實現(xiàn)實時光譜探測和目標識別的空間遙感系統(tǒng)的有效途徑[4]。本文在概括超光譜成像系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢和技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，探討了利用小衛(wèi)星姿軌狀態(tài)靈活機動和可組成分離異構(gòu)星座的特點，解決星載超光譜成像系統(tǒng)的實時性、海量數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題的技術(shù)途徑，并著重對研制適應小衛(wèi)星平臺的輕小型超光譜成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，為建立我國的空間“光學實時光譜識別系統(tǒng)”（Optical Real-time Adaptive Signature I-dentification System，ORASIS）提供參考。

2 星載超光譜系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢

超光譜成像技術(shù)是將成像與光譜探測技術(shù)相結(jié)合，獲得目標的二維空間信息和一維光譜信息，其光譜分辨率 在10nm左右，其波段數(shù)較之多光譜成像大一個數(shù)量級，可達上百乃至幾百個波段。與多光譜成像相比，超光譜成像的最大特點是能夠?qū)⒛繕说墓ぷ鞴庾V區(qū)進行精細劃分（如圖1所示），利用目標的光譜分布特征，準確的識別物質(zhì)成分。

自1987年NASA主持研制的機載超光譜系統(tǒng)AVIRIS首次對太陽光譜進行探測（如圖2）以來，超光譜成像系統(tǒng)逐步在城市規(guī)劃、氣象和環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)探測等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用，尤其在軍事領(lǐng)域，超光譜系統(tǒng)已成為軍事行動中的“火眼金睛”。首先，超光譜成像系統(tǒng)的識別能力，可以根據(jù)目標與偽裝材料不同的光譜特性，從偽裝的物體中發(fā)現(xiàn)目標，如1993年美國的JMSP系統(tǒng)在導彈發(fā)射現(xiàn)場成功識別了真假目標；其次，超光譜成像系統(tǒng)的物質(zhì)分辨能力，可以通過對土壤的光譜探測，提高軍事行動的交通分析能力，可用來調(diào)查武器生產(chǎn)，采集工廠生產(chǎn)產(chǎn)生的煙霧，判定工廠生產(chǎn)的武器類型；超光譜系統(tǒng)的光譜識別能力在海軍作戰(zhàn)應用中的作用尤為突出，探測海水的透明度、海洋深度、水下危險物、海流、油泄漏、海底類型、海洋大氣能見度、潮汐、生物發(fā)光、海灘特征、大氣中水汽總量及次見度卷云等圖像數(shù)據(jù)，這些對海軍近海作戰(zhàn)十分有用；此外，超光譜成像技術(shù)還可以用于反潛，2003年10月，美國海軍用“瀕?？胀豆庾V傳感器LASH”在日本周邊海域進行探測潛艇試驗，該系統(tǒng)通過探測潛艇的熱尾跡確定潛艇位置，此次試驗的成功成為反潛史上的革命?？梢钥闯?，超光譜成像系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域應用意義重大，未來前景非常廣闊。

圖1 多光譜與超光譜成像原理比較

圖2 AVIRIS的224波段超光譜數(shù)據(jù)立方

隨著分光技術(shù)、面陣探測器陣列、多輸出電路等關(guān)鍵技術(shù)的突破，超光譜遙感已得到蓬勃的發(fā)展。迄今為止，世界上已有50余套超光譜成像系統(tǒng)在運行。目前絕大多數(shù)的超光譜成像系統(tǒng)為機載型，星載超光譜系統(tǒng)的應用于近年來嶄露頭角，因其對探測目標的全局性和無空域限制的特點，受到當前世界各大國的極大重視，均支持發(fā)展了相應技術(shù)項目，如美國NASA的Lewis小衛(wèi)星上的SSTI-HSI、強力小衛(wèi)星上的FTHSI、美國海軍研究辦公室（ONR）的NEMO小衛(wèi)星上的HRST、SMIFTS等，歐空局的PRISM計劃、意大利的VISM計劃，還有加拿大、德國、澳大利亞、日本等國家也都深入開展了星載超光譜成像技術(shù)的研究和技術(shù)試驗[5]。我國大多數(shù)星載超光譜成像系統(tǒng)還處于技術(shù)試驗和應用驗證階段，如北京空間機電研究所的海洋水色成像儀，長春光機所的高分辨率成像光譜儀，西安光機所的無動鏡干涉成像光譜儀等原理樣機。“亞太多任務試驗小衛(wèi)星”SMMS搭載了我國自研的近紅外波段超光譜載荷[6-7]。表1列舉了國內(nèi)外典型的星載超光譜系統(tǒng)及其關(guān)鍵參數(shù)。

當前，軍事應用緊迫需求遙感系統(tǒng)對目標探測的實時性。實現(xiàn)地面目標的實時光譜探測和識別，才能適應戰(zhàn)爭的突發(fā)性和戰(zhàn)局的瞬息萬變，發(fā)揮超光譜遙感器的最大應用潛力。美國海軍研究辦公室（ONR）與海軍實驗室（NRL）設(shè)計的HRST超光譜遙感項目和美國航空航天局（NASA）的開創(chuàng)計劃（SSTI-HIS）項目，都是以建立“光學實時光譜識別系統(tǒng)”（ORASIS）、實現(xiàn)實時場景特征提取和海量數(shù)據(jù)管理為目標，并計劃將其應用到地面和海洋目標偵查中[5]。2009年發(fā)射的ARTEMIS攜帶的超光譜載荷就是以實現(xiàn)對地面目標光譜探測的高覆蓋和高重訪為目標。ORASIS成為星載超光譜成像系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，但是由于超光譜遙感數(shù)據(jù)量比多光譜要大2～3個數(shù)量級，且隨著光譜分辨率和探測光譜范圍的提高，數(shù)據(jù)量呈量級化地激增，這對焦平面探測器的規(guī)模、對地探測范圍和探測精度提出了挑戰(zhàn)，ORASIS的實時探測，數(shù)據(jù)實時處理、壓縮和系統(tǒng)管理，星地間海量數(shù)據(jù)的實時傳輸以及全面的光譜數(shù)據(jù)庫建立等問題亟待解決[8-9]。NASA的“開創(chuàng)計劃”就借助于小衛(wèi)星平臺技術(shù)進行了實時星載超光譜系統(tǒng)的實驗，并取得了不錯的效果。

表1 國外典型的星載超光譜成像系統(tǒng)

3 基于小衛(wèi)星的超光譜成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

最近15年中，全世界發(fā)射各種類型的小衛(wèi)星千余顆，占同期發(fā)射航天器總數(shù)的1/3強。國內(nèi)小衛(wèi)星平臺已有多家單位研制，如北京東方紅衛(wèi)星研究所、上海微小衛(wèi)星工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學、南京航空航天大學等。小衛(wèi)星如此走紅，皆因其在中低軌（MEO和LEO）應用中有著獨特的優(yōu)勢，如：機動靈活的姿軌狀態(tài)、可組成星座和編隊飛行、分離異構(gòu)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式處理和實時對地通信。小衛(wèi)星這些應用特點和技術(shù)優(yōu)勢恰好與建立ORASIS的需求相吻合，將小衛(wèi)星平臺與超光譜成像遙感器相結(jié)合，將是建立實時星載超光譜成像系統(tǒng)的有效途徑。其組成的技術(shù)方案如圖3所示，思路參照組建小衛(wèi)星星座的技術(shù)路線，具體為：1）整個網(wǎng)絡可采用改進Iridimu系統(tǒng)控制星間通信和星地通信，主要包括控制和遙測指令的上下行，數(shù)據(jù)的星間和星地傳輸，系統(tǒng)采用自適應控制模式，自動根據(jù)目標位置和指令要求進行任務分解和數(shù)據(jù)通信；2）將整個作業(yè)分解為數(shù)據(jù)處理和管理、衛(wèi)星通信、對地觀測等功能模塊，由若干獨立的小衛(wèi)星完成；3）由攜帶超光譜遙感器的小衛(wèi)星負責對地觀測，由數(shù)管衛(wèi)星專門負責數(shù)據(jù)處理和管理，中繼衛(wèi)星負責星間窄波束小功率通信轉(zhuǎn)發(fā)，由數(shù)傳衛(wèi)星實現(xiàn)星地通信，地面數(shù)管系統(tǒng)負責圖像恢復和目標光譜解讀[10]。解決其關(guān)鍵技術(shù)的途徑是：1）利用小衛(wèi)星低慣性，通過靈活的姿態(tài)改變地面目標范圍，通過軌道機動探測需求調(diào)整視場范圍，提高探測范圍和重訪率，利用衛(wèi)星星座中多顆超光譜遙感器實現(xiàn)對地的高覆蓋，甚至是全球覆蓋；2）探測得到光譜數(shù)據(jù)，通過在軌數(shù)據(jù)處理與管理功能衛(wèi)星進行實時數(shù)據(jù)處理和壓縮，采用多核心并行處理的模式縮短機時，提高通信碼率，其中關(guān)鍵是根據(jù)超光譜數(shù)據(jù)特性和應用要求，有效地減小數(shù)據(jù)量，采用實時自適應波段選擇、數(shù)據(jù)壓縮、目標識別等算法；3）通過多顆對地通信衛(wèi)星保證數(shù)據(jù)鏈與多地面站間的實時和全時傳輸，通過中繼衛(wèi)星保證傳輸數(shù)據(jù)鏈路的過渡和銜接。如此建立星載超光譜成像系統(tǒng)對地目標的高覆蓋、實時探測、實時處理、實時傳輸?shù)腛RASIS。

圖3 小衛(wèi)星分離異構(gòu)星座

由于小衛(wèi)星平臺資源有限，超光譜遙感器要與其結(jié)合，必須具備體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點，實現(xiàn)超光譜遙感器集成化集約化設(shè)計的關(guān)鍵在于光學鏡頭和電子電路部分。超光譜成像原理如圖4所示，其光學系統(tǒng)的核心是分光器件，采用先進的Offner型和Dyson型分光技術(shù)，設(shè)計研制體積小、質(zhì)量輕、成本低、光譜分辨率高的超光譜成像系統(tǒng)。Offner型和Dyson型分光裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、集光本領(lǐng)強、成像品質(zhì)高的優(yōu)點，并且克服了傳統(tǒng)光柵和棱鏡系統(tǒng)譜線彎曲和色畸變的缺點，是目前最適用于小衛(wèi)星的輕小型超光譜分光成像系統(tǒng)[11-12]。另外，通過優(yōu)化設(shè)計，全部采用易于加工和裝配的球面光學元件，可降低制造成本。電子電路部分的核心器件主要包括多輸出大規(guī)模傳感器陣列、讀出電路以及存儲電路等。國內(nèi)關(guān)于焦平面探測器的研究已有較大進步，CCD和MCT器件的響應效率也接近于國外先進水平，但是在器件的功耗和體積上與國外還有差距。目前國內(nèi)要實現(xiàn)低功耗、集約化的超光譜電路設(shè)計，應該從電路優(yōu)化設(shè)計、電子器件的選擇等方面入手，部分器件可以采用高等級的工業(yè)級器件，并要經(jīng)過嚴格的篩選和器件級的環(huán)境試驗以保證其可靠性，這樣將大大降低電路的功耗和體積。另外，由于光譜分辨率高，相鄰波段對應波長接近，超光譜遙感圖像數(shù)據(jù)空間存在冗余，通過數(shù)據(jù)壓縮可以減小小衛(wèi)星系統(tǒng)負荷。以目前技術(shù)來看，小型超光譜遙感器在像元分辨率和探測范圍能力上難免有所犧牲，但是可以借鑒HRST系統(tǒng)，用高像元分辨率的全色圖像與之補充，通過不同設(shè)計目標的超光譜載荷間相互配合來適應戰(zhàn)術(shù)應用要求，實現(xiàn)超光譜成像系統(tǒng)的光譜分辨率、空間分辨等核心指標。

圖4 超光譜成像原理

4 結(jié)束語

在未來空天地一體化信息戰(zhàn)中，基于小衛(wèi)星平臺的超光譜成像系統(tǒng)可以利用空間信息確定目標的位置、形狀和狀態(tài)；利用光譜信息確定目標的物化特性，識別目標的物質(zhì)構(gòu)成和甑別偽裝。在高覆蓋、超光譜的空間光學的新應用下，ORASIS系統(tǒng)將發(fā)揮其無可替代的作用。

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