基于小衛星平臺的超光譜成像ORASIS探討

張鏡洋常海萍陳衛東康國華沈為民

（1南京航空航天大學，南京 210016）

（2蘇州大學現代光學所，蘇州 220019）

1 引言

超光譜成像系統（HSI）利用物質的“指紋光譜特性”，可以實現光譜異常檢測、目標定位和目標識別等功能[1]。在航天遙感領域，星載超光譜系統已成為諸多學者研究的焦點，該系統對實時發現目標、識別目標具有重大的軍事戰略意義，但目前星載超光譜系統在實時性、海量數據處理和傳輸技術以及像元分辨率等關鍵問題上還有待進一步突破。小衛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]。資料顯示利用小衛星平臺與超光譜遙感器結合，將成為實現實時光譜探測和目標識別的空間遙感系統的有效途徑[4]。本文在概括超光譜成像系統發展態勢和技術優勢的基礎上，探討了利用小衛星姿軌狀態靈活機動和可組成分離異構星座的特點，解決星載超光譜成像系統的實時性、海量數據處理和傳輸等關鍵問題的技術途徑，并著重對研制適應小衛星平臺的輕小型超光譜成像系統的關鍵技術進行了分析，為建立我國的空間“光學實時光譜識別系統”（Optical Real-time Adaptive Signature I-dentification System，ORASIS）提供參考。

2 星載超光譜系統國內外發展態勢

超光譜成像技術是將成像與光譜探測技術相結合，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，其波段數較之多光譜成像大一個數量級，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將目標的工作光譜區進行精細劃分（如圖1所示），利用目標的光譜分布特征，準確的識別物質成分。

自1987年NASA主持研制的機載超光譜系統AVIRIS首次對太陽光譜進行探測（如圖2）以來，超光譜成像系統逐步在城市規劃、氣象和環境監測、礦產探測等方面發揮了舉足輕重的作用，尤其在軍事領域，超光譜系統已成為軍事行動中的“火眼金睛”。首先，超光譜成像系統的識別能力，可以根據目標與偽裝材料不同的光譜特性，從偽裝的物體中發現目標，如1993年美國的JMSP系統在導彈發射現場成功識別了真假目標；其次，超光譜成像系統的物質分辨能力，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，可用來調查武器生產，采集工廠生產產生的煙霧，判定工廠生產的武器類型；超光譜系統的光譜識別能力在海軍作戰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、生物發光、海灘特征、大氣中水汽總量及次見度卷云等圖像數據，這些對海軍近海作戰十分有用；此外，超光譜成像技術還可以用于反潛，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?，超光譜成像系統在軍事領域應用意義重大，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波段超光譜數據立方

隨著分光技術、面陣探測器陣列、多輸出電路等關鍵技術的突破，超光譜遙感已得到蓬勃的發展。迄今為止，世界上已有50余套超光譜成像系統在運行。目前絕大多數的超光譜成像系統為機載型，星載超光譜系統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，均支持發展了相應技術項目，如美國NASA的Lewis小衛星上的SSTI-HSI、強力小衛星上的FTHSI、美國海軍研究辦公室（ONR）的NEMO小衛星上的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的研究和技術試驗[5]。我國大多數星載超光譜成像系統還處于技術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?！皝喬嗳蝿赵囼炐⌒l星”SMMS搭載了我國自研的近紅外波段超光譜載荷[6-7]。表1列舉了國內外典型的星載超光譜系統及其關鍵參數。

當前，軍事應用緊迫需求遙感系統對目標探測的實時性。實現地面目標的實時光譜探測和識別，才能適應戰爭的突發性和戰局的瞬息萬變，發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）設計的HRST超光譜遙感項目和美國航空航天局（NASA）的開創計劃（SSTI-HIS）項目，都是以建立“光學實時光譜識別系統”（ORASIS）、實現實時場景特征提取和海量數據管理為目標，并計劃將其應用到地面和海洋目標偵查中[5]。2009年發射的ARTEMIS攜帶的超光譜載荷就是以實現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未來的發展方向，但是由于超光譜遙感數據量比多光譜要大2～3個數量級，且隨著光譜分辨率和探測光譜范圍的提高，數據量呈量級化地激增，這對焦平面探測器的規模、對地探測范圍和探測精度提出了挑戰，ORASIS的實時探測，數據實時處理、壓縮和系統管理，星地間海量數據的實時傳輸以及全面的光譜數據庫建立等問題亟待解決[8-9]。NASA的“開創計劃”就借助于小衛星平臺技術進行了實時星載超光譜系統的實驗，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

3 基于小衛星的超光譜成像系統的關鍵技術

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

圖3 小衛星分離異構星座

由于小衛星平臺資源有限，超光譜遙感器要與其結合，必須具備體積小、質量輕、功耗低的特點，實現超光譜遙感器集成化集約化設計的關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，其光學系統的核心是分光器件，采用先進的Offner型和Dyson型分光技術，設計研制體積小、質量輕、成本低、光譜分辨率高的超光譜成像系統。Offner型和Dyson型分光裝置具有結構緊湊、集光本領強、成像品質高的優點，并且克服了傳統光柵和棱鏡系統譜線彎曲和色畸變的缺點，是目前最適用于小衛星的輕小型超光譜分光成像系統[11-12]。另外，通過優化設計，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模傳感器陣列、讀出電路以及存儲電路等。國內關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。目前國內要實現低功耗、集約化的超光譜電路設計，應該從電路優化設計、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級器件，并要經過嚴格的篩選和器件級的環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，超光譜遙感圖像數據空間存在冗余，通過數據壓縮可以減小小衛星系統負荷。以目前技術來看，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，用高像元分辨率的全色圖像與之補充，通過不同設計目標的超光譜載荷間相互配合來適應戰術應用要求，實現超光譜成像系統的光譜分辨率、空間分辨等核心指標。

圖4 超光譜成像原理

4 結束語

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

[1]Michael E,Schaepman Robert,Green O,et al.The Future of Imaging Spectroscopy Prospective Technologies and Applications[C].IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,2006:2005-2009.

[2]Paton B E,Lapchinskii V F.Welding in Space and Related Technologies[M].England:Cam-bridge International Science Publishing,1997.

[3]Higbee T A.DARPASAT:Small,Smart Space System[J].Proc SPIE,1993,1:1940～1945.

[4]Pantazis,Mouroulis David,Thomas A.Trade Studies in Multi/hyper Systems Final Report[J].Jet Propulsion Laboratory,1998,10-29.

[5]王麗霞,王慧,高軍.星載超光譜成像技術應用及現狀分析[J].航天返回與遙感,2000,21(1):40-47.

[6]沈中,朱軍.中國星載干涉型超光譜儀[J].航天器環境工程,2005,22(4):187-191.

[7]沈中,葛之江,張連臺.航天超光譜成像技術原理及其發展現狀[J].航天器工程,2001,10(4):45-52.

[8]Rouse D M,Trussell H J.A Set Theoretic Approach to Target Detection Using Spectral Signature Statistics[C].2004 International Conference on Image Processing(ICIP),Piscataway,IEEE,2004:2439-42.

[9]Roger R E,Michael C.Caveor Lossless,Compression of AVIRIS Images[J].IEEE Trans.on Image Processing.1996,5(5):713-719.

[10]Akyildiz I F,Eylem Ekici,Gao Fengyue.A Distributed Multicast Routing Scheme for Multi-layered Satellite Ip Networks[J].Wireless Network,2003,9(5):535-544.

[11]季軼群,宮廣彪,朱善兵,等.微型集成超光譜成像系統[J].光學精密工程,2009,17(4):727-731.

[12]鄭玉權.小型光譜成像系統的設計[J].光學精密工程,2005,13(6):650-656.