1.3　成像光谱仪系统介绍

成像光谱仪系统按它们工作的平台而可以分为航空成像光谱仪系统和航天成像光谱仪系统。

1.3.1　航空成像光谱仪系统

1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS-1 在美国喷气推进实验室（JPL）研制成功，并在矿物填图、植被化学等方面的应用取得了成功，显示了成像光谱仪的巨大潜力。受其影响，随后紧接着研制出的航空成像光谱仪有：美国的机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS）、加拿大的荧光线成像光谱仪（FLI），以及在此基础上发展的小型机载成像光谱仪（AIS）、美国Deadalus公司的MIVIS、GER公司的机载成像光谱仪（DAIS-7915）、芬兰的机载多用成像光谱仪（DAISA）、德国的反射式成像光谱仪（ROSIS-10和ROSIS-22）、美国海军研究实验室的超光谱数字图像采集试验仪（HYDICE）等。其中，AVIRIS的影响最大，是一台革命性的成像光谱仪，极大地推动了高光谱遥感技术和应用的发展，获取的数据成为高光谱研究领域重要的数据源之一，如图1-5所示。

随着技术的进步，成像光谱系统在稳定性、探测效率及综合技术性能等方面都有了很大的提高。近来国际上具有代表性的成像光谱仪主要有澳大利亚的HyMap、美国的Probe、加拿大ITRES公司的系列产品，以及由美国GER公司为德士古（TEXACO）石油公司专门研制的TEEMS系统等。

（1）HyMap是“高光谱制图仪”（Hyperspectral Mapper）的简称，由澳大利亚Integrated Spectronics公司为主研制。经过多年的发展，它已成为在技术上较为完善、在系统上较为配套的新一代实用型航空成像光谱仪的代表。HyMap在0.45～2.5μm光谱范围有126个波段，同时在3～5μm和8～10μm两个波长区设置了两个可供选择的波段，共有128个波段。其数据在光谱定标、辐射定标和信噪比等方面都达到了较高的性能：总体光谱定标精度优于0.5nm，短波红外波段（2.0～2.5μm）的信噪比都高于500:1，有的波段甚至高达1000:1。该系统所配备的德国蔡司（Zeiss Jena SM2000型）三轴稳定平台，减小了几何畸变，使得HyMap各波段之间的几何配准精度达1/10像元。

（2）Probe-I和Probe-2是Earth Search Sciences Inc.公司开发的一个有影响的航空成像光谱仪系统。该系统在0.4～2.5μm范围有128个波段，光谱分辨率为11～18nm，其各种参数与HyMap系统十分相似。

（3）加拿大ITRES公司是国际上最早从事机载成像光谱仪及其相关设备研制和发展的企业之一。它的成像光谱仪产品分为三个系列：在可见光—近红外成像的CASI（Compact Airborne Spectrographic Imager）系列、在短波红外成像的SASI（Shortwave Infrared Airborne Spectrographic Imager）、在热红外成像的TABI（Thermal Airborne Spectrographic Imager）系列。这些系统的突出特点有：图像动态范围高达12～14bit；具有较高的光谱分辨率，可见光—近红外成像仪达到2.2nm：视场角大，图像的行扫描宽度可达1480像素。值得一提的是，成像的波段和视场宽度都可以编程控制，可组成三种成像模式：空间模式（Spatial）、光谱模式（Spectral）和全帧模式（Full）。

（4）TEEMS是德士古能源和环境多光谱成像光谱仪（Texaco Energy & Environmental Multispectral Imaging Spectrometer）的简称。这是一台由美国地球物理和环境研究公司（GER）应德士古的技术要求与德士古专家合作专门研制的具备200多个波段、性能十分先进的实用型商业化成像光谱仪。由于该系统具有紫外、可见光、近红外、短波红外和热红外波段的光谱成像能力，从而在石油地质勘探特别在探测油气藏分布的特征中发挥了很大的作用。TEEMS的另一个显著的特点是它与一台高分辨率合成孔径雷达集成为一体，实现了被动光学遥感器（成像光谱）与主动微波雷达的合成工作模式。这是当前世界上第一台该类型的系统，充分将技术的先进性与实用化的要求集于一身，体现了发展的方向。

近年来，热红外的成像光谱仪已有了实质性的进展。最具有代表性的是美国宇航公司研制的SEBASS，即空间增强宽带阵列光谱仪系统为（Spatially Enhanced Broadband Array Spectrograph System）。这是一台没有任何运动部件的固态成像仪，共有两个光谱区：中波红外，3.0～5.5μm，带宽0.025μm；长波红外，7.8～13.5μm，带宽为0.04μm。它在中波红外区有100个波段，在热红外区有142个波段：所使用的探测器为2块128×128的Si:As焦平面，有效帧速率为120Hz，温度灵敏度为±0.05K，信噪比大于2000:1。热红外成像光谱仪为更好地反映地物的本质提供了珍贵的数据源，已经被应用于环境监测、植被长势和胁迫监测、农林资源制图、地质填图及探矿等许多领域。

我国一直跟踪国际高光谱成像技术的发展前沿，在20世纪80年代中、后期也开始发展自己的高光谱成像系统，在国家“七五”“八五”“九五”科技攻关、“863”高技术重大项目的支持下，我国成像光谱仪的发展，经历了从多波段扫描仪到成像光谱扫描，从光机扫描到面阵CCD固态扫描的发展过程。

在“七五”期间，中国科学院就主持了高空机载遥感实用系统的国家科技攻关计划，并由中国科学院上海技术物理所研发了多台相关的专题扫描仪。这些工作为我国研制和发展高性能的高光谱成像光谱仪打下了坚实的基础。在“八五”期间，新型模块化航空成像光谱仪MAIS的研制成功，标志着我国航空成像光谱仪技术和应用取得了重大突破。

此后，我国自行研制的推扫式成像光谱仪（PHI）和实用型模块成像光谱仪系统（OMIS）在世界航空成像光谱仪大家庭里占据了一席之地，代表了亚洲成像光谱仪技术水平，多次参与了国际合作，并到国外执行飞行任务。PHI和OMIS的主要技术参数如表1-1和表1-2所示 ^[1] 。

1.3.2　航天成像光谱仪系统

美国在航天成像光谱技术研究方面的投入一直遥遥领先。虽然先有高分辨率成像光谱仪（HIRIS）计划的夭折，继有高光谱遥感卫星（LEWIS）和Orbview-4卫星的失败，但经过多年的不懈努力，如今美国的中分辨率成像光谱仪（MODIS）、EO-1/HYPERION、美日合作的高级星载热辐射及反射探测器（ASTER）及美国军方的“Might-Sat”高光谱卫星等，均获得了成功发射和在轨正常运行。

MODIS是EOS-AMI卫星（1999年12月发射）和EOS-PMI（2002年5月发射）上的主要探测仪器—中分辨率成像光谱仪，也是EOS Terra平台上唯一进行直接广播的对地观测仪器。通过MODIS可以获取0.4～14μm的36个波段的高光谱数据，为开展自然灾害、生态环境监测、全球环境和气候变化及全球变化的综合性研究提供了不可多得的数据源。

高级星载热辐射及反射探测器（ASTER）是搭载在Terra卫星（1999年12月发射）上的另外一个成像光谱仪器。ASTER是由美国宇航局（NASA）和日本（METI）地球遥感数据分析中心（ERSDAC）合作研制的，目前ASTER已经被广泛地应用于反演陆面温度、比辐射率、反射率和高程信息。美国宇航局（NASA）的地球轨道一号（EO-1）搭载有3个基本的遥感系统，即先进陆地成像仪（ALI）、高光谱成像仪（Hyperion）及大气校正仪（LAC）。EO-1上搭载的高光谱遥感器Hyperion是新一代航天成像光谱仪的代表，空间分辨率为30m，在0.4～2.5μm范围共有220个波段，其中在可见光—近红外（400～1000nm）范围有60个波段，在短波红外（900～2500nm）范围有160个波段。

另外，LAC（Linear Etalon Imaging Spectrometer Array Atmospheric Corrector）是具有256个波段的大气校正仪，它在890～1600nm光谱段具有256个波段，其主要功能是对Landsat-7 ETM＋和EO-1的ALI遥感数据进行水汽校正，同时1380nm光谱段也能获得卷云的信息。

美国2000年7月发射的MightSat-II卫星上搭载的傅里叶变换高光谱成像仪（Fourier Transform Hyperspectral Imager，FTHSI）是干涉成像光谱仪的成功典范。由于MightSat-II出色的性能和成功运行，其研究组获得了美国空军研究实验室（AFRL）的“司令杯团体奖”和“空间运载工具董事会年度团体奖”。

2001年10月，欧空局（European Space Agency，ESA）成功发展了基于PROBA小卫星的紧凑型高分辨率成像光谱仪（CHRIS）并发射成功。这一计划的主要目标是获取陆地表面的成像光谱影像。系统还采用对地表选择对象的多角度观测技术以测量其二向性反射特性。CHRIS的地面采样间隔为17m，幅宽为13km×13km。在400～1050nm之间光谱分辨率为11nm。

2002年3月，欧空局继美国AM-1 MODIS之后又成功发射了Envisat卫星，这是一颗结合型、大平台、先进的极轨对地观测卫星，其上搭载的服务于多种目标的传感器确保了欧空局对地观测卫星的数据获取的连续性。其中MERIS（MEdium Resolution Imaging Spectrometer）为一视场角为68.5°的推扫式中分辨率成像光谱仪，它在可见—近红外光谱区有15个波段，地面分辨率为300m，每3天可以覆盖全球一次。MERIS的主要任务是进行沿海区域的海洋水色测量，除此之外，还可以用于反演云顶高度、大气水汽柱含量等信息。值得一提的是，MERIS虽然只有15个波段，但可通过程序控制选择和改变光谱段的布局，这无疑为未来商用光谱遥感器波段的设计和星上智能化布局开拓了新的思路。

日本继ADEOS-1之后于2002年12月发射了后继星ADEOS-2，其上携带着日本宇宙开发事业团（NASDA）的两个遥感器（AMSR和GLI）、国际或国内合作者提供的3个传感器（POLAR，ILAS-II，Sea Winds）。GLI在可见光-近红外光谱区有23个波段，在短波红外光谱区有6个波段，中红外和热红外光谱区7个波段。其主要提供海洋、陆地和云的高精度观测数据，其优点表现在可见光波段数比其他海洋水色遥感器和大气观测遥感器要多得多；还有海洋水色观测所需要的大气定标通道，以及陆地观测所需的高动态范围波段。另外，还有一些以前从来没有用过的重要通道，如0.38μm（近紫外），0.76μm（氧气吸收波段）和l.4μm（水汽吸收波段）。

澳大利亚也曾提出了自己的一套航天高光谱遥感系统发展计划，根据这一计划，一颗称为ARIES-1的高光谱遥感卫星原计划在2001年投入运行，后来因故取消发射。这颗卫星的设计寿命为5年，空间分辨率为30m，在0.4～2.5μm共有220波段，其中在可见光—近红外（400～1000nm）范围有60波段，在短波红外（900～2500nm）范围有160波段。这颗遥感卫星的重要目的之一是针对澳大利亚丰富的矿产资源开展调查研究进而研究环境问题，这从系统在短波红外区具有较高的光谱分辨率可以看出。尽管该系统设计先进，但因故取消发射计划。

我国在航天成像光谱系统方面也积极追踪国际先进水平，于2002年3月发射的“神舟—3”号无人飞船中就搭载了一个中分辨率的成像光谱仪（CMODIS），CMODIS有34个波段，波段范围在0.4～12.5μm。另外，在我国即将发射的环境与减灾小卫星星座中，也包括有一个128个波段的高光谱遥感器。此外在我国计划中的“风云-3”号气象卫星以及探月计划中，也包含了对航天成像光谱仪的研制和发展。

特别地，2018年5月9日，我国发射了世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星—高分五号，具备可见光至短波红外高光谱成像、可见光至长波红外多光谱成像、紫外至短波红外高光谱大气探测、可见光至近红外多角度偏振成像、红外掩星高光谱大气探测、海洋耀斑观测等多种观测能力，星上多项技术填补了国内空白，技术指标国际先进，获取的紫外—可见光—红外谱段的高光谱探测数据，将实现对大气环境、水环境、生态环境的综合观测，为我国各部门提供急需的各类高光谱遥感数据，进一步提升我国高光谱遥感信息获取能力。面向国家各行业迫切的业务需求，依托高光谱观测卫星遥感技术，后续将大力发展大气环境监测、水资源及生态环境观测卫星，逐步发展高轨高光谱观测卫星，形成面向多用户、高—低轨联合观测的高光谱卫星综合观测体系。

高分五号卫星携带的主要传感器如图1-6所示，包括可见光短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪共6个传感器。高分五号卫星搭载的6台有效载荷包含了对地成像载荷和大气探测载荷，既要保证对地成像载荷足够的空间分辨率，也要考虑大气探测载荷的全球覆盖及快速重访，对卫星轨道综合优化设计提出了更高要求。经优化，高分五号卫星选择高度为705km的太阳同步回归轨道。该轨道的准回归周期7天，每隔7天的星下点轨迹向西漂移53.9km，保证两台窄视场的相机（可见短波高光谱相机和全谱段光谱成像仪）的刈幅（60km）无缝搭接，配合卫星±25°侧摆能力，可实现5天我国领土及近海周边重访，同时该轨道高度可保证大视场的大气探测载荷在1～2天内全球覆盖，还能与美国A-TRAIN卫星星座（轨道高度705km）的相关载荷数据进行比对，相互验证数据精度，提升数据质量 ^[7] 。

可见光短波红外高光谱相机采用离轴三反望远镜，经基于高效凸面闪耀光栅的offner光谱仪进行精细分光，实现幅宽为60km、谱段范围为400～2500nm、共330个通道的高光谱成像；设置星上定标装置，可实现在轨光谱及辐射定标；可进行光谱在轨实时编程并选择任意谱段下传。该载荷获取的高光谱数据可用于生态环境监测、饮用水源地污染源监测、矿物识别、高光谱矿产资源调查与评价、高光谱地质环境调查与监测等。可见光短波红外高光谱相机VNIR、SWIR谱段的外景合成图像如图1-7所示。

全谱段光谱成像仪采用离轴三反主光学系统，利用组合滤光片方式实现12个谱段、60km幅宽、20m空间分辨率（VIS，SWIR）/40m（MWIR，LWIR）的多光谱对地成像；采用漫反射板组件和黑体实现不同谱段高精度在轨辐射定标。该载荷获取多光谱对地成像数据，可用于获取水体、植被、冰川、生态、矿产资源等分布信息，通过设置红外分裂窗谱段提高红外探测精度，反演高精度陆表、水表温度，提升我国在环境监测及资源调查等领域的能力。全谱段光谱成像仪外场成像图如图1-8所示。

高分五号高光谱观测卫星具备滚动机动和偏流角补偿能力，其探测谱段涵盖了紫外至长波红外的光学波段，在国际上首次实现宽幅（60km）、可见光短波红外高光谱（5～10nm）对地观测能力，在国内首次采用太阳掩星模式探测大气成分，在国际上首次采用星载空间外差一体化干涉仪探测温室气体，采用的多角度偏振技术将填补国内天基大气气溶胶探测领域的空白，光谱分辨率、灵敏度、定标精度等指标达到国际领先水平。高分五号高光谱观测卫星的主要技术指标见表1-3 ^[7] 。

高分五号高光谱观测卫星主要在污染气体、温室气体、大气气溶胶遥感监测、重点城市群空气质量及城市热岛效应监测、农林评估、饮用水源地监测、矿产资源调查等方面开展应用，其观测目标及应用见表1-4 ^[7] 。对地物目标及大气成分、云和气溶胶进行高光谱综合观测，可满足我国在污染减排、生态和环境安全、天地一体化监测体系构建、矿产资源调查、地质填图、农作物分类与估产等领域对高光谱遥感数据的迫切需求，填补我国在大气环境、水环境和生态环境高光谱综合观测领域空白。高分五号高光谱观测卫星的业务化运行，使我国掌握了高光谱遥感信息资源的自主权，摆脱了对国外高光谱遥感数据的依赖，满足国家对高光谱数据的紧迫需求，对发展我国高分辨率对地观测系统有重要的意义。