比輻射計助力高光譜遙感技術發展

2018年5月9日2時28分，我國高分五號衛星在太原衛星發射中心成功發射升空。

高分五號衛星是世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星，是我國實現高光譜解析度對地觀測能力的重要標誌，將滿足環境綜合監測等方面的迫切需求，對掌握高光譜遙感信息資源自主權、助力建設美麗中國具有重要意義。

     長徵四號丙運載火箭成功發射高分五號衛星

1、高分五號衛星——辨識世界的「慧眼」

高分五號衛星是高分專項（高解析度對地觀測系統重大專項）規劃的唯一一顆陸地環境高光譜觀測衛星，其搭載的6臺載荷不僅實現了從紫外至長波紅外全譜段的高光譜觀測，而且具有高光譜、大範圍、定量化探測等特點，具備大幅寬、高光譜及偏振探測能力，能夠實現對大氣汙染、內陸水體、陸表生態環境、蝕變礦物、巖礦類別的探測與識別，能夠應用於環境監測、資源勘查、防災減災等行業，有力提升了我國在環境、生態、資源、農業、林業等多個領域遙感監測方面的能力，將助力美麗中國和富強中國的建設，使我國高光譜遙感技術再上新臺階，走在國際前列。

高分五號最大的特色，是高光譜觀測能力。自2015年美國Hyperion高光譜相機停止工作以來，目前國際上星載高光譜數據獲取基本處於空白。高分五號衛星的發射成功，很大程度上豐富了高光譜遙感信息資源獲取的手段，尤其大幅提升了高光譜遙感圖像的質量，將極大地推進和提升國際上高光譜成像遙感應用的發展水平。

地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特徵。光譜就像人的「指紋」一樣，是用以識別和分析不同物體的一種重要的「身份證」。如果說肉眼光學成像只能看到物質的形狀、尺寸等信息，光譜分析則可以通過「圖譜合一」探測物質的具體成分，不僅能探測一個地方有沒有礦，還可以分析是何種礦。過去的很多衛星具有全色或多光譜觀測能力，全色或多光譜觀測和我們肉眼類似，只能看到物體的大小形狀和簡單的顏色特徵，而高分五號衛星通過高光譜遙感，將比多光譜衛片提供更為詳盡的光譜信息，能分析出物體的組成成分甚至內部缺陷，比如說，過去那噴了綠漆就想亂人眼的現象，高分五號一掃，全都露餡了；對探礦工作而言，高分五號衛星在天上一掃，礦產資源就一覽無餘。

       高分五號衛星（圖片來源：科技日報）

2、可見短波紅外高光譜相機——環境監測的「利器」

由上海技術物理研究所（以下簡稱「上海技物所」）研製的可見短波紅外高光譜相機，是「高分五號」衛星六大主載荷之一，也是國際首臺同時兼顧寬覆蓋和寬譜段的高光譜相機，在60Km幅寬和30m空間解析度下，可以獲取從可見光至短波紅外（400～2500nm）光譜顏色範圍裡，330個光譜顏色通道，顏色範圍比一般相機寬了近9倍，顏色通道數目比一般相機多了近百倍，其顏色寬度的精細化程度相當於一張紙厚度的萬分之幾。與國際上經典的高光譜相機相比，該載荷幅寬提高8倍，光譜數增加近百個，信噪比提升近4倍；與美國、德國、日本、加拿大等國際上當前發展的高光譜相機比較，其綜合性能和主要技術指標可保持5年以上的國際領先水平。

高分專項應用系統副總師、生態環境部衛星環境應用中心主任王橋表示，目前我國在大氣汙染防治、水汙染防治、生態環境監管、中央環保督察、環境汙染和生態破壞事件應急處置等日常工作中，已經越來越離不開遙感監測的支撐。但對於大範圍、定量化、同步觀測要求較高的生態環境遙感監測，現有衛星數據在數據覆蓋和重訪能力、空間解析度、時間解析度、光譜解析度等方面都存在很大差距，嚴重製約了衛星遙感技術在生態環境保護工作中的應用。

可見短波紅外高光譜相機藉助衛星在705Km軌道高度上的飛行，可每90分鐘左右從南極到北極繞地球一圈，一天繞地球近15圈，可以對地球上任何區域進行觀測，通過衛星側擺可以對地球上同一個區域一周內重複觀測一次，相機一天可獲取330個60Km寬40000Km長的高光譜成像條帶，數據覆蓋範圍廣、重訪能力強，能夠大範圍、定量化地應用於對葉綠素、藻膽素、木質素、植被細胞和含水量、水體懸浮物、冰雪粒大小、地表礦物成分、巖石類別和油氣滲漏等行業監測，為建立全球典型地物圖譜資料庫提供豐富而高質量的數據源，極大提高對全球陸地環境生態資源的探測能力。

高光譜礦物填圖

3、比輻射計——衛星標校的「尺子」

高分五號衛星工程總師徐博明說：「我國高分專項衛星具有高空間解析度、高光譜解析度、高時間解析度、高定標精度等四高特點，我們的高分五號衛星除了具有高光譜的獨特優勢，在高定標精度方面的表現也極為出眾。」

高精度的定標是高光譜衛星定量化應用的基礎，就像一把尺子是否準確需要標校一樣，尺子不準，做的再精緻，測出的數據也是不準確的。高分五號衛星上裝載了太陽漫反射板、變溫黑體、LED、比輻射計等7類星上定標裝置，可在星上全方面地開展載荷輻射和光譜定標，在軌定標精度為國內現役衛星中之魁首。在林林總總的定標裝置中間，首次應用於國內星上載荷的漫反射板檢測型比輻射計（下文簡稱「比輻射計」）裝置尤為引人注目。

這小小的比輻射計到底有何高明之處？原來，高分五號衛星的在軌輻射定標主要通過國際上近年流行的太陽-漫反射板（SD）技術實現。該技術採用反射率穩定的太陽照明漫反射板，通過引入太陽光產生已知光譜輻亮度的近似朗伯面光源，實現對空間遙感器的太陽反射波段全系統、全口徑的定標。但由於空間輻照、高能粒子轟擊等因素的影響，漫射板的反射特性會隨時間發生衰變。若缺乏相應的修正措施，長此以往，將極大影響衛星的在軌定標精度。

由中國科學院上海技術物理研究所啟東光電遙感中心（以下簡稱「啟東中心」）科研團隊自主研製的比輻射計，是上海技物所與啟東市政府開展「院地合作」，進行高新技術轉移轉化的拳頭產品，專為解決上述的星上漫反射板衰減問題而設計。比輻射計以穩定已知的太陽為參照，通過對不同時間段漫射板的比對測量來監測漫射板的反射率衰變，對漫射板進行實時測量和跟蹤，巧妙地解決了漫反射板衰變產生的定標誤差。比輻射計的主要功能如下：

Ø  太陽絕對輻照度測量；

Ø  漫射板反射輻亮度測量；

Ø  通過太陽輻照度/漫射板反射輻亮度比值及其歷史數據比對實現對漫射板雙向反射分布函數變化監測，並根據測量數據分析對漫射板反射輻亮度進行修正。

經啟東中心科研團隊的精心研發及實驗驗證，比輻射計具有定標精度高、穩定性高、空間適應性高的特點，可將星上漫反射板衰減引入的誤差控制在1.5%內，並可追溯到美國NIST國家標準，大大提高了載荷星上定標精度，充分發揮技術創新的引領作用，開拓了我國航天遙感載荷定標技術的新領域。

比輻射計工作模擬圖

在高分五號衛星星載比輻射計的成功應用基礎上，啟東中心立足現有研究成果，不斷開拓創新，目前正在研製環境減災衛星的漫反射板比輻射計，應用於資源衛星的大氣校正輻射計等。輻射計家族系列的普及發展，必將深刻改變國內衛星在軌定標精度不足的現狀，令我國的星上載荷自主定標技術邁入新臺階，對於減少我國對外國定標技術的依賴性、提高我國高新技術的自給率有著極其重大而深遠的意義。

  

  

                   高分五號星載比輻射計

   

                   資源衛星大氣輻射校正計

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