法國高分辨率雙子星PLEIADES簡介及相關技術分析

許躒，李博，王惠，王瑞龍

（61512部隊，北京 100088）

2011年12月16日和2012年12月1日，法國成功地發射了兩顆0.5米高分辨率衛星PLEIADES 1A和1B。這兩顆衛星運行在同一軌道高度，所有參數均相同，相位差180度，是一對真正的雙子星。同時，法國今明兩年發射的還有另外一對參數完全相同的雙子星——2012年9月9日發射的SPOT 6和2013年6月將要發射的SPOT 7，分辨率為1.5米。未來，這四顆衛星將組成一個星群，重訪能力達到2次/日（45°度角、赤道處），并在分辨率上形成階梯互補的關系，極大地提高數據采集能力和對突發事件的應急能力。衛星發射計劃及星群關系如圖1、2所示。

圖1 法國新一代高分辨率衛星發射計劃

圖2 法國新一代高分辨率衛星星群關系

1 衛星主要技術參數

法國和美國一直是世界地理空間成像衛星領域的兩大競爭者。法國的SPOT 5在同類衛星產品中首屈一指，成為一顆經典衛星，而美國Digital Globle和GeoEye兩大衛星公司旗下擁有的快鳥、Worldview系列，IKONOS、GeoEye系列，使之在世界高分辨率成像方面長期處于領先地位。隨著PLEIADES的成功發射，法國也加入到了這個重要的市場。

表1將PLEIADES與SPOT 5和Worldview2衛星的主要技術參數進行對比，便于讀者在了解PLEIADES衛星特點的同時，比較法國衛星的發展變化，以及兩大衛星國家主要代表產品之間的差異。

表1 衛星參數對照表

2 重構超分辨圖像技術的發展

衛星影像分辨率的提高是制造者和使用者不斷追求的目標。從1999年美國發射世界上第一顆1米分辨率測繪衛星（IKONOS）開始，十幾年來，在世界各國的競爭中，這個領域的衛星傳感器的空間分辨率得到迅速提高。美國計劃于2014年發射的Worldview3立體測繪衛星，可以獲得0.31米超高分辨率影像，更將達到一個新的高度，而影像分辨率的提高不僅僅依賴于光學系統制造工藝的提高，還可以利用軟件方法輔助實現。

2.1 影響光學系統遙感器空間分辨率的主要因素

傳感器的空間分辨率通常用地面像元分辨率（GSD）來定量表示，即接收器上的一個像元對應的地面尺寸大小：

GSD=a·H/f

a是成像器件的像元尺寸，H是軌道高度，f是傳感器光學系統的焦距。

根據公式分析，可以從減小成像器件像元尺寸、降低遙感器軌道高度和增長光學系統焦距三個方面提高傳感器的空間分辨率。減小成像器件像元尺寸受當前制造工藝水平的限制，并且隨著像元尺寸的減小需要增大光學系統的相對孔徑，這不利于減輕系統的重量。降低遙感器軌道高度會縮短衛星的壽命，而且在視場角一定的情況下，軌道的降低會縮小傳感器對地面的覆蓋范圍，不利于實時監視和縮短重復觀測周期。增長光學系統焦距在軌道高度一定的情況下，增長光學系統焦距可以提高傳感器空間分辨率。在保持分辨率水平的前提下，焦距的增長可以使傳感器工作在更高的軌道高度，從而增大地面覆蓋范圍。但是，焦距的增長會使系統口徑的增大，造成加工、裝配和發射的難度，增加成本。

2.2 提高傳感器空間分辨率的主要技術

目前，國際上實現空間分辨率的提高主要有光學稀疏孔徑系統成像技術與重構超分辨圖像技術。

①光學稀疏孔徑成像技術是為了解決增大光學系統口徑所面臨的困難提出的新概念，其原理是將多個小口徑的光學元件或光學系統精確的排列，通過相位匹配和光路調整，實現干涉成像，達到與其通光口徑相當的大口徑系統的衍射極限的分辨率，從而避免制作大口徑高精度光學元件的困難，在提高系統空間分辨率的同時，有效減輕系統重量，實現系統的輕量化。

②重構超分辨圖像技術，是通過提高采樣式成像系統探測器的時間和空間采樣頻率，達到提高空間分辨率的目的。根據采樣定理，現有遙感系統還不能達到從采樣信號中不失真地還原被采樣的模擬信號，也就是說，在不改變探測器像元尺寸或光學系統質量的條件下，成像系統所能獲取的空間頻率的潛能還未得到充分利用。因此，可以采用重構圖像分辨率的技術，以儀器研制的最低代價提高探測器的空間分辨率，實現遙感衛星高分辨率和小型化，具有很高的實用價值。該方法包括亞像元成像技術、斜模式采樣技術、水平減速采樣技術和細分采樣疊加技術等，其中亞像元成像技術得到普遍推廣，典型應用是SPOT5 HRG相機、德國宇航中心研制的紅外遙感器HSRS（Hot Recoginition Sensors）和徠卡公司研制的ADS40數字航空相機的SPIRIT Ш傳感器。

③SPOT 5的重構圖像分辨率方法，SPOT 5提出了超模式和高模式采樣兩個概念。這兩種概念的探測器排列方式是相同的，即焦平面上兩排CCD在探測器線陣方向上錯開0.5個像元，在衛星飛行方向上錯開3.5個像元。兩者的唯一區別是，在超模式采樣方式中，探測器在推掃方向上的時間采樣頻率不變，而高模式采樣方式中，采樣頻率提高一倍。高模式采樣方式得到的圖像數據量是普通推掃式傳輸型遙感相機的4倍，合成的圖像理論空間分辨率提高1倍，超模式圖像數據量是普通推掃式傳輸型遙感相機的2倍，合成的圖像理論空間分辨率在兩個方向上均提高到原來的倍。高模式采樣將產生冗余數據、信噪比為常規采樣方式的一半，數據傳輸和存儲要求更高。綜合各種因素，超模式得到了更廣泛的應用。

SPOT 5初始模式的影像分辨率為5米，重構后的影像分辨率為2.5米，下圖是其影像重構的方法：

圖3 SPOT 5采用的超模式

④Pleiades的重構圖像分辨率方法，從Pleiades衛星的官方資料顯示，其全色影像初始模式的星下點分辨率為0.7米，重構后影像分辨率為0.5米，多光譜影像則由2.8米采樣為2米。與SPOT 5不同，它所采用的是類似45度斜模式采樣法。

斜模式采樣是將單線陣傾斜一個角度進行采樣，從而提高兩個方向上的采樣密度，達到提高空間分辨率的目的。相對于超模式和高模式采樣技術，斜模式采樣方法僅用一排線陣列探測器采用軟硬件結合的方法就可實現遙感圖像空間分辨率的提高，光學傳感器上需要改動的硬件很少，工程上更加簡單，非常經濟。

下圖說明了Pleiades影像重構的方法。

圖4 Pleiades采用的重構模式

3 結束語

與Pleiades的很多技術相比，我國的研究還處于起步階段。深入了解該衛星，在使用的過程中研究和跟蹤其技術發展，將對我國衛星遙感技術的發展有重要的借鑒作用。