“测量是引导控制并最终改进的第一步。如果您不能测量某一件东西,您就无法了解它。如果您不能了解它,您就不能控制它。如果您不能控制它,您就不能改进它。”

H. James Harrington

自从 10000 多年以前的农业革命以来,人类一直在不断寻求管理和改进地方和全球环境的方法。在现代世界中,我们变得越来越依赖控制或者起码了解这类控制能力,以便应用于商业、安全保障、科学、我们的环境以及我们对它的影响和双向互动。这包括增进了解天然和人造或受影响现象的渴望,如森林火灾、闪电、大气成分(云和气溶胶)、天气(暴风雨)、海洋温度/洋流、森林和森林砍伐、庄稼/地被物和反照率、海冰以及石油泄漏。管理或了解这些现象的改进能力至关重要,它能确保:我们维持一个健康的地球,能够使人类作为其多样化生物质的一部分继续生存下去。但是,要想了解这些现象并知道它们如何随时间变化,需要进行测量。

视角

从外部查看通常提供对于环境的独特洞察,因为从内部观察系统的话,要做到客观是非常困难的。在 60 年代,“摆脱地球的枷锁”1一经确立,政府赞助的空间机构迅速竞相开拓能力,通过部署能够进行地球观测 (EO) 的卫星,从太空观测我们的地球。表格 1 图解说明了迄今为止部署的一些不同光学地球观测仪表的例子:从美国宇航局于 1972 年发射的第一个天基多光谱成像仪 (MSI) Landsat-1,到欧洲航天局于 2017 年发射的 Sentinel-2B“欧洲眼中地球”,再到日本宇航探索局计划发射的 GCOM-C。

美国宇航局 Landsat-1 4 个波段(绿色、红色、两个近红外) 1972
  联合极地卫星系统;VIIRS(可见红外成像辐射计套件) 22 个波段(412 纳米-12 微米);1 个 PAN、9 个视觉识别系统/近红外、8 个中波红外、4 个长波红外 2011
GOES-16;ABI(先进基线成像仪) 16 个波段(2 个视觉识别系统;4 个近红外;10 个红外) 2016
GOES-16;GLM(地球静止闪电成像仪) 单近红外波段成像 777.4 纳米 2016
欧洲航天局 ERS-1;IRR(红外辐射计) 4 个波段 MSI 视觉识别系统-短波红外(650-1.6 纳米) 1991
  Proba-V(植被) 4 个波段(蓝色、红色、近红外、中波红外) 2013
哥白尼 – Sentinel-2B 视觉识别系统/短波红外 MSI 443-2190 纳米 2017
印度空间研究组织 Rohini RS-D2 视觉识别系统/红外成像 1983
海洋卫星 (IRS-P4);OCM(海洋颜色监控器) 8 个波段 MSI 视觉识别系统-红外 1999
RESOURCESAT-2A 4 个波段(3 个视觉识别系统;近红外/短波红外) 2016
日本宇航探索局 GCOM-C;SGLI(第二代全球成像仪) 19 个波段;近紫外到长波红外(380 纳米-12 微米) 2017 年计划

表格 1。采用光学仪器2 的地球观测任务示例。但是,从轨道处观测导致其本身就有许多挑战和相关解决方案:

  • 挑战:看透大气(云/气溶胶)或者在某些情况下,仅观测这些大气成分或现象
    • 解决方案:波长可选择性成像
  • 挑战:在大的背景场景中观测小信号
    • 解决方案:大型高度均匀集光系统
  • 挑战:包装要尽量小、重量轻,同时尽可能装入尽可能多的测量功能,以减小发射成本
    • 解决方案:紧凑/多光谱成像
  • 挑战:在远距离观测时确定现象的类型(“内容”)和地点(“何地”)(例如:低地球轨道位地表以上 160-2000 km)
    • 解决方案:结合高空间分辨率(“何地”)和光谱分辨率(“内容”
  • 挑战:在发射条件下生存下来,并在地球保护大气毯以外运行
    • 解决方案:稳健可靠的光学元件

不同设计和形式的光学滤波片是基于光子学的地球观测仪表系列范围内对于每一此类解决方案的关键因素,起到“仪表之眼”的作用。

波长可选择性成像

无论是单个带通滤波片 (BPF)、缺口还是边通设计,就其性质而言,光学滤波片向使用它们的仪表提供波长可选择性。在地球观测系统中,经常必需应用单个选择性波长波段,以便观测代表相关特定现象的独特光谱特性。不同的大气和环境成分具有不同的波长波段;其反射、传输或吸收具体取决于它们的化学组成。下表显示了美国宇航局的 Landsat 8 上的光学波段,以及它们如何与测得的成分相关联。

波段 # 波长范围(纳米) 空间分辨率 (m) 测得的成分
1 433 -453 30 沿海(浅水)/气溶胶(粉尘/烟雾)
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 – 植被
6 1556 -1660 30 地质情况 – 地球、土壤和岩石
7 2100 -2300 30 地质情况 – 地球、土壤和岩石
8 500 -680 15 全色
9 1360 -1390 30

表格 2。Landsat 8 光学波段  [参考美国宇航局] 通过选择具有对应于相关波长段的带通区域的光学滤波片,用户就可以在研究中选择性地仅观测来自成分或现象的信号,从而在其数据中增加“较弱背景下的较强信号”。

大型、高度均匀的集光系统

如果相关成分具有非常窄的光谱带,或者其光谱非常邻近“背景”波段,或者信号较之于背景作用微弱,则可能需要窄带通滤波片 (NBPF) 以提供更强的波长可选择性。从轨道处测量或测绘闪电是一个大视野上苛刻要求高波长可选择性的应用示例。可以通过观测 777.4 纳米下窄原子氧三重线来研究闪电。但是,由于闪电在何时何地发生无法确定,必需安排较大的探测器灵敏面积,在其上保持该非常窄波长的可选择性。这要求配备极度均匀、狭窄的光学滤波片。益瑞电展示了生产这类窄带通滤波片的能力,后者对中于目标波长的 20 皮米范围内,其操作通光孔径 >125mm3

图 1. 中心波长在 125mm 直径上的空间变化展示出高度均匀的大型窄带通滤波片 具有该精度和“视野”的仪表的优点必须抵消掉增加的重量和成本,从而生产出这类大型复杂滤波片以及与其结合使用的光学元件。

紧凑/多光谱成像

为了尽量降低每个“科学线”系列的重量和成本,许多地球观测成像系统试图尽可能多地将科学应用于单个仪表,通过使用单个检测器询问相关多光谱带。该多光谱成像 (MSI) 推动了对于滤波片阵列的需求,其中的光谱性能在不同部分上有所不同。

图 2.10 个带通滤波片的多光谱阵列(依据来自 ABB 加拿大的分包合同开发,用于加拿大太空总署的空间技术发展方案)使用这类构造的滤波片时,检测器上的不同像素带会对不同的光谱带产生灵敏反应,从而对不同的相关成分或现象敏感。生产多区域/多光谱滤波片(MZF 或者 MSF)陈列有两种方法:一种是使用砧板结构,从中生产、单颗化不同的滤波片,然后将其组装成一个阵列;另一种是在单块衬底上对于不同的光谱带加以图案成形(经由遮蔽)。砧板 MZF 陈列具有通过避免产生复合涂层流出量来简化涂层处理的优点;滤波片制造商只在任何给定基片上涂敷单一条带,这是大多数“标准”光学滤波片制造所使用的方法。在要研究许多(> 4 或 5)相关条带时,或者在单个滤波片带的复杂性很高时,砧板阵列的方法会是一项好选择;它促使滤波片涂层厚度增加,涂层流出量减少。图案形成 MZF 提供这样的可能:创造出光谱带的几乎任何尺寸或形状(不象使用砧板,它们不必定为带条或矩形),在尺寸过渡区作出极大改进(2 倍或更大)。过渡区下的像素对于分析来说没什么用,所以通过使用图案形成陈列来降低好像素的损失是有利的。此外,单块衬底上的涂层可以避免不同光谱带之间对准公差的相关挑战。

高空间分辨率和光谱分辨率

可以通过减小与相关带关联的滤波片的带宽来增强“科学线”的较大鉴别率。在 MSI 应用中,光谱分辨率的该项改进会付出空间分辨率降低的代价;因为它有效地缩减了任一波段的信噪比(总光减少)和孔径尺寸(有效像素)。与此相反,如果使用宽波段、跨越整个可见光谱的全色 (PAN) 滤波片,则照射在这些像素上总光的增加将产生更好的空间分辨率。就 Landsat 8 而言,全色波段较之于其他光学波段,拥有两倍的空间分辨率(15m 对 30m)(见表格 2)。通过将全色波段与波长可选择波段结合在一起,经由“全色锐化”,可以将阵列应用于两方面:精确测绘特定信号的起源处;该信号代表的内容。

稳固可靠的光学器件

最后,如果具有高分辨率光学滤波片的系统,但是它无法在轨道应用时保存下来,则没有任何价值。通过小心控制沉积工艺(溅射或者强化蒸发)和材料,有经验的制造商可以生产出具有良好密度和附着力的光学滤波片,可以承受温度和湿度变化的典型地面要求,而无需变更或降级使用、超时加班。典型可靠性规范包括:

    • 24 小时湿热暴露(95% 相对湿度;49 °C)之后,光谱性能没有变化,表面质量没有降级。
    • 热循环/热冲击测试 从 -60 到 70 °C
  • 附着力的胶带和摩擦测试

一旦入轨,这些滤波片和滤波片阵列也可能需要承受极端温度范围(降至 70 K)和通常情况下被地球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进行附加的专门测试,以验证:它们能够在此类恶劣环境中保存下来。

未来的挑战

由于发射费用持续下跌,太空商业化正在迅速发展。随着美国宇航局、欧洲航天局和印度空间研究组织继续规划发射具有地球观测能力的卫星,我们会越来越强烈地期待:私人组织机构将拥有并运行一系列这类卫星,如 Planet、Urthecast、Satellogic 和 BlackSky Global, 而不仅仅是政府空间机构。在“2016 纳米/微卫星市场预测” 中,SpaceWorks 预测:自 2018 至 2020 年期间,共计会有 1000 颗纳米/微卫星 (1-50kg) 发射,其中的 70% 为商业卫星,而不是政府项目。这些项目中有超过 70% 有望应用于地球观测(从过去五年中地球观测项目 < 40% 起开始起步)。这一太空资本主义将提供比过去任何时候更多的信息,而且该资料将被用于多种用途,而不仅仅是属于过去的国防和人工智能“老大哥”。一旦地球外收集的资料流被开放,新的应用肯定会出现,利用该信息来改进地球活动和商业的管理与控制。光子学和光学滤波片正准备发挥关键作用,促成许多这类新发展。

  • [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 – 均匀度的挑战(益瑞电)