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天空的眼睛 – 地球观测的光学滤波片

 

“测量为控制与最终改进的第一步。若无法测量某样东西,则无法理解它。若未理解它,则无法控制它。若无法控制它,则无法提高它。”

H. James Harrington

自从 10,000 多年前的农业革命以来,人类越来越多地寻求方法来管理和改善我们的本地和全球环境。在现代世界,为了商业、安全、科学、环境以及我们与环境的影响/相互作用的目的,我们越来越依赖于控制能力或者至少是理解能力。这包括渴望增进对自然和人为或影响现象的理解,如森林火灾、闪电、大气成分(云和气溶胶)、天气(风暴)、海洋温度/洋流、森林和森林砍伐、农作物/地表覆盖和反照率、海冰和石油泄漏。改善管理或理解这些现象的能力,对于确保我们维护一个健康的星球,使其有能力维持作为其生物多样性的一部分的人类的生存至关重要。但是要理解这些现象以及它们是如何随时间而变化,就需要进行测量。  

视角

从外部观察通常可对环境提供独特的视野,而从内部无法客观地观察一个系统。在 20 世纪 60 年代,“挣脱这个乖戾的星球” 1的能力一形成,就很快成为政府资助的太空机构的竞赛,通过部署配有地球观测能力 (EO) 的卫星,以开发从上空观察地球的能力。从第一个太空多光谱成像仪 (MSI), 1972 年由 NASA 发射的 Landsat-1,到 2017 年发射的 ESA 的 Sentinel-2B “欧洲的地球之眼”,再到计划由 JAXA 发射的 GCOM-C,表 1 仅为迄今部署的不同光学 EO 仪器的几个例子。

美国国家航空和宇宙航行局 (NASA) Landsat-1 4 频带(绿色、 红色、两个近红外光谱) 1972
  JPSS; VIIRS (可见红外成像辐射计套件) 22 频带(412 纳米-12 微米); 1 PAN, 9 VIS/NIR, 8 MWIR, 4 LWIR 2011
GOES-16;  ABI (先进基线成像仪) 16 频带 (2 VIS; 4 NIR; 10 IR) 2016
GOES-16;  GLM (同步闪电映射器) 单一的近红外波段成像 777.4 纳米 2016
欧洲航天局 (ESA) ERS-1; IRR (红外辐射计) 4 频带 SI VIS-SWIR (650-1.6 纳米) 1991
  Proba-V (植被) 4 频带(蓝色、红色、NIR、MWIR) 2013
Copernicus – Sentinel-2B VIS/SWIR MSI 443-2190 纳米 2017
印度空间研究组织 (ISRO) Rohini RS-D2 VIS/IR 成像 1983
Oceansat(IRS-P4); OCM (海洋颜色监测仪) 8 频带 MSI VIS-IR 1999
RESOURCESAT-2A 4 频带 (3 VIS;  NIR/SWIR) 2016
日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) GCOM-C; SGLI (第二代全球成像仪) 19 频带; 近 UV 至 LWIR (380 纳米-12 微米) 计划 2017

表 1光学仪器使用的 EO 任务实例2 然而,从轨道进行观察提出了一系列挑战以及相关的解决方案:

  • 挑战:透过大气层(云/气溶胶)观察或在某些情况下只观察这些大气成分或现象
    • 解决方案:波长选择性成像
  • 挑战:观察大背景场景中的小信号
    • 解决方案:大型、高度均匀的会聚光学
  • 挑战:将尽可能多的测量能力封装到尽可能小而轻的包中,以降低发射成本
    • 解决方案:紧凑型/多光谱成像
  • 挑战: 确定从远处观察的现象的类型 (“什么”)和位置 (“何地”) (例如:近地轨道距离地球表面160-2000公里)
    • 解决方案: 高空间分辨率(“何地”)和光谱分辨率(“什么”)的组合
  • 挑战:在发射条件下幸存并在地球保护大气层外工作
    • 解决方案:稳固可靠的光学元件

不同设计和格式的光学滤波片是基于光子的 EO 仪器中每个解决方案的关键贡献者,充当 “仪器的眼睛”。

波长选择性成像

是否使用带通 (BPF)、陷波、或边通的设计,由其自然光学滤波片为其使用仪器提供波长选择性。在 EO 系统中,单选择波长频带通常是必要的,以允许观察代表特殊现象的独特光谱特征。不同的大气和环境成分有不同的波长,这些波长的反射、传输或吸收取决于它们的化学成分。下表显示了 NASA Landsat 8 上的光波段以及它们与被测成分的关系。

频带 # 波长范围 (nm) 空间分辨率 (m) 测量的组分
1 433-453 30 沿海(浅水)/气溶胶(细尘/烟)
2 450-515 30 可见(蓝色)
3 525-600 30 可见(绿色)
4 630-680 30 可见(红色)
5 845-885 30 近红外光谱-植被
6 1556-1660 30 地质学 – 地球、土壤和岩石
7 2100-2300 30 地质学 – 地球、土壤和岩石
8 500-680 15 PAN
9 1360-1390 30

表 2Landsat 8 光波段 [Ref NASA] 通过选择有与相关波段相对应的带通区域的光学滤波片,用户可以有选择地仅从被研究的成分或现象中观察信号,从而在数据中获得“更多无背景的信号”。

大型、高度均匀的会聚光学

如果有关成分的光谱带非常狭窄或接近“背景”波段,或若与背景相比,其信号强度弱,那么可能需要大而窄的带通滤波片 (NBPF) 提供增强的波长选择性。从轨道中测量或绘制闪电就是在大视场上要求高波长选择性的一个应用例子。可通过观察 777.4 纳米处的一个窄的原子氧三重线来研究闪电。然而,由于不确定何时何地会发生雷击,因此需要一个较大的探测器区域来维持这种非常窄的波长选择性。这就需要一个非常均匀且窄的光学滤波片。益瑞电已证明其有能力生产出集中于在直径大于 125mm 的工作光圈上的目标波长 20pm 范围内的窄带滤波片 (NBPF) 3

图 1 展示高度均匀大型窄带滤波片的 125mm 直径上中心波长的空间变化

具有这种精度和“视场”的仪器的优点必须与生产如此大型综合的滤波片和与之结合使用的光学元件所增加的重量和成本进行权衡。

紧凑型/多光谱成像

为了将“科学线”的重量和成本降至最低,许多 EO 成像系统试图通过使用一个探测器来查询多个相关的光谱带,从而将尽可能多的科学技术运用到一个仪器中。这种多光谱成像 (MSI) 推动了对滤波阵列的需求,在这些滤波阵列中,光谱性能在各个部分都有空间上的变化。

图 2有 10 个带通滤波片的多光谱阵列(由 ABB 加拿大针对加拿大航天局航天技术发展项目,依据分包合同开发)

通过使用这种结构的滤波片,探测器上不同的像素带对不同的光谱带以及由此产生的不同成分或有关现象都很敏感。制造多域/多光谱滤波片(MZF 或 MSF)阵列的制造可以通过两种方法进行:一种是砧板构造,其中的不同滤波片被制造、单颗化并一起组装成阵列;或者将单块基片上的不同光谱波段图案化(通过掩盖方式)。砧板 MZF 阵列具有的优势:通过避免化合镀膜流出产生,简化镀膜工艺;滤波片制造商只在任何给定基片上给单波段镀膜,这是应用于大多数“标准”光学滤波片制造的方法。当许多(>4 或 5)个相关波段有待研究或者单个滤波片波段的复杂性较高时,砧板阵列是一个不错的选择,它能促进滤波片镀膜厚度提高、流出产生减少。图案化 MZF 阵列提供这样的可能:创造出光谱波段的几乎任何尺寸或形状(不像在砧板中,它们无需为带条或矩形状),同时极大地改进(2 倍或更多)尺寸过渡区。过渡区以下的像素对于分析来说没有用,所以通过应用图案化阵列来降低良好像素的损失是有利的。此外,在单块基片上的涂层避免了与不同光谱带之间的对齐公差相关的难题。  

高空间分辨率和光谱分辨率

可以通过降低相关波段关联的滤波片带宽,来增强“科学线”的鉴别率。在 MSI 应用中,该光谱分辨率改进的代价是空间分辨率的降低,因为它有效缩小了任一波段的信噪比(更少的总光)和孔径尺寸(有效像素)。与之相反,如果使用跨越整个可见光光谱的宽波段全色(PAN)滤波片。那么这些像素处的总光的提高会改进空间分辨率。对于 Landsat 8, PAN 波段的空间分辨率是其他波段的两倍(15m 对比 30m)(见表 2)。通过结合 PAN 和波长选择带,并通过“PAN锐化”,可用阵列精确地映射出特定信号的来源和信号代表的内容。

稳固可靠的光学元件

最终,如果具有高分辨率光学滤波片的系统无法在轨道使用中保存下来,那么拥有这样的系统是没有价值的。通过对沉积过程(溅射或强化蒸发)和材料的仔细控制,有经验的制造商可以生产密度和附着力好的光学滤波片,以承受典型的地面温度和湿度变化的要求,而不随使用或随时间而变化或降解。典型的可靠性规范包括:

  • 在经过 24 小时湿热暴露(95 % 相对湿度; 49 °C)之后,表面质量中
    • 的光谱性能或降级无变化。
    • 从 -60 到 70 °C 的热循环/冲击测试
  • 附着力的胶带和摩擦实验

一旦进入轨道,这些滤波片和滤波片阵列可能还需要承受极端的温度(下降到 70 K)以及通常被我们大气过滤掉的太阳和电子辐射。在这些环境中使用的滤波片和滤波片阵列可能需要额外的专门测试来验证它们是否能在这个恶劣的环境中生存。  

未来的挑战

由于发射成本持续下降,太空商业化正在迅速发展。美国宇航局、欧洲航天局和印度空间研究组织继续规划并发射具有地球观测能力的卫星,我们越来越期望:地球观测卫星系列为私人组织机构所拥有、运行,如 Planet、Urthecast、Satellogic 和 BlackSky Global,而不是政府空间机构。SpaceWorks 在 “2016 纳米/微卫星市场预测” 中预测,从 2018-2020 年将有~1000 个纳米/微卫星 (1-50kg) 发射,其中 70% 将是商业项目而非政府项目。这些项目的 70% 以上有望应用于地球观测(地球观测项目在过去五年中从不到 40% 起提高至今)。这种空间资本主义将提供比以往更多的信息,且这些数据将不仅仅用于历史性国防和情报“老大哥”的目的。一旦超地球手机收集数据流得以开放,新的应用肯定会出现,并利用该信息更好地管理并控制地球活动与商业。光子学和光学滤波片将在许多新研发中发挥关键作用。  

  • [参考 John Gillespie Magee, Jr.]
  • [参考美国宇航局、欧洲航天局、印度空间研究组织、日本宇航探索局]
  • 大型带通滤波片 – 对均匀性的挑战(益瑞电)