专题一PLEIADES-HR辐射质量改进新技术-中国资源卫星应用中心

专题一：PLEIADES-HR辐射质量改进新技术 (1)

专题二：太赫兹探测技术在遥感中的应用 (15)

简讯： (18)

O MNI E ARTH公司要建小卫星遥感星座 (18)

NASA研究气溶胶改善气候模型 (19)

OCO-2发射成功并返回数据 (20)

全球最高分辨率商业卫星W ORLD V IEW-3发射成功 (22)

USGS等设立三维高程项目3DEP (26)

S ENTINEL-1A数据开放运营 (28)

中国资源卫星应用中心

第四期

专题一：PLEIADES-HR辐射质量改进新技术

第一颗Pleiades-HR卫星发射于2011年12月17日，它是由两颗卫星组成的Pleiades星座的一个组成部分。这颗卫星生产高分辨率光学影像。为了获取高质量的影像，Pleiades-HR应首先经历重要的、为期六个月的在轨测试。在轨测试期间，要进行定标和图像的辐射、几何质量评价，以保证给用户提供质量最好的影像。得益于众多领域的技术进步，这个新卫星的性能比其他的陆地观测卫星更为出色。本文将致力于讲述这些在Pleiades-HR卫星在辐射质量轨测试期间首次使用的新技术。

辐射质量在轨测试涉及压缩、绝对辐射定标、探元响应一致性、调焦、MTF评价、信噪比评价和地面系统数据处理参数调整。本文总结了以上涉及的每一项辐射性能。

（1）Pleiades-HR卫星介绍

PLEIADES计划是由法国国家太空研究中心主导建设的空间地球观测系统。它在2012年将运行两颗敏捷卫星，这两颗卫星将为民用用户和军用用户提供光学影像。

图1 墨尔本市中心的Pleiades-HR影像

自Pleiades 1A高分辨率光学卫星在2011年12月17日成功发射以来，法国国家太空研究中心已经对其进行了彻底的在轨测试和验证。

这颗卫星最主要的一个改进就是它平台的敏捷性。它能迅速地从一个姿态调整到另一个姿态，能迅速地获取分散的点目标信息，成像能力也有所提升。由于它的敏捷性，定义了一些制导策略以使其辐射和几何在轨测试变得容易。这为测量辐射和几何质量提供了新的可能性，并可以通过避免一些特定的成像方式来降低操作成本。本文只专注于讲述辐射方面。几何质量调试方面的信息请参考技术动态第三期《PLEIADES-HR图像几何质量调试新技术》。

全色模式（PA）和多光谱模式（XS）同时成像，可提供20公里幅宽、70cm分辨率的全色和多光谱融合影像。全色模式和多光谱模式的扫描线阵均由5个CCD阵列组成，阵列相互重叠以确保扫描线的连续性。这些阵列被安装在望远镜的焦平面上，一个积分时间获取一个扫描线。由于形变和全色模式TDI探测器的倾斜，全色和多光谱模式的视线不是一条直线。因此，一些制导方式分别适用于全色模式和多光谱模式。对于全色波段来讲，TDI（时间延时积分）探测器能够实现五个不同的曝光等级。

图2 Pleiades-HR焦平面

（2）探元响应的均一化校正和压缩

由于阵列上探元的敏感性不一致，对均匀地物成像时，获取的raw 格式图像存在垂直条带噪声。探元响应的均一化校正是利用探元间的相对增益和偏置对raw 格式图像进行校正，使输出图像是均匀的。

图3 Pleiades-HR 卫星全色波段拍摄的南极RAW 格式图像，竖条纹是可见的。

发射前的定标结果表明，探元响应是一个关于辐亮度L 的双线性函数，而不像大多数的卫星，探元响应是一个关于辐亮度的线性函数。双线性模型为：

如果，则

),(),()(),(11b n C L b n g b A b n X +?=γ

如果),(b n L L s >，则

[]{}),(),(),()(),(),()(),(1122b n C b n L b n g b b n L L b n g b A b n X s s +??+-??=γγ 对于波段b 的第n 个探元，A 是绝对定标因子，它将探元的比特值与辐亮度的测量值之间建立联系；C 是暗电流值，经典的测量方法利用夜间升轨拍摄的海洋图像来估算暗电流值。由于Pleiades 的敏捷性，这些专用的图像可以用星图（本质上主要是黑的）来代替，但要求这些星图已经适用于MTF 的测量。

γ和g 是相对偏置量，有两种方法可以对其进行估算。一种是经典方法，采用均匀景进行估算。著名的均匀景如南极和格陵兰的影像可以在六个月的在轨测试期间例行获取。另一种是新方法，采用

),(b n L L s ≤

AMETHIST影像进行估算。

图4 双线性辐射模型

探元响应的均一化校正系数值取决于TDI使用的积分级数。这个数值在在轨测试最初的几个月里设置成13，可以选择的数值有[7,10,13,16,20]。在轨测试期间，将会根据需要进行一些实验，以选择最优的积分级数。如果拖尾效应足够小，大的积分级数可以确保高的信噪比，而小的积分级数可以确保不饱和。由于图像采集的过程中，像元的动态范围是12比特，所以饱和值是4095。

探元响应的均一化校正可以作为后处理在地面完成，也可以在轨完成。非线性的均一化校正系数，即在轨定标数据从地面上传到卫星，并根据需要经常更新。大部分的图像（除了用来算定标系数的这些图像外）都使用定标系数在星上完成辐射校正，然后图像经过压缩再下传至地面。压缩算法基于三级分解的小波变换，与JPEG2000标准相似并适用于卫星图像：它是一种叫做“带状的”压缩，适用于推扫型大数据率成像仪。在这种模式下，相同的数据率的数据，每16行划为一个块。数据率可在以下几种数值中选择：[2,2.22,2.5,2.86,3.33,4]比特/像元。由于码流是嵌入式的，低数据率的图像可以由高数据率（4比特/像元）的图像模拟出来。在轨测试期间，标称的在轨压缩数据率将被优化以使压缩引入的伪信息和数据率均最小。最终，初始推荐的数据率被设置为2.86（全色模式）和3.33（多光谱模式）。

之所以说在在轨压缩之前进行归一化校正是更好的，有两个主要原因：压缩破坏了每个探元的辐射模型，因为它混合了不同列之间的

信息；当输出图像应该是个常值时，不需要条带编码，否则将浪费比特容量。

2比特/像元2.22比特/像元2.5比特/像元

2.86比特/像元

3.33比特/像元4比特/像元

图5全色波段解压及模拟的更低数据率解压图像（墨尔本地区）

(a)(b) (c)

图6 Pleiades-HR卫星不同阶段RAW格式图像

其中，图（a）为在轨拍摄的南极RAW格式图像，高频和低频条带噪声均可见；图（b）用发射前的定标系数进行辐射校正后的RAW 格式图像，一些条带噪声仍然可见，特别是低频的；图(c)用在轨更新

过的定标系数进行辐射校正后的RAW格式图像，条带噪声不再可见。

为了估算探元间的相对增益，每个探元必须接收相同的辐亮度。经典的方法是用参考辐亮度（L1，L2，L3）获取均匀景。

但是，这个方法的使用是受限制的，因为地球上不存在绝对均匀的地物。AMETHIST方法在Pleiades上次首次进行了实验，这种有效的方法避免了均匀性的限制。设计了一种特殊的制导方式以保证每个探元看到的是相同的目标：扫描线的地面投影与地速对齐。推扫的原理由原来的目的转变为生产20km的窄列图像，窄列图像通过创造非常窄的（几米宽）窄条带图像得到的。AMETHIST图像是由一些斜条带组成的，每个条带都是对一个地面点成像，它的长度表明了对它成像的探元的个数。

几何方面的限制（探元必须看到同一个地物区域）不能让全色模式和多光谱模式同时完成，这与焦平面的配置有关。因此不同的波段有不同的曲线姿态制导方案。

图7 AMETHIST的获取原理（红色区域表示目标地物线）

在预处理（即全局范围内移动RAW格式图像的每一列）之后，我们得到了一幅包含了全部所需信息的图像。这意味着每一行包含了一组对同一地物做出响应的探元。所以，非线性的均一化校正系数可以通过直方图匹配的方法计算出来。

图8 全色模式图像和多光谱模式AMETHIST图像示例

图9 校正过的全色AMETHIST图像示例

这种方法需要一些获取物（典型的30景图像）来完成均一化校正系数的估算而不收天气和地点的限制。这些系数的更新频率预期为6个月。

自从2009年开始，就开始分析像元响应的时间演化。结果表明发射后，探元响应发生了显著变化，这些变化应该被监测。NeDLI 测量了辐射校正之后的残留的非均一性（高NeDLI值表明竖条纹可见），这就是探元响应的时间演化的测量方法。地面测量一般每六个

月更新一次校正系数。最初的四个月表明NeDLI演化的足够缓慢，足够维持到第六个月。

（3）绝对定标

每个波段绝对定标系数的估算是基于各种地物已完成方法比较和时相监测。输入图像是采用相对归一化定标系数进行辐射校正的图像。这些地物已经被确定了一些年了，由于之前的卫星在轨测试时一直使用这些景物。它们现在已完全地个性化，并且仍被其他的法国国家太空研究中心发射的在轨运行的卫星所使用，这些卫星也可以做交叉定标。

这些地物包括：均匀的地物，如沙地和雪地；拉克罗试验场，它配有CIMEL辐射计，可以自动地提供多角度观测的大气数据和邻近区域的地面反射率的测量值；月球。

方法的最大范围是保证5%的绝对定标系数估算精度。最初的结果表明测量结果非常接近发射之前的测量值。

得益于Pleiades卫星的敏捷性，做了一些绝对定标系数关于卫星观测角度的敏感性的新研究。为了完成这项研究，获取了一些地方的图像序列。

（4）MTF评价和调焦

Pleiades的调焦系统包含了一个望远镜二镜位置的热控装置。开发并试验了一些新的方法，即利用仪器在大动态范围的散焦能力（典型地，为了测热稳定性在每一次热控制改变之后实施一个15分钟的脉冲）。

得益于Pleiades 卫星的敏捷性，开发和试验了一种基于星获取的新方法。这些点状物体是我们感兴趣的，因为它们可以直接用于MTF 的计算。与先前的方法相比，这种方法具有巨大的优势：不依赖天气条件，并且与地球观测获取不冲突。

得益于这些非常有效的方法，在Pleiades 发射五天之后就完成了调焦工作，以提高全色波段在乃奎斯特频率处的MTF 值。在图像质量评价算法中，这些MTF 值是要考虑的，如图像恢复算法和噪声测量。

（4）信噪比评价

Pleiades 卫星的仪器噪声模型c σ与多个贡献因子的平方和有关。贡献因子包括光子噪声s σ，量化噪声

q σ，暗噪声和电子噪声obs σ。噪声模型：222s q obs c σσσσ++=。这个模型有两种表述方式：在成像链路的末端用数字量化值表示；作为仪器的输入用辐亮度的单位m sr m W μ///2表示。两者之间的相互转换由绝对定标系数的均值来实现。

因此，全局的列信噪模型可以写为L b a L L L c +=)(σ，或是其等价模式L b a L V L L +=)(。用数字量化值表示时，模型为bq a q V +=)(。a 和b 是两个估算系数。参数a 不依赖于输入的辐亮度，可以由暗电流图像估算出。

一些方法用来估算仪器的噪声，其中有两种方法是全新的。两种方法都在在轨测试期间重新进行地面测量的时候成功地测试过，它们分别是：稳态模式获取法和高频分析法。

稳态模式观测法

第一种方法得益于卫星的敏捷性，卫星有一种“慢速移动”制导方式。稳态模式观测用来湖区地面上的点目标，其原理就是控制卫星使扫描线在地面上的投影恒定不变。

图10 稳态模式获取原理（红色为目标地物线）

因此，每个探元在列方向上获取的是地面上的同一个点，在观测方向上有些微的变化。图11展示了一幅稳态模式获取的一幅图像。这种模式能获取大量的输入辐亮度，使得探元的时间演化的计算变得容易。每一列都对应着一个探元对一个给定输入辐亮度的时间响应。

由于视线的投影效应，成像开始和结束的时候可能会产生几何形变，每个探元的时间响应应该在非搭接区的50个像元长度的列块上进行分析。

最终，全局噪声模型可以通过对所有探元响应的综合分析得到，覆盖了大量的输入辐亮度。为了提高输入辐亮度的动态范围，需要多一些稳态移动模式获取的图像综合分析。图12展示了一个例子，输入图像为32景。最终，我们可以评价仪器的噪声，以及它对辐射信噪比的贡献。

图11 稳态移动图像示例

高频分析法

另一种新技术叫BETSI，用于在高频滤波后测量高频残留。这项技术基于一个假设：高空间频率被MTF充分削弱以至于奈频附近只有噪声。

有三种方法满足这个假设：奈频出低MTF值；获取低复杂性的地物（例如，应该避免选择市区，因为其包含高频）的图像；获取离焦图像（通过使用望远镜系统的二镜位置热控系统）

由于Pleiades在奈频出有高MTF值，且BETSI技术一般应该具有低操作复杂性，因此BETSI技术不应该要求特殊地物图像的获取，

这种方法已经应用于全色波段离焦图像的处理。

图13 开普省城镇离焦图像示例（热控=3°C ，2011年12月23日获取）

BETSI 技术用到的数学工具是傅立叶变换或是小波分解。其理念就是选择一个高频子集，在这个子集中，地物的成分被足够的削弱以至跟噪声比起来是无关紧要的。基于傅立叶变换的方法包括以下步骤：对图像进行傅立叶变换，应用二值掩模挑选出高频域，进行傅立叶逆变换，这样可以得到高频噪声图像。原始图像和滤波后的图像都应该在非搭接区裁出大小为N ×N 像元的一些图块。对于每一个图块，平均信号值应来自原始图像，方差应来自高频噪声图像。由于噪声方差是在傅立叶变换域的一个子集中计算的，它必须经过归一化因子进行放大。归一化因子仅仅是子集和整个频域表面积的比值。因此，一景图像可以生产出一个巨大的（本地信号q ，噪声方差V ）对集合，可以从统计学上进行线性函数L b a L V L L +=)(的正确估算。

频域可以通过人工（例如确定二值环状掩模的半径）或是自动（让算法寻找最佳区域）方式选择。这方法生产出鲁棒性更好的噪声估计模型，这个模型中傅立叶域的子集大。

当MTIF 是已知的（Pleiades 就是这种情况，见图14），频域可以在归一化的倒易晶胞处轻易的选出（倒易晶胞是与空间采样栅格相关的频率区域）。

例如，Pleiades 全色波段离焦图像（开普省城镇区域，如图13

所示）半径为0.65时就满足了，因为从奈频/2到奈频MTF值接近0。所以，噪声可以从一个巨大的傅立叶域子集中估算出来。

图14 Pleiades的MTF示意

黑色的线表示全色波段MTF等级线，fx和fy轴分别代表沿X和Y方向的频率；

绿线部分表示倒易晶胞，奈频处（abs(fx/fe)=abs(fy/fe)=0.5），MTF 值等于0.16。

红色的线代表半径为0.65的掩模，蓝色区域代表相关的频率子集。在这个区域里max(MTF)=0.0987、min(MTF)=0.0554、mean(MTF)=0.079。

对于离焦图像，MTF在频率域[-0.5：-0.25，0.25：0.5]中等于0，这确保了蓝色区域只包含噪声。

（5）图像主要的辐射质量性能

下表给出了从卫星发射至2012年4月期间，对Pleiades 1A图像主要辐射质量性能进行评价的结果。其中一些到在轨测试结束（2012年6月30日）之前还会更新。

专题二：太赫兹探测技术在遥感中的应用

太赫兹（Terahertz，THz）通常是指频率在0.1THz～10THz（波长为0.03mm～3mm）的电磁波。它的长波段与发展较为成熟的微波、毫米波（亚毫米波）相重合，主要依靠电子学科学技术；而它的短波段与红外线相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，可见，THz 波是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的THz空隙（THzgap）。

（1）太赫兹波的性质与特点

由于THz波在电磁波谱中所处的特殊位置，与微波、毫米波和光波相比，THz波具有许多特殊的性质与特点：

THZ光子能量和黑体温度很低。频率为1THz的电磁波的光子能量只有大约4meV，约为X射线光子能量的百万分之一，与其相比具有低能性，不会对生物组织产生有害的电离，适合对生物组织进行活体检查。

大分子物质对THZ的吸收具有“指纹”特性。物质的生物大分子的低频振动和转动能级都落在THz波段范围。大分子物质都有特定的振动和转动能级，能够对THz波产生特定的吸收，具有明显的“指纹”特性。

THz波具有选择吸收特性。THZ波可以透过一些在可见光和红外波段不透明的非金属的、非极性的物质，如密封的包裹、纸板、塑料、衣物及鞋子等具有部分透过特性，但是对于极性的水分子、氨分子、SO2等展现出高吸收与指纹特性，因此具有选择吸收特性。

THz的时域频谱信噪比很高。这使得THz非常适用于成像应用。

THZ比无线电优势明显。与无线电及微波相比，THz的频率高，带宽很宽（0.1THz～10THz）。

（2）国内外太赫兹科学与技术的研究现状

在美国，有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室都在开展THz科学技术的研究工作。美国国家基金会（NSF）、国家航天局（NASA）、能源部（DOE）和国家卫生学会（NIH）等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。近年来，以美国防高级研究计划署DARPA等为中心，积极推进以国防为主要目的的尖端技术开发和超高速电子领域的相关项目研究。

在欧洲，政府和企业围绕THz技术的广泛应用，加强产学研合作的研发日益活跃。

在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作，日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。

在我国内地，以“太赫兹科学技术”为主题的第270次香山科学会议被认为是我国THz研究工作的里程碑。2005年科技部、中国科学院、国家自然科学基金委联合召开了以THz科学技术为主题的第270次香山科学会议。此后，THz科学技术受到国家的高度重视，并逐步加大了对THz研究工作的关注和支持力度，2007年科技部设立了973重大基础研究项目，国家自然科学基金委逐年增加了多项THz 相关重大、重点及面上研究项目。在这些项目的支持下，电子科技大学、南京大学、首都师范大学、东南大学、中科院上海微系统所、天津大学等单位在基于真空电子学、光子学、量子级联激光器的THz 辐射源、超导探测、特殊材料、成像及波谱分析等领域取得了大量具有国际先进水平的研究结果，逐渐在国际THz科学技术研究领域占有一席之地。

（3）太赫兹技术在遥感中的应用

由于THz波与其他电磁波段相比具有诸多独特的性质，使得它在许多领域具有不可替代的重要应用价值，例如：环境监测、军事领域、卫星通信与雷达、反恐与安全检查、医学诊断及成像。其中，THz 波以及亚毫米波在大气遥感中具有广泛的应用前景。

大气中的微粒对光束有散射作用，散射强度与波长的四次方成反比。当不存在吸收物质时，THz波的衰减低于可见光。一般当大气中存在的微粒尺寸与探测波长接近时，探测信号会明显改变，因此使用THz波可以监测沙尘天气。更重要的是在该波段内许多分子有特征吸收线，可以用来探测大气中特定种类或相态的踪迹成分，如水气、冰云、臭氧等，从而给出有关对流层和平流层中上升气流运动的信息，实现环境降水分布监测。

THz波对因人类活动而排放的含氯、氮、硫、氰废气有特殊的敏感性，可用于臭氧层的大气环保监控。THz波段覆盖着地球50%以上的长波辐射，一直以来都被认为是了解全球变暖过程的重要波段。由于处在无线电波与光波的中间区域，THz波可以综合表现出两者的各自特点。最值得注意的是，它兼有无线电波的透过性和光波的方向性（比如，较高的空间分辨率）。

日本国家信息与通信技术研究所（NICT）的相关研究表明，THz 波段是最适合用来观测几百微米大小的冰云颗粒的。他们也开始认识到，THz波段也非常适合用来对地球大气层中存在的水蒸气进行观测。例如，利用THz水蒸气观测技术的灵活性和敏感性，人们有可能提供城市地区的局部暴雨预报。

简讯：

OmniEarth公司要建小卫星遥感星座

美国德雷泊实验室、达因技术公司和哈里斯公司正在同新成立的全景地球（OmniEarth）有限责任公司联手，要建设、发射和运营一个由18颗小卫星构成的星座，用于每天提供全球性的高分辨率地球图像。全景地球公司还在为这一商业风险项目寻找更多的合作伙伴、投资者和用户，预计该项目需要约2.5亿美元的投资。该公司致力于每天都能获取任何地点且质量达到科研用水平的多光谱图像，并以订购方式向用户提供。全景地球公司总裁戴鲁德本身也是德雷泊实验室地球与空间科学实验室的负责人。除拍摄图像外，全景地球公司还拟向商业、科研和政府机构提供变化探测产品和分析技术，潜在应用领域包括农业、油气勘探与生产、测绘与地理空间服务、应急反应、国家安全和移动设备保障。

全景地球公司是把目光投向正日益增长的高分辨率地球图像市场的多家新公司之一。这些公司包括加州旧金山的行星实验室公司和芒廷维尤的天盒成像公司。全景地球公司官员称，他们的特色将是能每天提供整个地球科研级别的多光谱数据。相较而言，天盒公司是要采集用户感兴趣区域的高分辨率视频和静态图像；而行星实验室公司拟利用100颗立方星来采集地球表面绝大部分区域的图像，但其卫星上不配备多光谱遥感器。德雷泊实验室将负责全景地球公司项目的技术规范和系统工程。达因技术公司作为投资方和合作伙伴，已完成了卫星的初步设计。公司航天飞行器技术经理格雷夫斯说，这些卫星能在约0.5立方米的区域内容纳110公斤有效载荷。哈里斯公司将负责推销每颗星上多达80公斤的有效载荷搭载空间，并负责有效载荷集成，该公司还在为铱公司的“下一代铱”通信星座推销星上搭载空间。

达因技术公司在设计全景地球公司卫星时利用了其为NASA研制

FASTSat的经验。FASTSat是2010年美国空军的“空间试验计划”，采用“渐进一次性运载器”(EELV）火箭发射的。全景地球公司的卫星也被设计成采用这种辅助有效载荷适配器发射，一次最多可发射5颗。这些卫星的独特之处在于其强大的数据存储和下传能力：下行通信速度超过1.2吉比／秒，星上可存储1太比数据，是相同体量卫星中最强的。全景地球公司的卫星还将采用一种高性能推进系统，能够非常精确地控制各颗卫星的间距，并在7到10年的运行过程中保持这种位置，这对变化探测感兴趣的研究具体重大意义。

NASA研究气溶胶改善气候模型

2014年7月26日从NOAA/NASA的地球静止业务环境卫星GOES-15卫星上，可以看到沿加利福尼亚海岸的低层云层。美国航空航天局和加州理工学院正在着手研究探讨气溶胶水平变化如何影响云层。今年美国航空航天局五个新的地球科学任务将联合太空中的陆地卫星8，增强我们对地球气候和环境变化的了解。