赵艳华;戴立;白绍竣;刘剑锋;彭宏刚;王浩
【摘 要】The Visual and Infrared Multispectral Imager (VIMI), as an important earth observation payload onboard the GF-5 satellite, has the characteristics of broader bands,higher spatial resolution and higher radiometric calibration precision. The imager has an eight-year design life and operates in a push-boom imaging fashion to acquire earth data from 0.45μm to12.5μm over 60km swath. The nadir spatial resolution is 20m and the absolute radiometric calibration precision is less than 5% for reflected solar bands(B1-B6). For thermal emissive bands(B7-B12), the nadir spatial resolution is 40m and the absolute radiometric calibration precision is less than 1K@300K. Thanks to the high integration of the imager, and the advanced technical indexes, China's multi-spectral optical remote sensor has been greatly improved in the spectral number, spatial resolution, radiation resolution, and radiation calibration accuracy. In this paper, the comparison of indexes at home and abroad, the technical characteristics and the advanced design of VIMI are introd
uced. Finally, the application direction is discussed.%全谱段光谱成像仪是"高分五号"卫星上的一个重要的对地观测有效载荷,具有谱段多、空间分辨率高、辐射定标精度高的特点.载荷设计寿命8年,以60km幅宽、推扫成像方式,获取地球表面 0.45~12.5μm 谱段范围的辐射数据.可见近红外短波谱段(B1-B6)星下点空间分辨率 20m,绝对辐射定标精度 5%;中长波红外谱段(B7-B12)星下点空间分辨率 40m,绝对辐射定标精度 1K(300K时).该载荷集成度高、技术指标先进,使中国多光谱光学遥感器在谱段数量、空间分辨率、辐射分辨率和辐射定标精度上都有了大幅提升.文章对载荷的方案、技术特点和先进性等进行了介绍,并对后续的应用方向进行了展望.活动装置
【期刊名称】《航天返回与遥感》
【年(卷),期】2018(039)003
【总页数】13页(P38-50)
【关键词】多光谱;全谱段光谱成像仪;遥感;"高分五号"卫星
【作 者】赵艳华;戴立;白绍竣;刘剑锋;彭宏刚;王浩
【作者单位】北京空间机电研究所,北京 100094;北京空间机电研究所,北京 100094;北京空间机电研究所,北京 100094;北京空间机电研究所,北京 100094;北京空间机电研究所,北京 100094;北京空间机电研究所,北京 100094
【正文语种】中 文
制作ic卡
马来酸酐【中图分类】V443+.5
“高分五号”卫星是我国高分专项工程之一，是实现“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”目标的重要组成部分，同时它也是国家高分辨率对地观测能力的重要标志之一。
“高分五号”卫星研制的主要目的是利用卫星装载的6台遥感仪器，获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据，面向国家污染减排、环境品质监管、大气成分与气候变化监测、国土资源调查等重大需求，开展污染气体、温室气体、区域环境空气品质、水环境和生态环境、大气成分、气候变化、地矿资源调查等高光谱遥感监测应用示范，推进在农业、减灾、国安、公安、城市建设、水利、交通、林业、地震、海洋、测绘、统计、首都圈等部门的应用。
全谱段光谱成像仪（Visual and Infrared Multispectral Imager，VIMI）是“高分五号”卫星的主要载荷之一，它是我国第二代从可见光到热红外光谱范围的星载多光谱成像仪。该载荷以60km幅宽、20/40m的空间分辨率的能力，获取地物在可见光到长波红外的光谱辐射信息，可对水体、生态环境、国土资源进行综合监测，以满足环境保护、监测、监管、应急、评价、规划和资源调查等方面的需求。
VIMI主要技术指标见表1。
VIMI由光机头部、管理控制盒、信号处理盒、制冷控制盒、温控盒、扼流器等组成，系统组成框图见图1。
采用离轴三反主光学系统，短波、中波和长波红外谱段共用主镜、次镜和三镜，在三镜后加入分片，分别成像在四谱段集成的短中波及长波红外探测器焦面上；采用视场分离技术将可见近红外谱段分离出来，汇聚到CCD探测器。采用长线阵TDI探测器推扫方式，获取高品质的多谱段地球影像，再经信息获取电路将探测器图像信号读出，进行A/D转换后发送给信号处理盒，按CCSDS格式，通过LVDS接口送给星上数传分系统。采用漫反射板和黑体实现不同谱段高精度在轨辐射定标。 如图2所示，光学系统为二次成像三镜消像散（RUG-TMA）全反射式，利用离轴孔径消除次镜和三镜的中心遮拦。短波谱段、中波谱段和长波谱段共用主镜、次镜和三镜，在三镜后面加入分片，分成短中波谱段通道和长波谱段通道，两个通道成像视场角一致。可见光多光谱与其他谱段在一个方向上成像视场角不一致，在中间像面处放置反射镜，将可见光谱段分离出来。可见光谱段与其它谱段共用主镜和次镜，三镜单独使用。
可见通道、红外通道在地面投影相对位置关系见图3。
为了满足装星接口、空间尺寸、质量、强度、刚度、结构的热稳定性、微振动隔离、测试操作等功能和性能要求。光机结构设计主要采用如下方案：
1）采用复合材料底板（碳纤维面板、铝蜂窝夹层），在保证刚度的情况下，尽可能减轻质量。网眼面料
2）为了隔离压缩机的微振动对焦面的影响，焦面和压缩机分别安装在不同的结构上；
3）散热面面积较大，为了解决散热面的支撑问题，相机罩采用铝蜂窝蒙皮的复合材料板；
4）镜头的主承力结构采用铸造钛合金；
5）针对主次镜间距温度稳定性要求高的特点，次镜支撑架采用殷钢材料；
6）压缩机的支撑采用复合材料杆系，对杆的角度和截面形状进行优化。
光机头部通过–Z方向的20个安装点、2个销钉以及–X方向的3个火工锁与卫星相连接（如图4）。
可见光探测器采用五集成TDI探测器，使用其中的B1-B4谱段，各谱段像元规模为3 072元；短波、中波探测器为三模块拼接而成，每个模块中包括B5-B8四个谱段，单模块中，短波两个谱段为1 024元、中波两个谱段为512元；长波探测器也为三模块拼接而成，每个模块中包括B9-B12四个谱段，单模块中长波四个谱段为512元。通过在探测器芯片上方放置组合滤光片实现光谱细分。
短波、中波探测器焦面工作温度为80K，长波探测器焦面工作温度为60K，由脉管制冷机提供焦面工作所需的温度。图5为红外探测器冷头结构示意。
采用可展开的太阳漫反射板置于相机入光口前，实现可见光、近红外、短波红外谱段（B1-B6）在轨辐射定标，为国内首次实现漫反射板全光路全口径在轨辐射定标，定标精度5%，
并设置比辐射计监测漫反射板变化。
进行太阳定标时，步进电机通过减速齿轮带动齿轮轴旋转，进而驱动漫反射板旋转，到达指定位置，将太阳光漫反射至光路中，获得在轨定标数据，计划每两周定标一次；定标结束后将漫射板收回到零位，不遮挡相机成像光路，发射时由电磁铁加电锁定。太阳定标时机构位置示意如图6所示。
综合考虑了机构使用功能、刚度及质量等性能指标要求和光路设计、光机头部空间结构，利用复合材料加铝板为主体支撑结构，具有较高的比强度和比刚度，对于空间温度环境变化也具有较好的适应性。步进电机通过两级减速传动的方式驱动漫反射板完成定标动作。利用电磁铁保证发射过程加电锁定。另外设计了应急退出装置用于机构发生故障时，将传动系统分离，在卷簧反作用力下使漫反射板回到零位。
黑体定标机构安装在相机光路中，实现成像、黑体定标、焦面自反射三种位置的切换，对中长波谱段进行在轨辐射定标。
黑体定标机构采用转盘转动切入切出方案，将变温黑体安装在转盘上，通过步进电机驱动
减速齿轮副带动转盘转动，采用光电对作为位置反馈元件，采用电磁铁作为锁定元件，采用自反射角镜监测探测器焦面底电平变化，黑体定标机构三维示意图见图7。
相对光谱响应测试方案为：在B1-B7谱段采用基于单仪的测试方法，在B8-B12谱段采用基于可调谐激光器的测试方法。
（1）B1-B7谱段的相对光谱响应测试
基于单仪的相对光谱响应测试方法，是国内外可见光/近红外/短波红外光谱测试的主要方式，测试光路如图8所示。对照物
（2）B8-B12谱段的相对光谱响应测试
B8-B12谱段的相对光谱响应测试采用基于可调谐激光器方案，测试设备布局如图9所示。
B1-B12谱段范围测试结果见表2：
B1-B6谱段将规定的观测条件（反照率50%，太阳天顶角30°）转换为辐亮度后，利用该测试条件下得到的多帧图像计算得到B1-B6谱段信噪比。B7-B12谱段通过对高低温黑体成像，
采集多帧图像，计算B7-B12谱段的噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference，NEDT）。
B1-B6谱段的信噪比测试系统示意图如图10所示。
用光谱辐亮度计标定积分球的光谱辐亮度，将积分球的谱段平均辐亮度调整到接近观测条件的档位，相机TDI级数、积分时间、增益调整为在轨常用级数。从分系统图采设备中分别得出每个像元输出DN值后，按以下公式分别计算每个谱段的均方根噪声及平均SNR。
像元的信号均值：
式中 n为采样的行数，测试时取1 024；i为第i行；Si为第i行的信号值。
均方根噪声为：
第k个像元的信噪比为：
石灰投加
相机系统信噪比为：
式中 m为像元数。
B7-B12谱段的NEDT测试系统示意图如图11所示：
温度分辨率采用300K黑体温度下的噪声等效温差来表征。噪声等效温差的测试方法是：在300K附近选取两个温度点，相机及黑体均放置在真空罐内，黑体放置在相机入光口前，相机分别采集面源黑体在这两个温度状态下的图像，然后分别计算出在这两个温度状态下的信号和噪声，根据温度差、信号差以及噪声来计算出噪声等效温差。
两个温度点温差DT选取的一般原则为：使信号差（DV）与噪声（Vn）之比大于10，即DV/Vn大于10，其中噪声Vn为两个温度状态下噪声的平均值。
按下式计算NEDT：
式中 NEDTi为第i个像元的噪声等效温差，单位为K，i=1,2,××××××1536；DT为温度差，单位为K；DVi为第i个像元在两个温度点的信号平均值之差，用量化值（DN）表示；DVi= V2i-V1i，V2i和V1i分别为第i个像元在T2和T1温度状态下的信号平均值；Vni为第i个像元在两个温度点的噪声平均值，用量化值（DN）表示；Vni=（Vni1+Vni2）/2，Vni1和Vni2分别为第i个像元在T1和T2温度状态下的噪声。表3和表4分别为信噪比测试结果。
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