Гиперспектральные спутники, эволюция и история развития

Аннотация— Гиперспектральная визуализация возникла как новое поколение технологий для наблюдения за Землей с начала этого тысячелетия и широко используется для решения различных задач. Детальная спектральная информация, получаемая гиперспектральными съемочными системами, часто дает результаты, невозможные для мультиспектральных или других типов спутников. В данной статье представлен обзор космических гиперспектральных съемочных систем, эволюции технологий и истории их развития. В первой части данной статьи описан принцип гиперспектральной съемки. Затем дается обзор истории развития гиперспектральных технологий, начиная с первого бортового гиперспектрального сенсора AIS, построенного в начале 1980-х годов, первого действующего воздушного гиперспектрального сенсора AVIRIS, разработанного с середины 1980-х годов, первого коммерческого бортового гиперспектрального прибора CASI, производимого с конца 1980-х годов, за которым последовало развитие гиперспектральной технологии в Канаде между 1980-ми и 1990 годами. В 1990-х годах НАСА планировало вывести на орбиту гиперспектральные съемочные системы, пока в 2000 году не был запущен первый космический гиперспектральный спутник Hyperion. Существует, по крайней мере, двадцать пять гиперспектральных съемочных систем, которые были развернуты в космосе. Среди них девятнадцать спутников, вращающихся вокруг Земли. Еще шесть находятся вне околоземных орбит для миссий на Луну, Марс, Венеру и кометы. В статье кратко описаны эти космические гиперспектральные съёмочные системы и их задачи с акцентом на параметры работы приборов и технические характеристики. В этом документе также кратко рассматриваются шесть будущих космических гиперспектральных миссий, включая EnMAP, MAJIS, OCI, HyspIRI, FLORIS и CHIME.



Индексные термины — Гиперспектральные спутники, история развития, спектроскопия изображений, наблюдение за Землей, освоение космоса, обзор.



I. IВВЕДЕНИЕ

Мультиспектральные спутники



В то время, как такие как спутники Landsat и SPOT, регулярно используются с 1970-х годов, гиперспектральные спутники появились как новое поколение спутников дистанционного зондирования Земли с начала этого тысячелетия. Спектрометрия изображений, также известная как гиперспектральная визуализация, представляет собой комбинацию традиционной технологии спектроскопии и современную систему визуализации [Qian 2013].



Технология спектроскопии или спектрометрия занимается измерением определенного спектра для идентификации веществ. Это ключевой аналитический метод, используемый для исследования вещественного состава и связанных с ним процессов через изучение взаимодействия света с веществом. Это взаимодействие создает некую форму электромагнитных волн. С помощью спектрометра можно определить уровень возбуждения в атомах вещества, чтобы определить, что это за материал. Определение состава дистанционно, без физического контакта, является одной из самых ценных возможностей спектроскопии. Технология спектроскопии широко используется в физических, химических и биологических лабораториях для исследования свойств материалов. Спектроскопические данные часто представлены спектром излучения, графиком интересующего отклика в зависимости от длины волны или частоты. Например, использование колориметрии для исследования холестерина или сахара в крови в химических лабораториях является формой спектроскопии. Спектрометрия также используется для определения уровня алкоголя в крови, проверки автомобильных выбросов и мониторинга загрязнения от дымовых труб.



Система обработки изображений преобразует визуальные характеристики объекта, такие как физическая сцена или внутренняя структура объекта, в цифровые сигналы и создает закодированные в цифровом виде представления, которые обрабатываются процессором или компьютером и выводятся в виде цифрового изображения. Системы визуализации, как правило, состоят из камеры, объектива для визуализации, а также осветительного прибора. В зависимости от конфигурации системы, система визуализации может позволять увеличивать или улучшать изображение наблюдаемых объектов, чтобы облегчить просмотр небольших или нечетких объектов. Компьютеры становятся все более и более мощными, с увеличением возможностей для запуска программ любого рода, особенно программного обеспечения для работы с цифровыми изображениями.



Сочетание технологии спектроскопии и современной системы визуализации называется спектрометрией визуализации, которая в настоящее время также называется гиперспектральной визуализацией. Она позволяет измерять спектр для каждого элемента (или пикселя) изображения. Это обеспечивает революционный способ наблюдения за Землей и другими планетами путем получения информации о каждом пикселе в поле зрения по всему электромагнитному спектру. Гиперспектральная камера, работающая в спектре отраженного солнечного излучения, детально распознает объекты на земле в спектральном и пространственном аспектах. Молекулы и частицы суши, воды и атмосферы взаимодействуют с солнечной энергией в спектральной области 400–2500 нм посредством процессов поглощения, отражения и рассеяния. Эти спектральные измерения используются для определения состава компонентов с помощью физики и химии спектроскопии для научных исследований и практического применения. Основное преимущество гиперспектрального изображения заключается в том, что, поскольку для каждого пикселя полученного изображения используется весь спектр, оператору не требуется предварительные знания об образце, а постобработка позволяет использовать всю доступную информацию из набора данных [Chang 2003]. Гиперспектральная визуализация также может использовать пространственные отношения между различными спектрами в определенной области, что позволяет создавать более сложные спектрально-пространственные модели для более точной сегментации и классификации изображения [Grahn and Geladi 2007].

На рисунке 1 показана концепция и принцип работы гиперспектрального спутника. Он получает изображения наземной сцены в сотнях непрерывных и узких спектральных каналах в диапазоне длин волн от ближнего ультрафиолетового до коротковолнового инфракрасного. Каждое изображение, часто называемое спектральным образом, соответствует определенной длине волны. Собранный «куб данных» содержит как пространственную, так и спектральную информацию. Каждый пиксель в сцене преобразуется в сотнях узкополосных изображений в определенном пространственном месте в кубе данных, в результате чего получается одномерный (1D) спектр. Далее мы видим график зависимости длины волны от излучения или коэффициента отражения. Спектр одного пикселя, полученный гиперспектральным спутником, можно рассматривать так же, как спектр, полученный в лаборатории спектроскопии. Спектр может быть использован для идентификации и характеристики конкретной особенности пикселей в сцене на основе уникальной спектральной подписи или сигнатуры. Гиперспектральные изображения могут обеспечить прямую идентификацию поверхностных материалов, которые используются в широком спектре применений дистанционного зондирования, включая геологию, сельское хозяйство, лесное хозяйство, окружающую среду, исследования океана, атмосферя, изменения климата, оборону и безопасность и т.д. Детализированная спектральная информация, получаемая с помощью гиперспектральных изображений, часто дает результаты, невозможные при использовании мультиспектральных или других типов изображений [Qian 2016].

Рис.1 Иллюстрация концепции и принципа работы гиперспектрального спутника. Куб данных и спектр для каждого пикселя генерируются гиперспектральным спутником.

II. Подходы к гиперспектральной съемке



Гиперспектральные съемочные системы получают как пространственную, так и спектральную информацию о сцене и генерируют куб данных для сцены. Существует, по крайней мере, четыре различных подхода к получению гиперспектральных изображений с точки зрения средств спектральной дисперсии или типа используемых спектрометров:


1) Подход, основанный на дисперсионных элементах,
2) Подход, основанный на спектральных фильтрах,
3) Интерферометр с преобразованием Фурье
4) Моментальная гиперспектральная визуализация.


В данной статье рассматриваются эти подходы.



A. Подход, основанный на дисперсионных элементах


Гиперспектральная съёмочная система на основе дисперсионных элементов разделяет излучение объекта на составляющие спектров с помощью дисперсионных элементов, таких как призмы или дифракционные решетки. Решетка или прозрачная призма, вставленная в коллимированный пучок спектрометра для разбиения светового излучения на составляющие его монохроматические составляющие. Монохроматические компоненты, рассеянные решеткой, находятся в линейном распределении, тогда как монохроматические компоненты, рассеянные призмой, находятся в нелинейном распределении. Зернистость также может быть использована для разбиения излучаемого света на составляющие его монохроматические составляющие. Гризм представляет собой комбинацию решетки и призмы (также называемой решетчатой призмой), так что свет излучения на выбранной центральной длине волны проходит прямо через нее.


Гиперспектральные съемочные системы на основе дисперсионных элементов являются наиболее востребованными как для воздушного, так и для космического дистанционного зондирования. Этот тип гиперспектральных съёмочных систем должен сканировать сцену на земле либо специальным сканером, либо всем прибором с движением самолета или спутника для получения пространственного покрытия. В режимах сканирования сцены предусмотрено два режима работы: pushbroom и whiskbroom. Гиперспектральный сенсор на основе дисперсионных элементов, использующий 1D-линейные детекторные решетки, работает в режиме whiskbroom, в то время как гиперспектральная съемочная система на основе дисперсионных элементов, использующий 2-мерные (2D) решетки детекторов REA, работает в режиме pushbroom.



Для ранних летательных гиперспектральных сенсоров часто использовался режим работы whiskbroom, например в спектрометре AVIRIS, разработанном Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) [Green et al. 1998]. Это было связано с тем, что использовались 1D линейные детекторные решетки, которые могли регистрировать монохроматические компоненты спектра только одного наземного пикселя (или ячейки наземной выборки) в каждый момент времени. Прибор должен получать изображение одного пиксела за другим, последовательно формируя поперечную линию , как показано на рисунке 2. После завершения сканирования всех пикселов в текущей поперечной линии прибор начинает сканирование пикселов для формирования следующей поперечной линии, в то время как летательный аппарат или спутник продолжает движение вперед (также называемом продольным направлением) и так далее.

Рис.2 Концепция гиперспектрального сенсора, работающего в режиме метлы с использованием линейной детекторной решетки.

Преимуществами гиперспектральной съемочной системы whiskbroom являются:



1) Простая конструкция прибора,

2) Широкая полоса (т.е. длина поперечной линии трека), так как ширина полосы определяется механизмом сканирования, а не доступным числом пикселей в пространственном направлении массива 2D-детекторов, и

3) Легкая калибровка, так как все спектры ячеек отбора проб грунта в пределах сцены генерируются одной и той же линейной матрицей детекторов и одной и той же оптикой, которые имеют идентичные спектральные характеристики. Этот тип гиперспектрального сенсора не имеет пространственных искажений (также называемых трапецеидальными искажениями), как и гиперспектральный сенсор с метлой.

Недостатками гиперспектральной съемочной системы whiskbroom являются:

1) Необходим механический сканер, который содержит движущиеся части в вакуумной камере,

2) Постобработка требуется для пространственной неконгруэнтности,

3) Ограничения высоких требований к спектральному и пространственному разрешению из-за малого времени интегрирования.



Практически все космические гиперспектральные сенсоры используют матрицы 2D-детекторов и работают в режиме pushbroom. На рис.3 показан пример концепции гиперспектральной съемочной системы на основе дисперсионных элементов, использующей 2D-детекторную решетку. Как показано на рисунке, метод позволяет формировать одномоментно всю поперечную линейку пикселов, в то время как самолет или космический корабль обеспечивают непрерывное сканирования за счет своего поступательного движения. Таким образом попиксельное формирование изображения не требуется. 1D-изображение поперечной линии, сформированное на щели спектрометра, затем диспергируется на 2D-детекторную решетку, которая обеспечивает получение спектральной информации вдоль одной оси и пространственную информацию по другой. Эта архитектура эффективно интегрирует в один прибор столько отдельных спектрометров, сколько пикселов формируется в поперечной линии.

Рис.3 Пример концепции гиперспектральной съемочной системы на основе дисперсионных элементов.

Преимущества гиперспектральной съемочной системы на основе дисперсионных элементов, работающего в режиме pushbroom:



1) Отсутствие движущихся частей,

2) Конгруэнтность пространственных изображений,

3) Более длительное время интегрирования для каждой ячейки отбора проб грунта, так как каждая из них обнаруживается одновременно несколькими элементами массива 2D-детекторов (например, рядами A, B, C,..., G на рис. 3), а не друг за другом, что исключает сканирование с разделением времени всех ячеек отбора проб грунта в поперечной линии. Более длительное время интеграции означает, что получается больше фотографий, что приводит к более высокому соотношению сигнал/шум (SNR).



Недостатками гиперспектральной съемочной системы pushbroom являются:


1) Сложная оптическая схема и сложная фокальная плоскость,

2) Ширина полосы обзора ограничена доступным числом пикселей массива 2D-детекторов в пространственном направлении,

3) Сложная калибровка,

4) Существуют как спектральные искажения (также называемые smile), так и пространственные искажения (также называемые трапецеидальные искажения). [Qian 2013].



B. Подход, основанный на спектральных фильтрах

Гиперспектральные съемочные системы на основе спектральных фильтров менее популярны и появились совсем недавно. Один или несколько спектральных фильтров, таких как фильтр поглощения или интерференции, используются для передачи выбранных спектральных каналов, представляющих интерес. Когда луч проходит через фильтр, некоторые из его спектральных компонентов блокируются в процессе поглощения или интерференции, в то время как желаемые спектральные компоненты передаются. Различные поглощающие или интерференционные фильтры, от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона, в различных размерах доступны в виде готовых коммерческих продуктов (COTS). Электронно-перестраиваемый фильтр (ETF) — это еще один вид спектрального фильтра, который передает желаемые спектральные полосы, управляя напряжением, акустическим сигналом и т. д. [Gat 2000].



Основной принцип работы гиперспектральной съемочной системы на основе спектрального фильтра аналогичен гиперспектральной съемочной системе на основе дисперсионных элементов. Однако основное отличие заключается в том, что излучение фокусируется непосредственно на 2D-фильтре, а не коллимируется, а затем рассеивается решеткой или призмой в традиционном спектрометре. Фильтр имеет тот же размер, что и матрица 2D-детектора, и монтируется близко к чувствительной поверхности детектора. Он распределяет спектральную информацию по соответствующим пикселям изображения местности.



Примером спектрального фильтра является оптический клиновидный фильтр, также называемый линейным переменным фильтром (LVF). Он представляет собой стекло, покрытое интерференционным фильтром увеличивающейся толщины в одном направлении. Это направление называется спектральным направлением. Полоса пропускания, т.е. техническое положение пика кривой пропускания, изменяется в зависимости от толщины осаждения, как показано на рисунке 4. Следовательно, спектральная полоса пропускания линейно изменяется вдоль одного физического измерения фильтра.

Рис.4 Линейный переменный фильтр и его спектральные полосы пропускания

На рисунке 5 показана концепция гиперспектральной съемочной системы на основе LVF (линейного переменного фильтра). Простую гиперспектральную съемочную систему можно построить, поместив LVF перед массивом 2D-детекторов после того, как объектив соберет входное излучение, отраженное от земли. Массив 2D-детекторов прибора «видит» всю сцену сразу. Напомним, что описанный в разделе II.А гиперспектральная съемочная система на основе дисперсионных элементов, работающая в режиме pushbroom, в момент времени захватывает всю поперечную линию на земле (см. рис. 3), в то время как гиперспектральная съемочная система на основе дисперсионных элементов, работающий в режиме whiskbroom, в момент времени формирует изображение по одному пикселу в поперечной линии (см. рис. 2). В отличие от гиперспектральной съемочной системы на основе дисперсионных элементов, гиперспектральная съемочная система на основе LVF регистрирует одновременно все поперечные линии в поле зрения (FOV), что связано с тем, что угол обзора гиперспектрального сенсора на основе LVF не ограничивается только одной поперечной линией через щель в продольном направлении. Каждая строка матрицы 2D-детекторов отображает соответствующую поперечную линию поля зрения, но в другом диапазоне волн, чем соседние линии. Таким образом, в каждый момент времени визуализируется отдельный кадр, получается полная 2D-сцена. Каждая строка сцены (области съемки) записывается на своей длине волны. Когда спутник пролетает над сценой, получается, что каждая строка фильтра проходит над сценой. После того, как полное поле зрения прошло под датчиком, каждый отдельный ряд фильтров зафиксировал все пикселы в поперечном ряду в сцене и получил все спектральные компоненты. Полную кривую спектра от каждого элемента проекции пиксела на местности можно реконструировать, реорганизуя эти изображения, полученные в разные моменты времени.

Рис.5 Иллюстрация концепции гиперспектрального сенсора на основе линейного переменного фильтра.

Существует, по крайней мере, две космические гиперспектральные камеры, которые используют LVF для рассеивания спектра излучения. Гиперспектральный датчик (HySI) на борту индийского мини-спутника-1 (IMS-1), запущенный в апреле 2018 года, использовал LVF, который охватывает диапазон длины волны от 400 нм до 950 нм, рассредоточенный по 512 спектральным элементам решетки детектора. Это приводило к избыточной дискретизации с интервалом спектральной дискретизации около 1 нм. Принимая во внимание требования к применению и ограничения скорости передачи данных, был применен 8-диапазонный биннинг. После биннинга спектральная полоса пропускания становится равной 8 нм с 64 спектральными полосами [Kumar and Samudraiah 2016]. Еще одним космическим гиперспектральным сенсором на базе LVF является гиперспектральный наноспутник HyperScout. Это 3U CubeSat с 1U (10 см×10 см×10 см). LVF охватывает диапазон длин волн от 450 нм до 900 нм со спектральным интервалом дискретизации 10 нм [Conticello et al. 2016].

Можно использовать фильтры на основе интерферометра Фабри-Перо для передачи только выбранных спектральных каналов, представляющих интерес. Фильтр Фабри-Перо пропускает одни длины волн, в то время как другие отфильтровываются. Его спектр пропускания в зависимости от длины волны демонстрирует пики большого пропускания, соответствующие резонансам эталона. Тщательно контролируя расстояние между отражающими зеркальными поверхностями, фильтр Фабри-Перо может быть спроектирован так, чтобы пропускать только узкий диапазон длин волн. Geelen et al. [Geelen et al. 2013] сообщили, что фильтры Фабри-Перо в диапазоне длин волн видимого и ближнего инфракрасного диапазона (VNIR, 400 нм – 1000 нм) были изготовлены в традиционном процессе изготовления полупроводников и непосредственно интегрированы поверх пластины, содержащей чипы КМОП-матриц на основе кремния. Использование монолитно интегрированных фильтров Фабри-Перо поверх детекторной решетки является инновационным подходом к сочетанию спектроскопии с технологией визуализации для гиперспектральных сенсоров. Это может позволить снизить стоимость, улучшить компактность и получить более высокую скорость сканирования. В качестве естественного развития этой инновационной технологии диапазон длин волн фильтров Фабри-Перо на основе КМОП был расширен до коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR): 1000 нм – 1700 нм, вместе с решетками детекторов на основе InGaAs [Imec 2018].



Этот новый подход к интеграции уникален и имеет привлекательные преимущества: во-первых, объединение производства фильтров и детекторных матриц в один КМОП-совместимый процесс приводит к общему упрощению и снижению затрат, а также позволяет использовать массовое производство. Во-вторых, монолитная интеграция вызывает меньше перекрестных помех между соседними полосами и уменьшает рассеянный свет в системе. Это также положительно сказывается на чувствительности и скорости работы системы. В верхней части рисунка 6 показана кремниевая КМОП-матрица детекторов размером 1088 рядов на 2014 пикселей, работающая в диапазоне длин волн видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Фильтры Фабри-Перо одинакового размера встроены поверх пикселей в определенном ряду детекторной матрицы, когда детекторная решетка была изготовлена на уровне пластины. Спектральный полосовой проход фильтров регулируется расстоянием между двумя параллельными зеркальными поверхностями. Одни и те же полосовые фильтры Фабри-Перо могут быть установлены на нескольких рядах детекторной решетки. На рисунке такие же полосовые фильтры (имеющие одинаковую толщину) интегрированы сверху через каждые шесть смежных рядов пикселей. Эти несколько рядов пикселей имеют одинаковую толщину (или высоту) нанесенных фильтров и выглядят как ступеньки лестницы. Вот почему этот тип фильтров Фабри-Перо на верхней части детекторной решетки также называют встроенными ступенчатыми фильтрами (OCSF), как показано в нижней части на рисунке 6.

Рис.6 Встроенные ступенчатые фильтры (каждая ступень имеет 6 рядов с одинаковыми спектральными полосовыми фильтрами) и две встроенные гиперспектральные камеры на основе ступенчатого фильтра.

Конфигурация встроенных ступенчатых фильтров представляет собой ряд рядов фильтров, расположенных друг за другом в продольном направлении, что позволяет создать гиперспектральный сенсор pushbroom, как гиперспектральный сенсок на основе LVF. Что еще более важно, эта конфигурация позволяет обнаруживать объекты на земле, используя несколько рядов детекторов (например, 6 рядов) одной и той же спектральной полосы пропускания для повышения отношения сигнал/шум с помощью интегрирования с задержкой по времени (TDI) или биннинга данных вне кристалла в спектральной размерности. Детекторная решетка VNIR с OCSF, показанная на рисунке 6, имеет 181 спектральный канал в диапазоне длин волн от 450 нм до 960 нм со спектральным интервалом дискретизации 5 нм. Полная ширина при полумаксимуме (FWHM) каждого спектрального диапазона составляет около 15 нм. Ширина шага равна 6 рядам детектора (на эти ряды наносятся те же фильтры Фабри-Перо).



В нижней части рисунка 6 показаны две коммерческие серийные гиперспектральные камеры (COTS), изготовленные IMEC с использованием встроенного ступенчатого фильтра. Они состоят из передней оптики и кремниевой матрицы детекторов CMOS со встроенными ступенчатыми фильтрами, а также электроники, управляющей изображениями. Спектрометров в гиперспектральных камерах нет. Именно поэтому их объем и масса невелики. В круглой камере используется ступенчатый фильтр первого поколения IMEC, охватывающий спектральный диапазон от 600 нм до 1000 нм с примерно 100 спектральными полосами и полосой пропускания 5 нм. Ее габариты составляют около 6 см × 6 см × 8 см. Масса составляет около 0,6 кг. В квадратной камере используется встроенный ступенчатый фильтр IMEC второго поколения, охватывающий спектральный диапазон от 470 нм до 960 нм и около 150 спектральных каналов.



Гиперспектральный сенсор на основе ETF использует фильтр, который устанавливается перед монохромной камерой путем электронной настройки ее спектрального пропускания (т.е. полосы пропускания) для создания стэка срезов изображения в последовательности длин волн. ETF — это устройство, спектральная передача которого может контролироваться электронным способом путем подачи напряжения, акустического сигнала и т. д. [Gat 2000]. Преимущество гиперспектрального сенсора на основе ETF заключается в том, что полное 2D-пространственное изображение спектрального диапазона формируется мгновенно, когда фильтр настраивается на определенную длину волны полосы пропускания. В отличие от гиперспектральных сенсоров на основе дисперсионных элементов и LVF/OCSF, для получения второго пространственного измерения или накопления спектральной размерности нет необходимости наблюдать несколько поперечных линий во время полета спутника. Это преимущество достигается за счет дополнительного времени, необходимого для настройки ETF для покрытия всего диапазона длин волн до того, как спутник переместит свое поле зрения для наблюдения за следующим объектом на земле.



Как правило, существует три категории ETF: 1) Жидкокристаллический настраиваемый фильтр (LCTF), 2) Акустооптический настраиваемый фильтр (AOTF) и 3) Интерферометрические фильтры. LCTF использует жидкокристаллические элементы с электронным управлением для передачи желаемой длины волны и блокировки других. Он обладает такими преимуществами, как высокое качество изображения и относительно легко интегрируется в оптическую систему. Его недостатком являются более низкие пиковые значения пропускания по сравнению с обычными фиксированно-волновыми оптическими фильтрами за счет использования нескольких поляризационных элементов. AOTF основан на принципе дифракции. Акустооптический модулятор, также называемый ячейкой Брэгга, использует акустооптический эффект для дифракции и сдвига частоты света. По сравнению с LCTF, AOTF имеет более высокую скорость настройки (микросекунды против миллисекунд) и более широкий диапазон длин волн. Его недостатком является относительно низкое качество изображения из-за акустооптического эффекта звуковых волн на дифрагацию и смещение частоты света.



Abdlaty et al. [Abdlaty et al. 2018] сравнили производительность гиперспектральных сенсоров на основе AOTF и LCTF в медицинских приложениях с целью выделить точки влияния двух типов фильтров для облегчения их выбора при проектировании гиперспектральных камер. В их экспериментах рассматривались три параметра: спектральное разрешение, внеполосное подавление (т.е. спектральные перекрестные помехи) и качество изображения в смысле пространственного разрешения. Результаты экспериментов показали, что гиперспектральный сенсор на основе AOTF показал превосходство в спектральном разрешении, внеполосном подавлении и скорости случайного переключения между длинами волн, в то время как гиперспектральный сенсор на основе LCTF имел лучшие характеристики с точки зрения пространственного разрешения изображения, как горизонтального, так и вертикального, и высокой четкости качества. Они пришли к выводу, что эффективная конструкция гиперспектрального сенсора зависит от применения. Например, для медицинских применений, если интересующая ткань требует больше спектральной информации для неопределенных оптических свойств или содержит близкие к фону характеристики, AOTF может быть лучшим вариантом. В противном случае LCTF более удобен и прост в использовании, особенно если требуется пространственное картирование тканевого хромофора.



Спектрометр визуализации видимого и ближнего инфракрасного диапазона (VNIS) на борту китайского лунного космического аппарата «Чанъэ-3» представляет собой гиперспектральный сенсор на основе AOTF [Wang et al. 2016]. «Чанъэ-3» достиг лунной орбиты 6 декабря 2013 года и совершил мягкую посадку на Луну 14 декабря 2013 года.



Фильтр Фабри-Перо представляет собой фильтр на основе интерферометра. На рисунке 7 показан концептуальный чертеж гиперспектрального сенсора на основе фильтра Фабри-Перо. Фильтр Фабри-Перо установлен спереди изображающей оптики и пропускает только свет, находящийся в резонансном состоянии λ = 2d (первого порядка). Каждое разделение пластин генерирует 2D-изображение на длине волны со спектральной протяженностью, задаваемой FWHM отклика на передачу. Способ использования фильтра Фабри-Перо отличается от способа использования встроенного в гиперспектральный сенсор на основе фильтра Фабри-Перо. Фильтры Фабри-Перо, используемые здесь, настраиваются на полосу пропускания путем электронного управления шириной резонатора, в то время как фильтры Фабри-Перо, используемые в интегрированных фильтрах, наносятся на матрицу КМОП-детекторов на уровне изготовления пластины с фиксированным резонатором для фиксированного полосового прохода.

Существует, по крайней мере, два космических гиперспектральных сенсора, которые основаны на технологии электронно-перестраиваемых фильтров Фабри-Перо. В рамках миссии GHSat-D, которая была запущена в июне 2016 г. [Germain et al. 2016], используется электронно-перестраиваемый фильтр Фабри-Перо, работающий в области длин волн от 1600 нм до 1700 нм со спектральным разрешением порядка 0,1 нм. Этот диапазон длин волн и спектральное разрешение были выбраны по наличию спектральных особенностей для парниковых газов метана и углекислого газа, а также относительно небольших помех от других атмосферных веществ, в частности H2O. Этот миниатюрный гиперспектральный сенсор на базе ETF имеет массу 5,4 кг и объем 36 см × 26 см ×180 см. Еще одним космическим гиперспектральным сенсором, использующим настраиваемый фильтр Фабри-Перо, является Aalto-1 Spectral Imager (AaSI) на борту спутника Aalto-1 3U CubeSat, запущенного в июне 2017 года. Фильтр Фабри-Перо управляется электронным способом в замкнутом емкостном контуре обратной связи тремя различными пьезоприводами для охвата спектрального диапазона от 500 до 900 нм со спектральным разрешением 6-20 нм [Praks et al. 2011, 2015].

Рис.7 Концептуальный чертеж гиперспектрального сенсора с электронно-перестраиваемым фильтром Фабри-Перо.

B. Интерферометр с преобразованием Фурье



Этот вид гиперспектральных сенсоров основан на интерферометрах [Alcock & Coupland, 2006], где спектр для каждого пикселя получен путем применения алгоритма на основе преобразования Фурье к интерферограмме, полученной путем сканирования оптической разности путей (OPD) интерферометра. Эта технология десятилетиями использовалась спектроскопистами для получения спектров поглощения с высоким разрешением с помощью интерферометра Майкельсона (двухлучевого) или интерферометра Фабри-Перо (F-P) (многолучевого). Есть много привлекательных особенностей, которые делают интерферометрические спектрометры сопоставимыми с обычными дисперсионными спектрометрами. Во-первых, преимущество мультиплекса заключается в том, что отсутствует спектральное сканирование и все спектральные компоненты регистрируются одновременно. Во-вторых, преимущество в пропускной способности связано с тем, что апертура, используемая в Фурье-спектрометрах, имеет большую площадь, чем щели, используемые в дисперсионных спектрометрах, что обеспечивает более высокую пропускную способность излучения. Эти две особенности в сочетании делают спектрометр на основе интерферометра более быстрым прибором (или, что то же самое, a более высокое отношение сигнал/шум) по отношению к другим спектрометрам с тем же разрешением.



Гиперспектральный сенсор на основе интерферометра Фабри-Перо (FPI) показан на рис. Интерферометр помещается в оптическую систему перед камерой. Сцена — это изображение в FPI таким образом, что интенсивность передачи модулируется интерференцией, в то время как OPD интерферометра изменяется. Затем с помощью релейной линзы на детекторной решетке камеры формируется второе изображение. Последовательность кадров, несущих информацию о интерференционной полосе, регистрируется синхронно со сканированием OPD между двумя зеркалами FPI от контакта до максимального расстояния от зеркала. Интерферограмма для каждого пикселя регистрируется камерой, а спектр вычисляется с помощью алгоритма, основанного на преобразовании Фурье. Конечное достижимое разрешение в принципе ограничено только максимальным OPD интерферометра [Zucco et al 2017].

Рис.8 Схема гиперспектрального сенсора на основе интерферометра Фабри-Перо (FPI) [Zucco et al 2017]

Гиперспектральные сенсоры на основе интерферометров Майкельсона успешно реализованы в коммерческих приборах с более чем 500 спектральными диапазонами в инфракрасной области и достигающими спектрального разрешения менее 1 см⁻¹ [Braun and Harig 2012], [Kastek et al. 2012]. На рисунке 9 показана диаграмма построения гиперспектрального сенсора на основе преобразования Фурье, пространственно модулированного интереферометра. Он состоит из передней оптики, интерферометра Фурье и калибровочной подсистемы. В передней оптике оборудовано зеркало-переключатель для отбора входящего света интерферометра для наблюдения или калибровки. Когда зеркало поворачивается в положение наблюдения, входящий свет излучения от сцены на земле направляется в сторону интерферометра. При повороте зеркала в положение калибровки входящий свет от калибровочной подсистемы направляется в сторону интерферометра.



В космосе был развернут по крайней мере один гиперспектральный сенсор на основе преобразования Фурье. Китайский спутник Huan Jing 1A (HJ-1A) несет на борту гиперспектральный сенсор на основе преобразования Фурье (FTHSI), который был запущен 6 сентября 2008 года. Huan Jing (HJ) в переводе с китайского означает окружающая среда. Мини-спутниковая группировка HJ — это национальная программа, возглавляемая Национальным комитетом по уменьшению опасности стихийных бедствий и Государственным управлением по охране окружающей среды (NCDR/SEPA) Китая по созданию сети спутников наблюдения за Землей. Общая цель состоит в том, чтобы создать оперативную систему наблюдения за Землей для мониторинга и смягчения последствий стихийных бедствий с использованием технологий дистанционного зондирования, а также повысить эффективность смягчения последствий стихийных бедствий и оказания помощи. FTHSI основан на интерферометре со скользящей модуляцией. FTHSI генерирует в общей сложности 115 каналов, охватывающих спектральный диапазон от 0,45 до 0,95 мкм после обработки исходных данных преобразования Фурье и возвращения в спектральную область. Об обработке данных и калибровке прибора FTHSI сообщили [Zhao et al. 2010].

Рис.9 Схема гиперспектрального сенсора с преобразованием Фурье с использованием пространственно-модулированного интерферометра.

B. Моментальный снимок Hyperspectral Imagers



Для создания гиперспектрального куба данных на основе дисперсионных элементов требуется точечное или линейное сканирование. Гиперспектральные сенсоры на основе спектральных фильтров требуют сканирования длины волны (с использованием спектральных фильтров) для создания гиперспектрального куба данных. Моментальный гиперспектральный сенсор генерирует гиперспектральный куб данных за одно время интегрирования детекторной решетки. Сканирование не требуется. Он включает в себя специализированные компоненты для отображения 3D-пространственно-спектральной информации сцены на 2D-детекторе. Для получения моментальных гиперспектральных изображений обычно требуются массивы 2D-детекторов с большим числом пикселей. Отсутствие движущихся частей позволяет избежать артефактов движения.



Определение знака и изготовление моментального гиперспектрального сенсора, как правило, более сложны, чем у сканирующих гиперспектральных сенсоров. В моментальном гиперспектральном сенсоре используются новейшие технологии, такие как широкоформатные детекторные решетки, высокоскоростная передача данных, передовые методы оптического производства и прецизионная оптика. Он часто может обеспечить гораздо более высокую эффективность сбора света, чем аналогичные сканирующие приборы. Тем не менее, это преимущество может быть в полной мере использовано только путем адаптации конструкции к частичным приложениям, таким как профессиональное астрономическое сообщество. Одна из основных причин популярности технологии моментальных снимков в астрономическом сообществе заключается в том, что она обеспечивает значительное увеличение светособирающей способности телескопа при выполнении гиперспектральных изображений [Hagen et al. 2012].



Существует пять популярных технологий спектральной визуализации моментальных снимков: 1) Мультиапертурная камера с фильтром (MAFC), 2) Спектральная камера с кодированной апертурой (CASSI), 3) Спектрометрия отображения изображений (IMS), 4) спектрометр Snapshot Hyperspectral Imaging с преобразованием Фурье (SHIFT) и 5) On- chip Fabry-Perot Filters (OCFPF) [Hagen and Kudenov 2013]. MAFC состоит из массива визуализирующих элементов, таких как монолитная решетка линз, с различными фильтрами, размещенными на каждом элементе матрицы детектора для получения желаемого спектрального диапазона. Как правило, существует три различных варианта реализации с точки зрения расположения массива Ленслета и спектральных фильтров. В варианте реализации 1 решетка линз размещена в фокальной плоскости объектива, а решетка детекторов лежит в плоскости зрачка, как это видно на изображении решетки линз. Изображение за каждым объективом — это изображение, отфильтрованное матрицей фильтров и модулированное средним спектральным распределением сцены по линзе. Преимущество этой реализации заключается в том, что можно использовать различные объективы, так что зумирование, перефокусировка и изменение фокусного расстояния легче достигаются за счет более сложных и менее компактных объективов [Levoy et al. 2006, Horstmeyer et al. 2009]. В двух других вариантах реализации решетка линз расположена после коллиматорной линзы, а решетка фильтров находится либо перед решеткой линз, либо позади решетки линз перед спектральной решеткой.





На рисунке 10 изображена концепция гиперспектрального сенсора MAFC. В этом случае матрица линз располагается после коллиматорной линзы, а решетка фильтров находится в задней части решетки линз. 2D линейный переменный фильтр, имеющий тот же размер, что и матрица детектора, помещается перед решеткой детекторов для разделения входного излучения сцены на различные изображения спектральных каналов, соответствующие матрице линз. На рисунке в общей сложности 25 различных спектральных изображений сцены генерируются одновременно. Эти изображения охватывают диапазон длин волн от 420 нм до 660 нм с шириной спектральной полосы 10 нм. Организуя эти изображения каналов в порядке длины волны, формируется гиперспектральный куб данных.

Рис.10 Иллюстрация концепции моментального гиперспектрального сенсора.

Спектральный сенсор с кодированной апертурой (CASSI) формируется путем замены входной щели дисперсионного спектрометра на гораздо более широкий ограничитель поля. Двоичная кодированная маска (например, шаблон S-матрицы или матрица Адамара с удвоенной строкой) вставляется в ограничитель поля. Маска создает шаблон передачи в каждом столбце в щели таким образом, чтобы код передачи каждого столбца был ортогонален коду передачи каждого другого столбца. Закодированный свет, проходящий через кодированную маску в пределах полевого ограничителя, затем проходит через коллиматорную линзу, диспергатор, линзу и конечные лучи на матрицу детекторов стандартного спектрометра. Поскольку колонки кодированной маски являются ортогональными, когда они размазываются диспергатором и мультиплексируются на матрице детектора, они могут быть демультиплексированы во время постобработки [Mende et al. 1993, Wagadarikar et al. 2007, Wagadarikar et al. 2009].



Спектральный сенсор на основе IMS использует массив микрогранных зеркал, размещенных в плоскости изображения. Эти зеркальные грани имеют одинаковый угол наклона, поэтому несколько срезов изображения сопоставляются с каждой отдельной плоскостью зрачка. Результирующая картина, полученная на матрице детектора, напоминает просвечивание через штакетник. Если в системе сенсора имеется p (например, p=9) отдельных зрачков, то генерируется p подизображений. Собрав все p подизображений, получается гиперспектральный куб данных. Подход IMS позволяет разделить каждый зрачок между многими гранями, конструкция системы становится гораздо более компактной и обеспечивает более высокое пространственное разрешение.



Сообщается о создании первого спектрального сенсора на основе IMS (в то время его называли спектрометром для нарезки изображений) [Gao et al. 2009]. Демонстрационный прототип может одновременно получать 25 изображений спектрального диапазона, охватывающих спектральный диапазон 140 нм с шириной спектральной полосы 5,6 нм для флуоресцентной спектроскопии. Сгенерированный куб гиперспектральных данных имеет размер 100 пикселей × 100 пикселей × 25 спектральных каналов с использованием ПЗС-матрицы. С опозданием на два года размер куба данных был увеличен до 350 × 350 × 46 [Gao et al. 2011]. Технология спектральной визуализации моментальных снимков на основе IMS применяется в приложениях дистанционного зондирования, таких как мониторинг растительности, городского развития и наблюдения за молниями. Dwight et al. [Dwight et al. 2018] сообщили о создании компактного спектрометра для картографирования снимков изображений (SNAP-IMS) для гиперспектральной съемки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в сотрудничестве с командой NASA. Прибор SNAP-IMS имеет угол обзора 10,6° и мгновенный угол обзора 0,03°. Он может получить гиперспектральный куб данных размером 350 × 400 × 55 (x, y, λ) в пределах одного кадра камеры. Эти 55 спектральных каналов регистрируются одновременно, охватывая диапазон длин волн от 470 нм до 670 нм в видимой области спектра. Этот диапазон длин волн ограничен только выбором детекторной решетки, полосового фильтра и дисперсионной оптики. Гиперспектральный куб данных может быть получен за время от 1/500 до 1/100 секунды, что устраняет артефакты движения, связанные с движением платформы. Инструмент имеет очень маленький объем 28,8 см × 15,3 см × 16,3 см и массу 3,6 кг. Он был интегрирован с БПЛА Octocopter.

Энергопотребление полезной нагрузки минимально, так как отсутствуют механические сканирующие компоненты. Мощность предназначена исключительно для захвата ПЗС-кадров. Небольшой объем и масса, а также низкое энергопотребление могут обеспечить более длительные и высокие полеты на меньшем по размеру дроне, что привлекательно для миссий нано- или микроспутников.



Спектрометр Snapshot Hyperspectral Imaging с преобразованием Фурье (SHIFT) выполняет спектральные измерения во временной области. Он разделяет спектр с помощью Фурье-подхода без каких-либо спектральных фильтров. Он основан на двулучепреломляющем поляризационном интерферометре за решеткой линз [Kudenov and Dereniak 2010, 2012]. Интерферометр содержит пару призм Номарского, NP1 и NP2, каждая из которых состоит из двух двулучепреломляющих кристаллических призм с углом клина α. Между NP1 и NP2 также находится полуволновая пластина. Массив линз N × M визуализирует сцену через генерирующий поляризатор, пару призм Номарского и поляризатор-анализатор. Таким образом, на матрице детектора формируются N × M подизображений. Поворот интерферометра на небольшой угол δ относительно матрицы детектора позволяет каждому из подизображений быть сфокусированным на разные OPD. Таким образом, куб 3D-интерферограммы может быть собран путем последовательного извлечения каждого из подизображений. Преобразование Фурье вдоль оси OPD куба интерферограммы позволяет реконструировать куб 3D-данных. Такая конструкция на основе призмы позволяет уменьшить объем и повысить устойчивость к вибрации.



Интегрированный гиперспектральный сенсор на основе фильтров Фабри-Перо (OCFPF) был зарегистрирован IMEC в Бельгии [Imec 2013]. Ключевой концепцией является использование фильтров Фабри-Перо, которые подвергаются непосредственной постобработке на уровне пластины поверх матрицы КМОП-детектора. Он состоит из трех частей: 1) передней оптики (например, объектива или телескопа), которая формирует изображение сцены, 2) оптической подсистемы, которая дублирует сцену на каждой плитке фильтра, и 3) решетки фильтров, организованной в мозаичную конфигурацию, монолитно интегрированную поверх матрицы КМОП-детекторов, где каждый фильтр предназначен для восприятия только одной узкой полосы длин волн. На рисунке 11 показана схема расположения фильтров Фабри-, монолитно интегрированных поверх матрицы КМОП-детекторов в мозаичной конфигурации. Существует 4×8 = 32 тайла, охватывающих диапазон длин волн от 557 нм до 920 нм. Каждый тайл содержит 256×256 пикселей для узкой (FWHM=~10-15 нм) полосы длин волн, как в тайле. Эти одновременно полученные спектральные каналы, выбранные фильтрами в тайлах сцены, могут быть легко реконструированы в куб данных размером 256×256×32 (x, y, λ). Скорость сбора данных может достигать 340 кубов данных в секунду.



III. ЭВОЛЮЦИЯ ИСТОРИИ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ – ОТ авиации к космосу



По мере усложнения оптических приборов дистанционного зондирования и развития технологий находят все больше областей применения, требующих получения изображений с высоким спектральным разрешением. Гиперспектральные сенсоры, которые записывают полный спектр для каждого пикселя в сцене, являются идеальными сенсорами для этой цели. Они позволяют оптимально картографировать цели с четко определенными спектральными сигнатурами для идентификации материалов в сцене и оценки эффектов атмосферного рассеяния и поглощения, а также точного моделирования откликов других датчиков.

Рис.11 Фильтры Фабри-Перо, монолитно интегрированные поверх матрицы КМОП-детекторов в мозаичной конфигурации для получения моментальных гиперспектральных изображений. Каждый лист содержит 256×256 пикселей для узкого (10-15 нм) диапазона длин волн, как показано на плитке.

Развитие гиперспектрального дистанционного зондирования Земли имеет давнюю историю. Она началась в 1970-х годах с полевых спектральных измерений в дополнение к анализу данных НАСА Landsat-1. Термин «спектрометр изображения», а не «гиперспектральный сенсор», чаще использовался с точки зрения приборостроения, особенно в начале, когда он появился как новая технология. Потребность в гиперспектральной визуализации возникла из-за того, что на основе лабораторных и полевых спектральных измерений, в первую очередь минералов и почв, мультиспектральная съемка которых в четырех широких спектральных диапазонах с помощью мультиспектрального сканера Landsat (MSS) была недостаточна для различения минералов на поверхности земли, не говоря уже об их идентификации, которые были важны для разведки ресурсов и экологической оценки.



В 1970-х годах, когда геологи использовали снимки Landsat MSS для идентификации минералов, они обнаружили, что многие морфологические подсказки минералов отсутствовали в данных четырех спектральных каналов, и что спектральная отражательная способность была основным ключом к картографированию геологических единиц. Полевые измерения портативными спектрометрами, охватывающими диапазон длин волн от 0,4 до 2,5 мкм, показали, что спектральная отражательная способность может быть использована для определения минералогии экспонируемых элементов, особенно при наличии OH-связи. Лабораторные спектры ОН-содержащих минералов наглядно показали, что для идентификации отдельных минералов необходимы спектрометры с разрешением 10 нм FWHM и менее. Landsat MSS имел полосы шириной 100-200 нм, которые слишком широки для идентификации отдельных минералов [Goetz 1995].



Потребность в гиперспектральной визуализации при анализе растительности подстегнула возобновление интереса к потенциалу гиперспектрального дистанционного зондирования. Например, скорость функционирования экосистемы, отраженная в соотношении лигнина и азота, важна для понимания вклада земель в круговорот углерода. Кроме того, гиперспектральная визуализация является единственным средством дистанционной оценки биохимии полога леса. Гиперспектральная акварельная визуализация полезна для понимания продуктивности и круговорота питательных веществ в океанах для моделирования глобального углеродного цикла. Распределение и изменчивость фитопланктона является важным фактором, определяющим структуру пищевой сети трофодинамики, которая в конечном итоге контролирует поток углерода в океанах. Свет в видимой области длины волны проникает в океан и озерную воду от нескольких сантиметров до десятков метров, глубина зависит от количества поглощаемого вещества в воде. Спектры апвеллинга могут быть разложены на обилие различных групп фитопланктона: окрашенное растворенное органическое вещество, детрит и взвешенные отложения. Гиперспектральная визуализация является мощным инструментом для определения состава взвешенных веществ при наличии всех вышеперечисленных компонентов. Дистанционное зондирование снега и льда также нуждается в гиперспектральной съемке. Например, протяженность снежного и ледяного покрова резко меняется в зависимости от сезона, и из-за высокой отражательной способности он оказывает большое влияние на альбедо Земли. Отражательная способность снега зависит от размера зерна, угла освещения, загрязняющих веществ и глубины при небольшой толщине. В ближней инфракрасной области лед умеренно поглощает, а размер зерен оказывает большое влияние на коэффициент отражения. В свою очередь, размер зерен свидетельствует о термодинамике снега и может дать представление о начале таяния.



Разработка аэрогиперспектральных сенсоров является предшественником гиперспектральных спутников или космических гиперспектральных сенсоров. Опыт, приобретенный на собственном опыте, и уроки, извлеченные в ходе разработки авиационных проектов, могут существенно повысить шансы на успех следующих космических миссий. Разработка бортовых приборов позволяет повысить уровень технической готовности космических гиперспектральных миссий и существенно снизить их технические риски.



A. AIS, первый бортовой гиперспектральный сенсор



Спектрометр Airborne Imaging Spectrometer (AIS) является первым гиперспектральным сенсором для дистанционного зондирования. Он был построен в начале 1980-х годов как инженерный испытательный стенд. В то время не было ни детекторов, ни оптики, ни электроники, ни компьютеров для быстрого анализа данных. В 1979 году первая гибридная детекторная решетка поступила в продажу. Этот двухмерный детектор состоял из матрицы детекторов теллурида ртути-кадмия (MCT, или HgCdTe), связанных с согласованной кремниевой считывающей решеткой устройств с зарядовой связью (ПЗС). В АИС использовались первые гибридные инфракрасные матрицы детекторов HgCdTe 2D, которые содержали всего 32×32 пикселя. На рисунке 12 показан разнесенный вид прибора АИС. Это гиперспектральный сенсор с толкателем, благодаря использованию 2D-детектора, описанного в разделе II.A. Он охватывал диапазон длин волн в коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне от 1,2 до 2,4 мкм со спектральным интервалом выборки 9,3 нм [Goetz et al 1985, Vane and Goetz 1988].

Рис.12 Разобранный вид прибора АИС (любезно предоставлено NASA/JPL).

У AIS было несколько недостатков. Среди них, во-первых, отсутствовал спектральный охват в видимой и близкой к инфракрасной области (VNIR). Во-вторых, у него было очень узкое поле зрения 3,7°, аналогичное наблюдению за Землей с самолета через соломинку для газировки. В-третьих, поскольку решетка детектора имела 32×32 пикселя, можно было охватить только диапазон длин волн 32×9,6 нм = 307 нм. Для расширения диапазона длин волн с 1,2 до 2,4 мкм решетка AIS была спроектирована таким образом, чтобы вращаться через 4 положения в течение 40 мс, необходимого самолету для перемещения вперед на одну поперечную линию. Каждый поворот составлял 0,42 градуса для перемещения дисперсного изображения по матрице детектора таким образом, чтобы полосы длин волн 1,2−1,5 мкм, 1,5− 1,8 мкм, 1,8− 2,1 мкм и 2,1− 2,4 мкм последовательно представлялись для считывания. Этот метод был успешным лишь частично, так как для того, чтобы решетка осела в новом положении, требовалось время.



AIS пролетел на борту самолета НАСА C-130 над рядом геологических объектов на западе США, а также над геоботаническими объектами и естественной и сельскохозяйственной растительностью по всей территории США. Она обеспечила первую прямую идентификацию полезных ископаемых на поверхности Земли с помощью системы дистанционной съемки. Гиперспектральные данные наземных сцен были получены дистанционно впервые на борту самолета. Это позволило наблюдать тонкие спектральные особенности, которые не могли быть видны в мультиспектральных данных. Эксперименты полетов АИС и анализ полученных гиперспектральных данных дали ценные знания и полезный опыт для развития гиперспектральной съемки дистанционного зондирования Земли. Наилучшие данные были получены при работе AIS в фиксированном положении решетки, охватывающем область длин волн 2,1–2,4 мкм, примерно в том же диапазоне, что и один диапазон Landsat Thematic Mapper Band.



Первые успешные гиперспектральные данные были получены во время полета над районом Куприт-Мининг, штат Невада, в августе 1983 года. После того, как отдельные изображения каналов были обработаны путем нормализации каждого пикселя к среднему значению сцены, чтобы выявить различия между каналами, стали очевидны вариации спектрального отражения. Исторически сложилось так, что первое гиперспективное изображение, полученное AIS, показало однозначные признаки идентификации минералов, в частности минералов алунита и каолинита. Кривые спектрального отражения накладываются на кривые, взятые из лабораторных спектров образцов, взятых из тех же местоположений поля.



Второй полет AIS над горнодобывающим районом Куприт был предпринят для перепроверки возможностей гиперспектрального дистанционного зондирования. Случайно был обнаружен неизвестный спектр, который оказался минералом буддингтонит, аммонийным полевым шпатом в кормовой части по сравнению с известными спектральными библиотеками в лаборатории [Goetz and Srivastava, 1985]. Считалось, что буддингтонит может стать минералом-первопроходцем для золота. Успешная история идентификации минералов, в частности, буддингтонита, которая стала частью документального фильма Системы общественного вещания (PBS), привела к большему интересу со стороны НАСА к дальнейшему развитию технологий гиперспектральной визуализации.



Более поздняя версия прибора, AIS-2, включала в себя детекторную решетку HgCdTe второго поколения с разрешением 64×64 пикселя и охватывала спектральную область 0,8-2,4 мкм. Многообещающие результаты гиперспектральной визуализации и продемонстрированная потребность привели к разработке программы спектрометра визуализации в НАСА. В 1984 году первоначальная программа включала в себя кормовую систему следующего поколения- спектрометр AVIRIS.



B. AVIRIS, первый оперативный бортовой гиперспектральный сенсор



После успеха AIS в 1983 году Александр Ф. Х. Гетц и его коллеги из Лаборатории реактивного движения (JPL) приступили к проектированию и разработке AVIRIS. Цель состояла в том, чтобы внедрить новую технологию твердотельных детекторов в приложения дистанционного зондирования и обеспечить получение гиперспектральных изображений в сотнях смежных спектральных диапазонов от видимого и ближнего инфракрасного (VNIR) до коротковолнового инфракрасного (SWIR) так, чтобы для каждого пикселя был доступен полный спектр излучения [Goetz 1995].



Разработка AVIRIS началась в 1984 году. AVIRIS был впервые запущен на борту самолета NASA ER-2 на высоте 20 км в 1986 году, первые научные данные были получены в 1987 году, и полностью работоспособен с 1989 года. AVIRIS является самым известным воздушным гиперспектральным сенсором в сообществе наземного гиперспектрального дистанционного зондирования. Это первый гиперспектральный сенсор, который измеряет отраженный от Солнца спектр от 400 нм до 2500 нм с интервалами спектральной дискретизации 10 нм. Он предлагает наилучшие откалиброванные гиперспектральные данные, полученные благодаря очень высокому соотношению сигнал/шум, тщательно разработанной системе калибровки и хорошо реализованной процедуре калибровки. С 1987 года AVIRIS является основным поставщиком гиперспектральных данных для исследовательского сообщества. С 1988 года JPL организовала более 10 семинаров по AVIRIS. Опубликовано множество научных работ, связанных с AVIRIS [Green et al., 1998].



AVIRIS — это гиперспектральный сенсор с метлой, использующий 1D-линейные детекторные решетки. Он охватывает диапазон длин волн 0,4–2,45 мкм с 224 спектральными каналами. Он имеет ширину полосы около 12 км, содержащую 614 гри ячейки для отбора проб размером 20 м с высоты 20 км [Vane et al. 1993, Green et al. 1998]. AVIRIS имеет модульную конструкцию, состоящую из шести оптических подсистем и пяти электрических подсистем. Для достижения требуемого спектрального диапазона в конструкции AVIRIS использовались четыре отдельных спектрометра (от A до D), как показано на рисунке 13. Спектрометр А охватывает 0,4 – 0,7 мкм; Спектрометр B охватывает 0,65 – 1,25 мкм; Спектрометр C охватывает 1,20 – 1,82 мкм; Спектрометр D охватывает 1,78 – 2,40 мкм. Для спектрометров была выбрана полностью отражающая конструкция Шмидта с децентрированной апертурой. Все четыре спектрометра имеют одинаковую базовую оптическую схему, и только наклон решетки значительно изменяется от спектрометров A до D, как того требует спектральный диапазон, охватываемый каждым из них. Для спектрометра А была выбрана 32-элементная решетка линейного детектора 1D кремния, а для спектрометров B, C и D были использованы три 64-элементные решетки линейных детекторов на основе антимонида индия. Все четыре детекторные решетки имели шаг 200 мкм × 200 мкм.



Конструкция AVIRIS имеет четыре ключевые особенности: 1) архитектура сканирования с помощью венчика, 2) четыре отдельных спектрометра, каждый из которых покрывает часть всего спектрального диапазона, 3) очень быстрая оптика (F# 1), 4) большой шаг детектора (200 мкм). Преимущество сканирования метлой заключается в том, что вместо 2D матриц зонных детекторов используются 1D линейные детекторные решетки. Это упрощает и повышает точность калибровки, сводя к минимуму количество артефактов, которые мешают проекту с помощью 2D-детекторов с матрицами. Недостатком конструкции с разверткой метлы является ограниченное время интеграции для наземных ячеек для отбора проб, поскольку общее время интегрирования для поперечной линии на земле разделяется между 614 наземными ячейками выборки, когда спектрометры сканируют каждую из поперечных линий перед тем, как самолет движется в направлении вдоль траектории, чтобы получить изображение следующей поперечной линии, как показано на рисунке 2. Максимизация пропускной способности спектрометров необходима для того, чтобы компенсировать ограниченное время интегрирования. Последние три особенности конструкции AVIRIS были направлены на максимизацию сигнала за счет обеспечения максимальной оптической пропускной способности и коэффициента пропускания, включая эффективность решетки. Конструкция точечного сканирования (т.е. одна ячейка для отбора проб грунта за одно сканирование) имеет большую апертуру, которая в случае AVIRIS составляет 200 мм в диаметре. Архитектура сканирования с помощью метлы доминировала в дизайне AVIRIS и позволила получить большой объем инструмента.

Рис.13 Схема оптики AVIRIS (любезно предоставлено NASA/JPL)

В отличие от AIS, общий спектральный диапазон которого достигался за счет вращения решетки в четырех положениях, в конструкции AVIRIS использовались четыре отдельных спектрометра, каждый из которых покрывал часть всего спектрального диапазона. Такая конструкция исключала подвижный механизм решетки. Это также устранило необходимость в дополнительном времени, затрачиваемом на установку решетки в каждой позиции, и привело к выделению большего времени на интеграцию. Очевидно, что такая конструкция с использованием четырех отдельных спектрометров отрицательно сказывается на уменьшении объема и массы системы. Эта стратегия проектирования больше не принимается, учитывая тот факт, что существующие в настоящее время массивы 2D-детекторов имеют достаточное количество пикселей в обоих измерениях для покрытия всего диапазона длин волн и охвата широкой полосы в направлении поперечного трека.



AVIRIS претерпел множество модификаций, и на протяжении многих лет он совершенствовался в области детекторных массивов, электроники и вычислительной техники, что привело к производительности, намного превосходящей первоначальные ожидания. Об этих улучшениях сообщалось в литературе [Chrien et al. 1991, 1992, 1993, Eastwood et al. 2000, Green et al. 1993, Porter et al. 1990, Sarture et al. 1995]. Усовершенствования фокальных плоскостей охватывают пять областей: модернизация мультиплексоров, снижение шума сигнальной цепи, оптимизация материала матрицы фотодиодов, усовершенствование блокирующего фильтра и изменение рабочей температуры для кремниевой матрицы детекторов. Эти улучшения в значительной степени способствуют увеличению отношения сигнал/шум AVIRIS [Eastwood et al. 2000]. На рисунке 14 показаны кривые отношения сигнал/шум прибора AVIRIS в зависимости от длины волны для исходного прибора в 1987г. и после модернизации в 1994, 1997 и 2000 гг. соответственно. Видно, что улучшения значительны и поощряются. Существует много полезного опыта, ноу-хау и уроков, извлеченных из разработки этого высокотехнологичного бортового прибора. Наследие разработки аэроспектральных сенсоров принесло большую пользу развитию космических гиперспектральных сенсоров.

Рис.14 Эволюция улучшения отношения сигнала к шуму (SNR) прибора AVIRIS (любезно предоставлено NASA/JPL).

C. CASI, первый коммерческий бортовой гиперспектральный сенсор



В 1989 году компания ITRES Research Limited, базирующаяся в Калгари, Канада, выпустила на рынок компактный Airborne Spectrographic Imager (CASI), гиперспектральный сенсор на основе 2D-матрицы с ПЗС-матрицей [Babey et al. 1989, Weale et al. 1990]. С тех пор ITRES занимается коммерческими бортовыми гиперспектральными сенсорами и расширила свою линейку гиперспектральных сенсоров, чтобы охватить SWIR и тепловые области спецификаций.



При проектировании CASI был использован опыт, накопленный при создании и эксплуатации флуоресцентного линейного сенсора (FLI) (см. Раздел III.D ниже). В 1988 году ITRES построила экспериментальный прототип летающего гиперспектрального сенсора на основе прибора Space Shuttle и развернула его на самолете для летних полетов. Результаты полетов были весьма обнадеживающими в области обследования поверхностных рыбных косяков и спектрального сигнатурного анализа [Nakashima et al 1989, Royer et al. 1989]. Коммерческий прототип был построен и эксплуатировался летом 1989 года в рамках ряда программ, включая дальнейшие исследования мойвы, цветения водорослей и разливов нефти, а также облеты растительных полигонов. Весной 1990 года первые четыре производственные единицы CASI были поставлены заказчикам в Канаде и Европе.



В первоначальной версии CASI использовалась 2D-матрица ПЗС-матрицы e2v размером 612×576 пикселей. Он собирает 288 спектральных каналов, охватывающих спектральный диапазон от 400 нм до 926 нм со специальным интервалом дискретизации (SSI) 1,8 нм. Он имеет угол обзора 35°, что соответствует 578 пикселям в поперечном направлении, обычно уменьшается до 512 пикселей для удобства обработки данных. Это дает ширину полосы обзора 1-5 км на земле в зависимости от высоты полета самолета. IFOV составляет 1,2 милл-радиан (mrad), что соответствует расстоянию отбора проб с поверхности (GSD) обычно 2-5 м в зависимости от высоты полета самолета, путевой скорости и времени интегрирования, как показано на рис. 15 [Anger et al. 1990].

Рис.15 Концепция эксплуатации приборов и самолетов CASI в1990-х годах (любезно предоставлено ITRES Research).

В начале 90-х годов накопителем данных был картриджный магнитофон, который ограничивал скорость записи данных. Для достижения приемлемого разрешения на местности во время эксплуатации самолета получение данных обычно осуществлялся в одном из двух режимов: пространственном или спектральном. Пространственный режим оцифровывает и записывает до 15 спектральных каналов информации, сохраняя при этом полное пространственное разрешение 612 пикселей, из которых 512 пикселей составляет поле зрения изображения. Каждый канал суммируется на кристалле и может включать любое количество смежных, неперекрывающихся спектральных рядов. Спектральный режим поддерживает полные спектральные элементы размером 288 пикселей, охватывающие диапазон длин волн от 400 нм до 926 нм. В этом режиме для получения данных может быть задано до 39 направлений взгляда, каждое из которых соответствует одному столбцу на ПЗС-матрице. Отдельный однострочный канал с полным пространственным разрешением, канал восстановления сцены (SRC), также записывается для создания монохроматического эталонного изображения высокого разрешения. Недавно в программное обеспечение прибора CASI был добавлен третий режим (полнокадровый режим). В этом режиме оцифровывается и записывается весь кадр данных размером 612 на 288 пикселей. Запись такого объема данных занимает около 2 секунд на кадр, что делает этот режим полезным в основном в лабораторных условиях для получения данных радиометрической калибровки. Он также использовался в полевых условиях с платформой, управляемой компьютером, для синхронизации движения сканирования платформы с получением кадров гиперспектральных данных.



В начале 2000-х годов ITRES модернизировала CASI, увеличив ширину полосы обзора и расширив спектральный диапазон. Эта модернизированная версия называется «CASI-1500», которая представляет собой гиперспектральный сенсор с 1500 пространственными пикселями и 288 спектральными диапазонами с высокой пропускной способностью и чувствительностью, охватывающей спектральный диапазон от 365 нм до 1050 нм. В нем используется специально разработанная решетка ПЗС-детекторов ITRES, специально разработанная для использования в гиперспектральных приложениях. ПЗС-матрица имеет относительно большой шаг (20 мкм × 20 мкм) и обеспечивает относительно большую пропускную способность и емкость полной лунки.

Благодаря своим выдающимся характеристикам, CASI-1500 пришел на смену первоначальной версии CASI и стал основным продуктом бортового гиперспектрального сенсора компании. По всему миру было продано около 40 единиц.



CASI-1500 отлично подходит для гиперспектральных изображений мишеней с низким альбедо, таких как акварельное дистанционное зондирование. Более трети всех продаваемых CASI-1500 используются для систем водоснабжения. Например, Научно-исследовательская лаборатория ВМС США (NRL) владеет спектрометром CASI-1500. Затем NRL использовала слегка модифицированный спектрометр CASI-1500 в своей полезной нагрузке Hyperspectral Imager for Coastal Ocean (HICO), которая была развернута на Международной космической станции (МКС) в 2009 году. Полезная нагрузка HICO успешно эксплуатировалась на МКС с 2009 года до ее гибели в конце 2014 года. Более 10 000 изображений океана и прибрежных районов были получены HICO и распространены среди научного сообщества [Kappus et al. 2016].



В течение того же периода времени ITRES разработала линейку бортовых гиперспектральных сенсоров, расширив спектральный диапазон от VNIR до SWIR, средневолнового инфракрасного (MWIR) и теплового инфракрасного (TIR), а также расширив полосу обзора для охвата большего количества пространственных пикселей. В дополнение к гиперспектральным сенсорам научного уровня, ITRES разработала три микроверсии гиперспектральных сенсоров коммерческого класса для использования в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), настольной и промышленной визуализации. Эти небольшие и портативные системы дополняют своих полноразмерных высокопроизводительных собратьев и сестер научного уровня [Qian 2020].



D. Развитие канадской технологии гиперспектральной визуализации в 1980-х и 1990-х годах



Развитие технологии гиперспектральной визуализации в Канаде началось в начале 1980-х годов. Флуоресцентный линейный сенсор (FLI) является первым канадским воздушным гиперспектральным устройством. Он был спроектирован и построен для Департамента рыболовства и океанов федерального правительства Канады (DFO) в 1981 году в качестве первого этапа разработки передового спутникового гиперспектрального сенсора для дистанционного зондирования поверхности Земли. Канадские исследователи и инженеры стали пионерами в этой области вместе со своими американскими коллегами из Лаборатории реактивного движения НАСА во время создания FLI. Начиная с 1983 года, FLI летал над широким спектром наземных и морских целей для получения гиперспектральных изображений с более высоким спектральным разрешением и чувствительностью, чем другие сопоставимые гиперспектральные сенсоры того времени [Gower et al. 1987, 1992].



FLI был построен канадскими компаниями (Moniteq Ltd. из Торонто и ITRES Research Ltd. из Калгари) и финансировался совместно DFO и Межведомственным комитетом по космосу (предшественник Канадского космического агентства), который в то время отвечал за космическую программу Канады. Конечная цель состояла в том, чтобы создать гиперспектральный сенсор, который можно было бы запускать в составе полезной нагрузки [Gower et al., 1987]. FLI использовала пять 2D-матриц ПЗС-детекторов формата 385×288 пикселей для охвата широкой полосы. Поскольку частота кадров ПЗС-матрицы была ограничена скоростью считывания, FLI работал либо в пространственном, либо в спектральном режиме. В пространственном режиме он работал pushbroom с углом обзора 70°, покрытым 5 камерами, в общей сложности 1925 пикселей в поперечной линии, каждый из пикселей имеет IFOV 1,3 мрад, что эквивалентно 2,5 м дистанции отбора проб грунта (GSD) на высоте 2 км летательного аппарата. В спектральном режиме он работал в режиме рейка с 288 спектральными полосами, охватывающими диапазон длин волн от 430 до 800 нм. Оптика состояла из пропускающей решетки с 5 линзами и эффективной f# 1.4. Ключевая концепция заключалась в суммировании зарядов на чипе для формирования запрета, что позволило снизить пропускную способность данных и повысить отношение сигнал/шум. Отношение сигнал/шум 1900:1 было достигнуто для полосы из 16 элементов. На рисунке 16 показана фотография прибора FLI.

Рис.16 Фотография первого канадского воздушного гиперспектрального сенсора - Fluorescence Line Imager (FLI).

В период с 1984 по 1990 год FLI совершила в общей сложности около 100 миссий на самолетах, включая картографирование фитопланктона и бентосной растительности, а также измерение глубины воды в озерах и прибрежных районах. FLI имел успешно картированную флуоресценцию хлорофилла, тем самым выполнив свою проектную задачу [Gower and Borstad 1990]. Наблюдения также охватывали широкий спектр наземных целей и включали проекты в Северной Америке и Европе. Во многих из этих случаев это была одна и та же молекула, фотосинтетический пигмент хлорофилл а, флуоресценция или абсорбционные эффекты которого изучались на суше и в воде.



Как описано в Разделе III.C, с 1989 г. компания ITRES Research Limited производила CASI на коммерческой основе [Babey and Anger, 1989]. В начале 1990-х годов в эксплуатации находилось около 10 приборов CASI. Это увеличило число применений гиперспектрального дистанционного зондирования, обеспечив чувствительный, гибкий и экономичный источник аэроспектральных изображений. Небольшой объем CASI позволил выполнять оперативные рыбоучетные съемки на легких самолетах для управления рыбным хозяйством, а также проводить аэрофотосъемку глубины воды с помощью гидрографического лидара.



В дополнение к FLI и CASI, которые работают в спектральной области VNIR, Канадский центр дистанционного зондирования (CCRS) в 1992 году разработал первый канадский гиперспектральный сенсор SWIR – SWIR Full Spectrographic Imager (SFSI). Цель состояла в том, чтобы достичь как высокого спектрального разрешения (10 нм), так и высокого пространственного разрешения (0,5 м) с бортовой платформы, а также записать полный спектр для всех пикселей изображения. SFSI охватывает спектральный диапазон от 1,2 мкм до 2,4 мкм в 122 смежных спектральных диапазонах с шириной волны 10 нм. В нем используется 2D матрица детекторов PtSi, преломляющая оптика и просвечивающая решетка. Передняя оптика и спектрограф имеют f/1.8, а угол обзора составляет 9.4°.

Рис.17 Оптика и приборная сборка первого канадского бортового гиперспектрального сенсора SWIR SFSI.

На рисунке 17 показана оптика и сборка прибора SFSI. SFSI предоставляет полноразмерный куб изображения с площадью 512 на 512 пикселей. [Невилл и Пауэлл, 1992].



В таблице 1 приведено сравнение технических характеристик канадских бортовых гиперспектральных сенсоров FLI, CASI и SFSI с AIS и AVIRIS находится на заре развития гиперспектральных технологий в период с 1980-х до начала 1990-х годов. Из таблицы видно, что канадские исследователи и инженеры были пионерами в области гиперспектральных инструментов и приложений. Канадский опыт разработки и применения FLI и CASI был использован для определения спецификаций спектрометра среднего разрешения (MERIS) ESA на борту спутника ENVISAT, который был запущен в 2002 году.



В период с середины 1980-х до конца 1990-х гг. в других странах разрабатывался или планировался в ближайшем будущем ряд других бортовых гиперспектральных приборов. В 1993 году компания Daedalus Inc. выпустила мультиспектральный инфракрасный и видимый спектрометр (MIVIS). Это был модульный прибор с 4 гиперспектрометрами RAL, предназначенный для сбора излучения с поверхности Земли в видимой, ближней, средней и тепловой ИК-областях с общим количеством спектральных диапазонов 102. MIVIS был разработан для использования в исследованиях дистанционного зондирования окружающей среды в широком спектре научных дисциплин [Bianchi et al., 1995].



В 1994 году при поддержке Научно-исследовательской лаборатории ВМС США (NRL) был разработан и запущен в эксплуатацию воздушный гиперспектральный сенсор под названием Hyperspectral Data and Information Collection Experiment (HYDICE). Этот прибор был разработан на основе концепции призменной дисперсии и единой гибридной 2D-матрицы HgCdTe для охвата диапазона длин волн 0,4–2,5 мкм. Его IFOV составлял 0,5 мрад, что эквивалентно 3-метровому следу на земле с высоты 6 км. Результаты были предварительными, отношение сигнал/шум значительно превышало показатели ранней версии AVIRIS. Основываясь на результатах анализа данных, данные HYDICE могут сделать возможной идентификацию материалов, которые покрывают только 1-2% пикселя, при условии, что их спектры отражения уникальны. HYDICE начиналась как программа двойного назначения, вскоре она вернулась к программе всего Министерства обороны (DoD).

ТАБЛИЦА 1 Технические характеристики канадских бортовых гиперспектральных сенсоров, использовавшихся в период с 1980-х по начало 1990-х годов, в сравнении с AIS и AVIRIS.

Компания Geophysical Environmental Research из Миллбрука, штат Нью-Йорк, разработала цифровой спектрометр аэрофотосъемки (DAIS), который начал работать в 1994 году. DAIS представляет собой бортовой гиперспектральный сенсор с 79 спектральными изображениями, охватывающими видимую и SWIR-области, а также тепловую инфракрасную область [Richter 1996].



Были разработаны и другие коммерческие гиперспектральные сенсоры в диапазоне длин волн от 0,4 до 2,5 мкм. Наиболее похожим на AVIRIS является австралийский гиперспектральный картограф (HyMap), созданный корпорацией HyVista. Конструкция HyMap была модульной, что позволило настроить спектральные и пространственные характеристики в соответствии с конкретными требованиями заказчика. Видимый модуль включает в себя матрицу 2D ПЗС-детекторов, работающую при температуре окружающей среды, а модули ближнего инфракрасного и коротковолнового инфракрасного диапазона-1 (SWIR1) и 2 (SWIR2) включают в себя матрицы детекторов InSb, охлаждаемые жидким азотом до 77 К. Каждый спектрографический модуль обеспечивает 32 спектральных диапазона. Его угол обзора составляет 60° и охватывает 512 пространственных пикселей, что соответствует полосе 2,3 км с 5 м GSD на высоте 1,3 км или 4,6 км с 10 м GSD на высоте 2,6 км [Cocks et al. 1998].



E. Запланированные НАСА космические гиперспектральные сенсоры в 1990-х годах



Разработка космических гиперспектральных сенсоров началась в начале 1980-х годов. В конце 1970-х годов JPL разработала мультиспектральный инфракрасный радиометр шаттла (SMIRR), который должен был совершить второй полет шаттла (STS-2) в 1979 году, но был отложен до ноября 1981 года. Разработку SMIRR можно считать началом развития космических гиперспектральных сенсоров. SMIRR был установлен в отсеке полезной нагрузки STS-2 вместе с радаром Shuttle Imaging Radar A (SIR-A). Целью эксперимента являлась проверка возможности прямой идентификации минералов с помощью гиперспектральной съемки с околоземной орбиты. Прибор был разработан в качестве профилографа для сбора данных об излучении в 10 спектральных диапазонах, охватывающих области VNIR и SWIR вдоль трассы шириной 100 м под космическим аппаратом. Инструмент состоит из запасного телескопа миссии «Маринер» Венера-Меркурий с вращающимся колесом фильтров перед решеткой детекторов HgCdTe в фокальной плоскости. Две 16-мм камеры истребителей и авиационных орудий зафиксировали наземную траекторию. Эксперимент прошел успешно и привел к первой прямой идентификации почвенных минералов из космоса с использованием пяти спектральных каналов в области 2,2–2,5 мкм [Goetz et al., 1982]. Минералы каолинит и кальцит в виде известняка были идентифицированы в египетском высохшем озере и окружающих холмах и подтверждены на основе полученных образцов.



Многообещающие результаты, полученные с помощью AIS и SMIRR, а также продемонстрированные потребности привели к разработке программы гиперспектральной визуализации в NASA. В 1984 году первоначальная программа включала в себя следующий гиперспектральный сенсор AVIRIS, эксперимент по спектрометру Shuttle Imaging Spectrometer Experiment (SISEX) и спектрометр высокого разрешения (HIRIS), как показано на рисунке 18. Как описано в Разделе III.B, «AVIRIS» успешно вступил в строй, в то время как SISEX был отменен после катастрофы шаттла «Челленджер» в 1986 году.

Рис.18 План программы гиперспектральных изображений НАСА раннего времени (любезно предоставлено NASA/JPL).

Концепция HIRIS получила дальнейшее развитие в 1988 году в ответ на предложение о полете Системы наблюдения за Землей (EOS) [Dozier, 1988]. Его цель состояла в том, чтобы развернуть на платформе EOS гиперспектральный сенсор, охватывающий диапазон длин волн 0,4–2,5 мкм с полосой пропускания 10 нм для 196 смежных спектральных диапазонов и охватывающий полосу 500 км от высоты орбиты 705 км [Goetz and Herring, 1989]. Расчетное расстояние отбора проб грунта (т.е. IFOV) составляло 30 м × 30 м. Предложение HIRIS было принято для EOS, однако HIRIS не полетел в результате того, что общая программа была сокращена примерно до одной четверти от своего первоначального размера.

В то время сообщество наблюдателей за Землей не было в достаточной мере знакомо с преимуществами гиперспектральной съемки, и они еще не имели возможности работать с высококачественными наборами гиперспектральных данных, чтобы лучше познакомиться с гиперспектральными спутниками. Кроме того, какие научные вопросы могут быть решены исключительно с помощью спектрометрии изображений, и, следовательно, сообщество не в состоянии стать решительным сторонником гиперспектрального спутника. К моменту распада HIRIS лишь горстка исследователей действительно работала с гиперспектральными данными, главным образом потому, что существовало всего несколько гиперспектральных наборов данных, и они были низкого качества по сравнению с тем, что доступно сегодня. Кроме того, не существовало доступных программных средств для обработки наборов данных, которые были на порядки больше, чем мультиспектральные наборы данных со спутников Landsat или SPOT, а настольные и мощные вычислительные системы не справлялись с этой задачей. Поэтому неудивительно, что HIRIS не был включен в EOS.



В начале 1990-х годов НАСА также работало с TRW над разработкой космической спектрометрической системы под названием HyperSpectral Imager (HSI) для миссии LEWIS в качестве демонстрации технологии в рамках программы Small Spacecraft Technology Initiative (SSTI) [De Long et al. 1995]. HSI был спроектирован таким образом, чтобы иметь 128 полос в области VNIR 0,4–1,0 мкм и еще 256 полос в области SWIR 0,9–2,5 мкм, всего 384 полосы. Интервалы спектральной дискретизации в обеих областях спектра составили 5,0 нм и 6,5 нм соответственно, что до сих пор не уступает современным космическим гиперспектральным сенсорам. Ширина полосы составила 7,7 км, а расстояние отбора проб грунта – 30 м. К сожалению, HSI не добился успеха после своего запуска. Через три дня после запуска 23 августа 1997 г. управление спутником было утрачено, а в сентябре 1997 г. он вошел в атмосферу Земли [Lewis, 2014].



В ноябре 2000 г. НАСА запустило космический гиперспектральный снимок «Гиперион», построенный компанией TRW, на борту спутника Earth Observing-1 (EO-1) [Ungar et al. 2003]. Если сравнить успешный «Гиперион» с HIRIS, то можно легко увидеть, что «Гиперион» обладал некоторыми характеристиками инструмента HIRIS. ЭО-1 создан для разработки и апробации ряда прорывных технологий приборной и космической техники. Он был предназначен для разработки будущих обсерваторий для съемки Земли, которые имели бы значительное увеличение производительности при одновременном снижении стоимости и массы. Спутник EO-1 выведен из эксплуатации в марте 2017 года после более чем шестнадцати лет успешной эксплуатации.



F.Hyperion, первый космический гиперспектральный сенсор



Гиперспектральный сенсор Hyperion на борту спутника EO-1 хорошо известен и часто рассматривается как первый космический гиперспектральный сенсор в сообществе дистанционного зондирования. Он был разработан как демонстрация технологии и предоставлял калиброванные космические гиперспектральные данные для оценки гиперспектральных приложений [Pearlman et al. 2001]. «Гиперион» был ускорен и был доставлен в Центр космических полетов имени Годдарда НАСА (GSFC) для интеграции космического корабля менее чем за 12 месяцев. Для достижения этой цели разработчик TRW использовал фокальные плоскости и связанную с ними электронику, оставшуюся от миссии HSI for LEWIS по программе NASA SSTI.



Hyperion — гиперспектральный сенсор с метлой, использующий 2D-матрицы областных детекторов. Его относительно узкая полоса составляла 7,65 км. Площадь земли составляет 30 м×30 м. Размер 30 м в продольном направлении был получен путем зависимости частоты кадров от скорости космического аппарата на орбите 705 км. Вся полоса шириной 7,65 км получена в одной раме. Каждое изображение представляет собой куб данных шириной 7,65 км в поперечном направлении и длиной 185 км в продольном направлении с 242спектральными каналами [Pearlman et al. 2003]. Прибор «Гиперион» состоял из трех физических блоков, как показано на рисунке 19:

Рис.19 Сборка гиперспектрального сенсора «Гиперион» (Источник НАСА).

1) датчик Hyperion в сборе (HSA).

2) Гиперионная сборка электронов (HEA) и

3) Блок электроники криогенного охладителя (CEA).



Сборка датчика «Гиперион» включала в себя один телескоп и два спектрометра: спектрометр VNIR и SWIR-спектрометр. Телескоп представляет собой трехзеркальный анастигмат (TMA) с основной апертурой 12 см и эффективным значением F# 11. Спектрометры VNIR и SWIR имеют трехотражательную конструкцию Оффнера с использованием выпуклых решеток. Телескоп получает изображение сцены на Земле в щель, которая определяет IFOV 0,6240° на 0,0024°, что соответствует наземной линии поперечной трассы длиной 7,65 км (ширина полосы) и шириной 30 м в направлении полета спутника с орбиты высотой 705 км. Это щелевое изображение наземной сцены передается с увеличением 1,38:1 в две фокальные плоскости спектрометров VNIR и SWIR. Дихроичный фильтр (т.е. светоделитель) в системе отражает спектр от 400–1000 нм до спектрометра VNIR и передает спектр от 900 до 2500 нм в SWIR-спектрометр. Перекрытие SWIR с VNIR в диапазоне от 900 до 1000 нм позволяет проводить перекрестную калибровку двух спектрометров. В спектрометре VNIR имеется фильтр сортировки по порядку.



В спектрометре VNIR использовалась решетка 2D ПЗС-детекторов размером 128×256 пикселей, использовалась только секция из 70 (спектральных) × 256 (пространственных) пикселей. Спектрометр SWIR использует матрицу детекторов HgCdTe и имеет 256 × 256 пикселей с шагом 60 мкм и настраиваемое считывание пикселей. Использовался только 172-пиксельный (спектральный) × 256-пиксельный (пространственный) разрез. Два спектрометра дали в общей сложности 242 спектральных диапазона.



Отношение сигнал/шум «Гипериона» было смоделировано и измерено в предположении о 30% равномерном альбедо, углу зенита Солнца 60°, ширине спектральной полосы 10 нм и частоте кадров 224 Гц. Измеренное отношение сигнал/шум составляет от 140:1 до 190:1 в области ВНИК от 550 до 700 нм, 96:1 на длине волны 1225 нм и 38:1 на длине волны 2125 нм. Эти измеренные значения SNR относительно низки по сравнению с более поздними космическими гиперспектральными сенсорами, такими как итальянский гиперспектральный спутник PRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa) [Meini et al. 2016] и усовершенствованный гиперспектральный сенсор (AHSI) на спутнике GaoFen-5 [Liu et al. 2019]. Понятно, что «Гиперион» был построен за короткий промежуток времени в качестве демонстратора технологий до этого тысячелетия. В то время технологии детекторных решеток и связанной с ними электроники, а также оптики и средств производства были менее продвинутыми, чем в последние годы.



ИВ. SPACEBORNE HYPERSPECTRAL IMAGERS TO DATE И UПРЕДСТОЯЩИЙ



A. Краткий обзор космических гиперспектральных сенсоров



Автор данной статьи провел обзор космических гиперспектральных сенсоров на сегодняшний день и определил, что существует, по крайней мере, 25 гиперспектральных сенсоров, которые были развернуты на орбитах Земли, Луны, Марса, Венеры и кометы для дистанционного зондирования поверхности. В таблице 2 приведен список гиперспектральных сенсоров, развернутых в космосе, в порядке годности запуска в хронологическом порядке с момента запуска первого космического гиперспектрального сенсора в конце 1990-х годов. В этом списке могут отсутствовать некоторые космические гиперспектральные сенсоры. Стоит отметить, что за короткий период с 2016 по 2019 год в космос было запущено 9 космических гиперспектральных сенсоров. В 2018 году наблюдается скачок в количестве космических гиперспектральных сенсоров. Несколько новых космических гиперспектральных сенсоров разрабатываются в течение многих лет или уже запланированы и будут созданы.



Что касается платформ и орбит этих космических гиперспектральных сенсоров, то большинство из них (19) находятся на борту спутников на низких околоземных орбитах (НОО), в том числе три из них развернуты на Международной космической станции (МКС). Шесть гиперспектральных сенсоров находятся вне околоземных орбит: один (CRISM) на орбите Марса, один (M3) на лунной орбите и один (VNIS) на луноходе для наблюдения на месте. Тепловизионный спектрометр VIRTIS, видимый и ненасыщенный, и два его варианта были развернуты на борту космических зондов трех планетарных миссий на орбитах кометы, Венеры и двух протопланет.



Что касается типа прибора (или спектральной дисперсии), девятнадцать (19) космических гиперспектральных сенсоров представляют собой спектрометры на основе дисперсионных элементов (обсуждаются в разделе II.A), использующие либо решетки, либо призмы для рассеивания спектра. Пять (5) гиперспектральных сенсоров представляют собой системы визуализации на основе спектрального фильтра, использующие спектральные фильтры для разделения излучения (обсуждается в Разделе II.B). Из этих пяти два (2) из них используют линейные переменные фильтры (LVF) для диспергирования спектра. Этими двумя сенсорами являются Hyperspectral Imager (HySI) на борту индийского спутника Mini Satellite-1 (IMS-1) и HyperScout на наноспутнике GomX-4B Европейского космического агентства. Три (3) из них используют электронно-перестраиваемые фильтры (ETF), из которых VNIS использует акустооптический перестраиваемый фильтр, в то время как MHRIS и AaSI используют перестраиваемые фильтры Фабри-Перо. Существует только один гиперспектральный сенсор, использующий интерферометр с преобразованием Фурье для рассеивания спектра (обсуждается в разделе II.C). До сих пор не существует ни одного космического гиперспектрального сенсора, использующего технологию моментальных гиперспектральных изображений.



Из 25 космических гиперспектральных сенсоров, перечисленных в таблице 2, все они используют 2D-детекторы и работают в режиме метлы. Не существует ни одного космического гиперспектрального сенсора, использующего 1D линейные детекторные решетки и работающего в режиме метлы.



В таблице 2 также перечислены шесть будущих космических гиперспектральных сенсоров. К ним относятся: Программа картографирования и анализа окружающей среды (EnMAP), Спектрометр изображений Лун и Юпитера (MAJIS), Инструмент цвета океана (OCI), Гиперспектральный



Инфракрасный сенсор (HyspIRI), спектрометр флуоресцентной визуализации (FLORIS) и миссия гиперспектральной визуализации Copernicus для окружающей среды (CHIME). EnMAP является хорошо известным высокопроизводительным гиперспектральным сенсором для наблюдения за Землей в сообществе дистанционного зондирования, потому что он находится в разработке более 10 лет, и научное сообщество пользователей ожидает его выхода.



Из-за большого объема данных, генерируемых гиперспектральными спутниками, сжатие бортовых данных иногда используется для уменьшения объема данных, чтобы облегчить передачу данных на Землю. По крайней мере, пять космических гиперспектральных сенсоров использовали или будет использовать бортовой блок сжатия данных. Это четыре гиперспектральных сенсора на орбитах: VIRTIS, CRISM, M3 и HISUI, а также запускаемый EnMAP [Qian 2020].



B. Краткое описание космических гиперспектральных сенсоров



Из таблицы 2 видно, что самым ранним космическим гиперспектральным сенсором были ультрафиолетовые и видимые сенсоры и спектрографические сенсоры (UVISI) на борту миссии Midcourse Space Experiment (MSX) Министерства обороны США, которая была запущена в 1996 г. [Paxton et al. 1996]. Он состоял из пяти спектрографических сенсоров (SPIM), охватывающих диапазон длин волн от ультрафиолетовой (УФ) до видимой и ближней инфракрасной (VNIR) областей, а также ультрафиолетовых и видимых мультиспектральных сенсоров. Он не популярен из-за большой дальности отбора проб с поверхности (770 м) и природы военного спутника. UVISI обеспечивал гиперспектральные и мультиспектральные возможности в диапазоне длин волн от 110 до 900 нм [Carbary 1994]. Он записывает данные в общей сложности в 1360 спектральных диапазонах одновременно, с 770 м GSD в надире и полосой шириной около 15 км.



Вторым самым ранним космическим гиперспектральным сенсором был HyperSpectral Imager (HSI) для миссии LEWIS, запущеннойв 1997 году [De long et al. 1995] в качестве демонстрации технологии в рамках программы NASA Small Spacecraft Technology Initiative. К сожалению, HSI не вышел на орбиту. Через три дня после запуска 23 августа 1997 г. управление спутником было потеряно, после чего спутник вошел в атмосферу Земли в сентябре 1997 г. [Lewis 2014].



Гиперспектральный сенсор «Гиперион» на борту спутника НАСА Earth Observing-1 (EO-1), запущенный 21 ноября 2000 года, хорошо известен и часто рассматривается как первый космический гиперспектральный сенсор в сообществе дистанционного зондирования, поскольку два других более ранних космических гиперспектральных сенсора менее известны. Гиперион обсуждался в разделе III.F.



22 октября 2001 года был запущен компактный спектрометр высокого разрешения (CHRIS) на борту спутника PROBA (Project for On-Board Autonomy) Европейского космического агентства. Основной задачей спутника PROBA была апробация ряда инноваций в конструкции платформы космических аппаратов, таких как ориентация и восстановление после ошибок, автономная работа с минимальным вмешательством с Земли [Barnsley et al. 2004]. CHRIS покрывает длину волны только в области VNIR при комбинированном GSD 17-20 м или 34-40 м с возможностью просмотра под разными углами и программируемой спектральной полосой пропускания. Он приобретает до 6-2спектральных каналов с интервалом спектральной дискретизации 5-15 нм в диапазоне длин волн 415-1050 нм. Он имеет пять режимов работы, каждый из которых имеет номинальное число полос, диапазон длин волн, спектральную полосу пропускания и номинальную GSD, при этом GSD уменьшается по мере увеличения специальной полосы пропускания. В перигее CHRIS обеспечивает GSD 17 м, на типичных участках изображения площадью 13 км. Долговечность спутника PROBA впечатляет. Он все еще работает после более чем 19 лет пребывания на орбите (по состоянию на июнь 2021 года).



Спектрометр среднего разрешения (MERIS) на борту спутника ENVISAT был запущен 1 марта 2002 года и выведен из эксплуатации в 2012 году после 10 лет успешной эксплуатации.

ТАБЛИЦА 2 Список космических гиперспектральных сенсоров на сегодняшний день и в будущем

Список сокращений


Активный: на момент написания рукописи 3 июня 2021 г.
AaSI: Спектральный сенсор Аалто-1
AHSI: Усовершенствованный гиперспектральный сенсор на спутнике GaoFen-5
ARTEMIS: Усовершенствованный тактически эффективный военный спектрометр для визуализации
CHIME: Миссия гиперспектральной визуализации программы «Коперник» для окружающей среды
CRISM: Компактный разведывательный спектрометр для Марса; MRO: Mars Reconnaissance Orbiter
CHRIS: Компактный спектрометр высокого разрешения
DESIS: Спектрометр DLR Earth Sensing Imaging
EnMAP: Программа картографирования и анализа окружающей среды
FLORIS: Флуоресцентный спектрометр на борту миссии ESA FLuorescence Explorer (FLEX)
FTHSI: HyperSpectral Imager на спутнике HJ-1A
HICO: Гиперспектральный сенсор для прибрежных районов океана
HISUI: Набор гиперспектральных изображений
HSI: гиперспектральный сенсор; Миссия LEWIS
Гиперион: Гиперспектральный сенсор; EO-1: Миссия по наблюдению за Землей-1
Гиперскаут:
HySI: гиперспектральный сенсор (HySI) на борту индийского мини-спутника-1 (IMS-1)
HyspIRI: Гиперспектральный инфракрасный сенсор
M3: Картограф лунной минералогии
MAJIS: Спектрометр для изображения лун и Юпитера на борту космического аппарата JUpiter ICy moons Explorer
MERIS (спектрометр MEdium Resolution Imaging Spectrometer); ENVISAT: Экологический спутник ESA lite
MHRIS: Миниатюрный спектрометр высокого разрешения
MODIS: Спектрорадиометр с визуализацией умеренного разрешения
OCI: Инструмент цвета океана
OLCI: Цветной сенсор для съемки океана и суши
PRISMA: PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa
SPIMs 1-5: Спектрогральныеафические сенсоры1-5; MSX: спутник Midcourse Space Experiment
VIRTIS: Тепловизионный спектрометр видимого и инфракрасного диапазона
VNIS: Спектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазона на борту космического аппарата «Чанъэ-3»

MERIS был первым космическим гиперспектральным сенсором с широкой полосой обзора (1150 км), состоящим из пяти идентичных спектрометров, установленных в разветвленной конфигурации на оптическом стенде, каждый из которых покрывает одну пятую ширины полосы. Он обладал высокой спектральной и радиометрической точностью, разработанной для наблюдения цвета океанов, как в открытом океане, так и в прибрежных зонах для изучения биологии океана и качества морской воды в глобальном круговороте углерода и продуктивности этих регионов, а также процессов, связанных с атмосферой и поверхностью суши. Он получил гиперспектральные изображения в области VNIR в режиме метлы. По замыслу MERIS может регистрировать 520 спектральных диапазонов в диапазоне длин волн от 390 нм до 1040 нм с интервалом спектральной дискретизации 1,25 нм. Однако MERIS была ограничена своими возможностями нисходящей линии связи и пропускала только 15 каналов, где каждый канал представлял собой среднее количество собственных спектральных элементов детекторных решеток. GSD изменяется в направлении поперечной траектории: от 260 м в надире до 390 м в оконечностях полосы [Bezy et al. 2016].



Инфракрасный тепловизионный спектрометр видимого диапазона (VIRTIS) был первоначально построен для кометной миссии ЕКА «Розетта» [Coradini et al. 2007], которая была третьим краеугольным камнем программы ЕКА «Горизонт 2000». «Розетта» — космический зонд, включающий орбитальный аппарат и посадочный модуль «Филы», запущенный 2 марта 2004 года для изучения кометы 67P/Чурюмова-Герасименко. Космический аппарат достиг кометы 6 августа 2014 года. Во время своего путешествия к комете космический аппарат пролетел мимо Марса и астероидов 21 Lutetia и 2867 Šteins. VIRTIS является одной из научных полезных нагрузок орбитального аппарата «Розетта» для обнаружения и характеристики эволюции специфических сигнатур, таких как типичные спектральные полосы минералов и молекул, возникающих из поверхностных компонентов и материалов, рассеянных в соме. VIRTIS представляет собой гиперспектральный сенсор с тремя фокальными плоскостями в двух каналах. Канал картографирования, получивший название VIRTIS-M, имеет две 2D-фокальные плоскости, охватывающие видимую область от 0,28 до 1,1 мкм и инфракрасную область от 1,05 до 5,13 мкм. Спектроскопический канал, получивший обозначение VIRTIS-H, имеет одну апертуру, охватывающую диапазон длин волн от 1,84 до 4,99 мкм с большим спектральным интервалом дискретизации. VIRTIS-M генерирует в общей сложности 432 изображения спектрального диапазона размером 256×256 пикселей в диапазоне длин волн 0,28–4,99 мкм со спектральным интервалом дискретизации 1,89 нм и 9,49 нм в видимой и инфракрасной областях соответственно.



Два небольших варианта VIRTIS также были построены и выбраны в качестве ключевого инструмента для миссий ESA Venus Express и NASA-Dawn. Это делает VIRTIS большой историей успеха конструкции одной полезной нагрузки для трех планетарных миссий. Миссия Venus Express состояла в том, чтобы детально изучить венерианскую атмосферу и облака, а также изучить плазменную среду и характеристики поверхности Венеры с орбит. Venus Express был запущен 9 ноября 2005 г. и вышел на целевую орбиту Венеры в апоцентре 7 мая 2006 г. [Piccioni et al. 2007].



VIRTIS на космическом зонде Dawn, запущенном 27 сентября 2007 года, предназначен для изучения двух из трех известных протопланетстероидного пояса, Весты и Цереры. Космический зонд вышел на орбиту вокруг Весты 16 июля 2011 года и завершил 14-месячный перед отправкой на Цереру в конце 2012 года. Затем, 6 марта 2015 года, он вышел на орбиту вокруг Цереры [Russell et al. 2007].

Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) — гиперспектральный сенсор VNIR и инфракрасный сенсор на борту космического аппарата НАСА Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), который был запущен 12 августа 2005 года и достиг марсианской орбиты 10 марта 2006 года. CRISM является одним из шести основных научных инструментов MRO и все еще активен после более чем 15-летней работы на марсианской орбите. Он используется для составления подробных карт поверхностной минералогии Марса и для идентификации минералов и химических веществ, указывающих на прошлое или настоящее существование воды на поверхности Марса [Murchie et al. 2007]. CRISM регистрирует гиперспектральные изображения от 362 до 3920 нм со спектральным интервалом дискретизации 6,55 нм. Он работает в трех режимах: мультиспектральном, целевом и атмосферном. В мультиспектральном режиме он указывает на надир планеты, чтобы разведать Марс с помощью 72 из 544 спектральных каналов с размером отпечатка от 100 до 200 м на пиксель. Почти вся планета может быть нанесена на карту таким образом. Целью этого режима является выявление новых интересных с научной точки зрения мест, которые могут быть дополнительно исследованы. В прицельном режиме он измеряет излучение, отраженное от поверхности Марса во всех 544 спектральных диапазонах. Когда космический аппарат MRO находится на высоте 300 км, он обнаруживает интересующую его сцену с полным пространственным разрешением (15–19 м/пиксель) и полным спектральным разрешением (362–3920 нм при длине волны 6,55 нм/диапазон). В атмосферном режиме она приобретает только фазовую функцию эмиссии. Глобальные сетки наблюдений с меньшим объемом данных проводятся многократно в течение марсианского года для измерения сезонных колебаний свойств атмосферы.



Moon Mineralogy Mapper (M3) — гиперспектральный сенсор НАСА, использованный в первой индийской миссии на Луну «Чандраян-1», запущенной 22 октября 2008 года. M3 был первым космическим гиперспектральным сенсором высокого разрешения, работающим в режиме метлы для картографирования всей лунной поверхности в пространстве и спектре. Он генерировал изображения лунных поверхностей длинными узкими полосами в диапазоне длин волн от 400 до 3000 нм со спектральным интервалом дискретизации 10 нм. Это формирует 260 спектральных изображений для сцены лунной поверхности. Ширина полосы обзора на поверхности Луны в данный момент составляет 40 км. В поперечной линии следов на поверхности Луны было 600 пикселей размером 70 ×70 метров. Длина окружности Луны составляет 10 930 км. При перекрытии для полного картографирования Луны требуется более 274 полос изображений [Mouroulis et al. 2000]. Миссия «Чандраян-1» была прервана на десять месяцев в августе 2009 года, когда связь с космическим аппаратом была потеряна. Несмотря на сокращенную миссию, M3 смог выполнить свои требования: получить изображения более 95% Луны в глобальном режиме, а также небольшое количество изображений в целевом режиме [Boardman et al. 2011].



Гиперспектральный сенсор с преобразованием Фурье (FTHSI) на борту китайского спутника Huan Jing-1A (HJ-1A) представляет собой интерферометр с преобразованием Фурье, как обсуждалось в разделе III.C. В отличие от гиперспектральных сенсоров на основе дисперсионных элементов, гиперспектральные сенсоры на основе преобразования Фурье производят интерферометрические данные в области преобразования Фурье, которые необходимо обработать перед получением радиометрических данных. Прибор FTHSI имеет в общей сложности 115 каналов, охватывающих спектральный диапазон от 0,45 до 0,95 мкм после обработки необработанных данных преобразования Фурье и возвращения в спектральную область. Ширина валка составляет 50 км при величине грунта 100 м [Zhao et al 2010]. Группировка мини-спутников «Хуань Цзин» является национальной программой Китая по мониторингу и смягчению последствий стихийных бедствий с использованием технологий дистанционного зондирования Земли, а также для повышения эффективности смягчения последствий стихийных бедствий и оказания помощи. Группировка HJ-1 включает в себя три мини-спутника, обозначенные как HJ-1A, HJ-1B и HJ-1C. Спутники HJ-1A и B были запущены 6 сентября 2008 года.



HyperSpectral Imager (HySI) на борту индийского мини-спутника-1, запущенного 28 апреля 2008 года, представлял собой 64-диапазонный спектрометр VNIR с расстоянием пространственной дискретизации около 500 м и шириной полосы обзора около 130 км. Он был направлен на проверку конструкции гиперспектрального сенсора и предоставление практического опыта пользователям и ученым в области гиперспектральных приложений [Kumar and Samudraiah 2016]. HySI представлял собой гиперспектральный сенсор на основе спектрального фильтра. В отличие от традиционных приборов на основе дисперсионных элементов (например, решетки или призмы), в HySI для диспергирования спектра использовался оптический клиновой фильтр, также известный как линейный фильтр с переменной частотой (LVF). Это был первый космический гиперспектральный сенсор, в котором в качестве дисперсионного элемента использовался LVF. HySI состоял только из телескопа, двухмерного детектора с клиновидным фильтром, установленным очень близко к нему, и связанной с ним электроники. Это связано с тем, что гиперспектральный сенсор на основе LVF не имеет громоздкого спектрометра для дисперсии спектра, поэтому он очень компактен по объему и легок по весу. Принцип работы гиперспектрального сенсора на основе LVF отличается от принципа работы гиперспектрального сенсора на основе дисперсных элементов, который обсуждался в разделе II.B.



19 мая 2009 года на борту спутника TacSat-3 был запущен спутник TacSat-3, который стал третьим в серии военных разведывательных спутников Министерства обороны США. Спутники TacSat предназначены для демонстрации способности предоставлять данные, собранные из космоса, боевым командирам в полевых условиях в режиме реального времени [Lockwood et al. 2006]. В спектральном сенсоре ARTEMIS использовалась одна 2D HgCdTe детекторная решетка, охватывающая спектральные области VNIR и SWIR от 0,4 мкм до 2,5 мкм с равномерным спектральным интервалом дискретизации 5 нм с GSD 4 м и шириной полосы обзора 4 км. Решетка детекторов 2D HgCdTe была расширена за счет ее чувствительности в синем диапазоне длин волн, чтобы охватить весь спектральный диапазон. Это позволило создать простую конструкцию прибора, в которой используется только один спектрометр для охвата спектральных областей VNIR и SWIR, а также значительно снизить сложность и стоимость прибора [Straight et al. 2010].



Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO) был развёрнут на Международной космической станции 23 сентября 2009 года. Это был первый космический гиперспектральный сенсор, предназначенный для исследования прибрежных районов океана [Lucke eta l. 2011]. HICO был построен с использованием готового коммерческого спектрометра (COTS), не защищенного от использования в космосе, для демонстрации улучшенных продуктов дистанционного зондирования прибрежных районов, включая батиметрию, типы дна, воду оптических свойств и карт растительности на суше. HICO представляет собой спектрометр визуализации, работающий в области VNIR от 380 нм до 960 нм со спектральным интервалом дискретизации 5,7 нм. Его ширина полосы обзора составляла 51 км при высоте МКС 420 км. Дистанция отбора проб с поверхности составила 100 м, что было значительно меньше, чем у других космических цветных сенсоров океана (300 м океанских цветных полос MERIS и 1000 м океанских цветных полос MODIS). Даже при таком малом GSD по сравнению с другими океаническими цветными сенсорами он все равно достиг достаточно высокого отношения сигнал/шум: пиковое отношение сигнал/шум 470:1 на длине волны 480 нм, отношение > 200:1 в спектральном диапазоне 400–600 нм [Kappus et al. 2016]. За 5 лет своего существования он собрал около 10 000 гиперспектральных сцен Земли. Эти данные позволили ученым и менеджерам, занимающимся цветом океана, оценить качество данных и применить снимки к различным научным и социальным проблемам.



Спектрометр визуализации видимого и ближнего инфракрасного диапазона (VNIS) был одной из основных научных полезных нагрузок китайского лунохода «Юйту» (в переводе с китайского означает «Нефритовый кролик») миссии «Чанъэ-3», который достиг лунной орбиты 6 декабря 2013 года и совершил мягкую посадку на Луну 14 декабря 2013 года. VNIS является первым спектральным детектированием in situ в областях VNIR и SWIR на поверхности Луны. Это был гиперспектральный сенсор на основе спектрального фильтра, в котором использовался акустооптический перестраиваемый фильтр (AOTF) для разделения спектра входного излучения. Он состоял из гиперспектрального сенсора VNIR, охватывающего диапазон длин волн 0,45–0,95 мкм, и SWIR-спектрометра, охватывающего диапазон длин волн 0,9–2,4 мкм. Гиперспектральный сенсор VNIR имел угол обзора 8,5°



× 8,5° для 256 × 256 пикселей в сцене со 100 спектральными полосами спектрального разрешения 2-7 нм, в то время как SWIR-спектрометр имел угол обзора 3,6° × 3,6° для одного пикселя в сцене с 300 спектральными полосами спектрального разрешения 3-12 нм [Wang et al. 2016]. Установленный на «Юйту» спереди, VNIS измерял излучение, диффузно отраженное от поверхности Луны солнечного освещения под углом обзора 45°, и получал спектральные и геометрические данные для определения минерального состава лунной поверхности и проводил комплексный анализ химического состава. Данные спектральной визуализации с высоким разрешением и эффективностью, полученные с помощью VNIS, позволили получить ценные гиперспектральные данные для научных исследований Луны [He et al. 2011].



Ocean and Land Color Imager (OLCI) — гиперспектральный сенсор VNIR с метлой. Это один из семи приборов на борту спутника Sentinel‐3A Европейского космического агентства, запущенного на



16 февраля 2016 года. OLCI является преемником бортового спутника ENVISAT ЕКА, который был выведен из эксплуатации в апреле 2012 года после десяти лет эксплуатации. OLCI был разработан для обеспечения глобальных и региональных измерений поверхности океана и суши с высокой радиационной точностью на основе унаследованного дизайна MERIS. Как и MERIS, OLCI состоит из пяти одинаково расположенных пектометров Дайсонас пятью матрицами фокальных плоскостей, чтобы охватить широкую полосу 1270 км на расстоянии 300 м. Время повторного посещения с глобальным охватом было сокращено до 3 дней вместо 15 дней, как у MERIS. OLCI передает на землю 21 спектральный канал, по сравнению с 15 у MERIS. Урок, извлеченный из MERIS, заключается в негативном воздействии прямого отражения солнечного света от поверхности моря на датчик, которое называется солнечным блеском. Чтобы свести к минимуму воздействие солнечных бликов OLCI принял асимметричную полосу по отношению к трассе спутника, чтобы избежать солнечных бликов. Используется поперечный наклон 12,6° от общего поля зрения, что приводит к максимальному зенитному углу наблюдения (OZA) чуть выше 55° [Nieke et al. 2016].

Миниатюрный спектрометр высокого разрешения (MHRIS) является вторичной нагрузкой на борту демонстрационного спутника парниковых газов (GHGSat-D), запущенного 22 июня 2016 года. Это гиперспектральный сенсор на основе спектрального фильтра, использующий электронно-настраиваемый фильтр (ETF). Он охватывает диапазон длин волн 1600-1700 нм с более чем 300 спектральными диапазонами шириной полосы 0,1 нм и имеет 15-километровую полосу земли с пространственным разрешением менее 50 м. Прибор MHRIS использует матрицу детекторов InGaAs SWIR размером 640 × 512 пикселей, из которых GHGSat-D маскирует область за пределами центральной матрицы 512 × 512. GHGSat — это коммерческое предприятие по измерению выбросов парниковых газов и газов качества воздуха на промышленных объектах с использованием спутниковых технологий [Germain 2019]. Это наноспутник на базе недорогой и высокопроизводительной наноспутниковой шины NEMO-AM производства Университета Торонто, Института аэрокосмических исследований/Лаборатории космических полетов (UTIAS/SFL) [Zee 2016]. Он имеет стартовую массу 15 кг и объем около 25U (20 см × 30 см × 42 см) плюс антресоль размером 7 см × 18 см × 42 см с одной стороны (-X).



Aalto-1 Spectral Imager (AaSI) — гиперспектральный сенсор на основе спектрального фильтра, использующий перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо, разработанный Центром технических исследований VTT в Финляндии. Это основная полезная нагрузка наноспутника «Аалто-1», который был запущен 23 июня 2017 года. В основе Aalto-1 лежит 3U CubeSat объемом 34 см × 10 см × 10 см и массой ~ 4 кг, построенный в основном студентами Университета Аалто в Финляндии. Его расчетный срок службы составляет 2 года, а средняя выработка электроэнергии – 4,8 Вт. АаСИ способен записывать 2D пространственные изображения выбранных спектральных диапазонов в спектральном диапазоне от 500 до 900 нм со спектральным разрешением 10-30 нм путем электронной настройки интерферометра Фабри-Перо. Отверстия фильтров 7 или даже 19



mm может быть достигнута с помощью пьезо-управляемого интерферометра Фабри-Перо [Praks et al. 2015].

DLR Earth Sensing Imaging Spectrometer (DESIS) — гиперспектральный сенсор, работающий в области VNIR от 400 до 1000 нм с минимальным интервалом спектральной дискретизации 2,55 нм. Ширина полосы захвата составляет 30 км, а расстояние отбора проб – 30 м. Он размещен на многопользовательской системе зондирования Земли (MUSES), установленной на Международной космической станции (МКС), запущенной 29 июня 2018 года в рамках логистического полета SpaceX CRS-15 к МКС и установленной на внешней стороне МКС 27 августа 2018 года [Perkins et al. 2016]. Основное отличие DESIS от большинства космических гиперспектральных сенсоров заключается в том, что DESIS оснащен указывающим зеркалом перед входной щелью. Он может указывать в прямом направлении до ±15°. Он может работать как в статическом режиме с шагом угла 3°, так и в динамическом режиме с изменением направления обзора до 1,5° в секунду. При работе в статическом режиме позволяет получать гиперспектральные данные для получения продуктов BRDF или стереоизображений. При работе в динамическом режиме позволяет вести непрерывные наблюдения за одними и теми же целями с компенсацией движения грунта для дальнейшего улучшения отношения сигнал/шум полученных гиперспектральных данных.



HyperScout представляет собой миниатюрное гиперспектральное изображениеr размером 1U (10 см × 10 см × 10 см), разработанное компанией Cosine Research в Нидерландах. Он находится на борту наноспутника ЕКА GomX-4B, который является одним из пары двух наноспутников 6U (GomX-4 A и GomX-4B). Эти два наноспутника были запущены одновременно со вторичной полезной нагрузкой 2 февраля 2018 года на ракете-носителе «Чанчжэн-2D» с космодрома Цзюцюань (JSLC), Китай. HyperScout является одной из пяти демонстрационных полезных нагрузок на борту GomX-4B. Это гиперспектральный сенсор на основе спектрального фильтра, охватывающий специальный диапазон от 400 нм до 1000 нм с шириной спектральной полосы 15 нм. Линейно-переменный фильтр (LVF) используется для разделения спектра до того, как излучение достигнет матрицы 2D CMOS-детектора. Благодаря отсутствию спектрометра, оборудование HyperScout состоит только из телескопа, LVF, решетки фокальной плоскости, блока управления прибором и бортового блока обработки данных, которые умещаются в объеме 1U. Ширина полосы обзора на местности HyperScout составляет 200 км с большим расстоянием выборки 70 м [Contocello et a l. 2016].



Усовершенствованный гиперспектральный сенсор (AHSI) является основной полезной нагрузкой китайского спутника Gaofen-5 (GF-5), который был запущен 8 мая 2018 года для научных исследований атмосферы Земли и наблюдения за Землей. Спутник GF-5 несет на борту шесть спутниковых аппаратов, гиперспектральный сенсор и мультиспектральный сенсор для наблюдения за Землей, а также четыре прибора для наблюдения за атмосферой. Целями AHSI являются решение многих ключевых научных вопросов и оперативных потребностей с использованием технологии дистанционного зондирования. AHSI имеет 330 спектральных каналов, охватывающих диапазон длин волн от 0,4 до 2,5 мкм. Интервал спектральной дискретизации составляет 5 нм в области VNIR (0,4~1,0 мкм) и 10 нм в области SWIR (1,0~2,5 мкм). Расстояние отбора проб с поверхности AHSI составляет 30 м, что соответствует ширине полосы обзора AHSI составляет 60 км, что примерно в 8 раз шире, чем у Hyperion. Отношение сигнал/шум у AHSI также значительно выше, чем у Hyperion. Например, достигнутое пиковое отношение сигнал/шум AHSI составляет 654:1 против 190:1 у Hyperion [Liu et al. 2019].



PRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa) — итальянский гиперспектральный спутник, целью которого является квалификация технологии, вклад в разработку приложений и предоставление продуктов институциональным и научным пользователям для наблюдения за окружающей средой и управления рисками. Он был выведен на солнечно-синхронную орбиту 22 марта 2019 г. [Loizzo et al. 2018]. Прибор PRISMA является ядром миссии PRISMA и состоит из гиперспектрального сенсора и панхроматической (PAN) камеры. Гиперспектральный сенсор работает в режиме метлы. Он состоит из спектрометра VNIR и SWIR-спектрометра для охвата спектральных диапазонов от 400 до 1010 нм и от 920 до 2505 нм. Он обеспечивает гиперспектральные изображения Земли с ГРС 30 м, шириной полосы обзора 30 км с и спектральными полосами с интервалом спектральной дискретизации 12 нм. Камера PAN позволяет получать изображения с пространственным разрешением 5 м в диапазоне длин волн 400–700 нм, пространственно совпадающие с гиперспектральными изображениями, что позволяет объединить изображения для повышения пространственного разрешения гиперспектральных изображений [Meini et al. 2016].

Hyperspectral Imager Suite (HISUI) включает в себя гиперспектральный сенсор (HSI) и мультиспектральный сенсор (MSI). HISUI был развернут на борту Японского экспериментального модуля (JEM) на МКС, который был запущен к МКС 6 декабря 2019 года [Matsunaga et al. 2019]. HSI и MSI были сделаны в двух отдельных коробках и работали как независимо друг от друга, так и одновременно. HSI — это гиперспектральный сенсор с метлой. Он состоит из спектрометра VNIR и SWIR-спектрометра для охвата диапазона длин волн от 0,40 до 2,5 мкм с общим количеством спектральных каналов 185 (57 VNIR + 128 SWIR). Интервал спектральной дискретизации составляет 10,0 нм в области VNIR и 12,5 нм в области SWIR. Из-за ограниченности оптической конструкции и наличия массивов 2D-детекторов большой формы, полоса HSI составляет 20 км, что составляет одну треть от полосы MSI (60 км). Чтобы заполнить зазор между полосами обзора двух сенсоров, HSI оснащен механизмом наведения, который может наклонять HSI на ±5° в поперечном направлении, чтобы соответствовать полосам обзора двух сенсоров [Matsunaga et al. 2016]. Чтобы справиться с ограничениями пропускной способности нисходящей линии передачи данных МКС, гиперспектральные и мультиспектральные данные, генерируемые HISUI, частично передаются на наземные станции (около 10 Гбит/день ≈ 30 000 км2). Остальные данные (около 300 ГБ/сутки ≈ 900 000 км2) записываются на съемные носители памяти, которые доставляются на Землю грузовыми кораблями три-четыре раза в год.



Geo Imaging Satellite (GISAT) — индийский спутник на геостационарной орбите с возможностью частого повторного посещения (т.е. с высоким временным разрешением) для обеспечения изображений и мониторинга в режиме, близком к реальному времени, запуск которого запланирован на июнь 2021 года. Есть два одинаковых спутника GISAT. Каждый спутник имеет гиперспектральный сенсор (HSI) и мультиспектральный сенсор (MSI). HSI состоит из спектрометра VNIR, охватывающего диапазон длин волн от 0,38 мкм до 1,0 мкм с GSD 318 м, и SWIR-спектрометра, охватывающего диапазон длин волн от 0,9 мкм до 2,5 мкм с GSD 191 мкм. Мультиспектральный сенсор имеет 6 спектральных каналов, охватывающих диапазон длин волн от 0,45 мкм до 0,875 мкм с GSD 42 м. Спутники GISAT получают изображения в мультиспектральном и гиперспектральном диапазонах, чтобы обеспечить наблюдение крупных районов Индии в условиях отсутствия облаков практически в реальном времени для выбранного полевого изображения каждые 5 минут и изображения всего индийского массива каждые 30 минут с пространственным разрешением от 42 м до 318 м [Srivastava 2016].



B. Готовящиеся к выпуску космические гиперспектральные сенсоры



Существует как минимум шесть известных космических гиперспектральных сенсоров, которые находятся в стадии разработки или планируются, некоторые из них появятся в ближайшее время.



Программа картографирования и анализа окружающей среды (EnMAP) — немецкая гиперспектральная спутниковая миссия, запуск которой запланирован на 2021 год. Он направлен на мониторинг и характеристику окружающей среды Земли в глобальном масштабе путем предоставления высококачественных гиперспектральных данных. EnMAP представляет собой гиперспектральный сенсор на основе дисперсионных элементов (с использованием призм), работающий в режиме метлы. Он имеет 242 спектральных канала, охватывающих диапазон длин волн от 420 до 2450 нм со спектральным интервалом дискретизации 6,5 нм для диапазонов VNIR и 10 нм для SWIR-диапазонов. Ширина полосы покрытия составляет 30 км с грунтом Расстояние отбора проб 30 м×30 м. Он предназначен для достижения лучшего отношения сигнал/шум, чем существующие космические гиперспектральные сенсоры. Отношение сигнал/шум будет больше 500:1 для 10-нм эквивалентной полосы спектрального диапазона на длине волны 495 нм. В области SWIR будет достигнуто отношение сигнал/шум более 150:1 [Kaufmann et al. 2016].



Магический спектрометр Moons And Jupiter I (MAJIS) был выбран ЕКА в качестве одной из научных полезных нагрузок для миссии Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), предназначенной для исследования Юпитера и трех его ледяных спутников: Европы, Каллисто и Ганимеда. Его запуск запланирован на июнь 2022 года. Космический аппарат миссии JUICE должен пролететь мимо Каллисто, Ганимеда и Европы, а затем совершить годичную орбитальную фазу вокруг Ганимеда [Langevin et al. 2014]. Гиперспектральный сенсор MAJIS представляет собой спектрометр с двойной решеткой: спектрометр VNIR охватывает спектральный диапазон от 0,5 до 2,35 мкм, а инфракрасный спектрометр — спектральный диапазон от 2,25 до 5,54 мкм. Спектральное и пространственное разрешение MAJIS использует преимущества новейших разработок детекторной технологии с 2 раз по 508 спектральных каналов для достижения широкого диапазона длин волн от 0,5 до 5,5 мкм при спектральном интервале дискретизации 3,6 нм для VNIR и 6,4 нм для инфракрасного излучения более 400 пространственных пикселей в перекрестной линии. Мгновенное поле зрения (IFOV) прибора 150 мкрад соответствует размеру отпечатка 75 м на Ганимеде с круговой орбиты над Ганимедом длиной 500 км и размеру отпечатка 150 км для наблюдений атмосферы Юпитера при пролете мимо него [Guerri et al. 2018].



Ocean Color Instrument (OCI) — это гиперспектральный радиометр на борту спутника НАСА Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem (PACE), запуск которого запланирован на 2022 год. OCI станет самым совершенным океаническим цветным инструментом в истории НАСА. Наблюдение за хлорофиллом из космоса имеет давнюю традицию – в 1978 году был запущен первый спутник НАСА Coastal Zone Color Scanner (CZCS). CZCS был мультиспектральным радиометром и собирал изображения только в нескольких спектральных диапазонах. OCI будет собирать гиперспектральные изображения в диапазоне длин волн от 340 до 890 нм в ультрафиолетовом (УФ) и ближнем ИК-спектре с полосой пропускания 5 нм или меньше (2,5 нм). Он также получает 7 дискретных спектральных изображений в диапазоне от 940 нм до 2260 нм в области SWIR. OCI сканирует с востока на запад со скоростью вращения5,77 Гц, получая данные обзора Земли на 1000 м × 1000 м GSD в надире и угловом диапазоне ±56,5° при ширине полосы земли 2663 км. Передняя оптика OCI повторяет конструкцию SeaWiFS, с вращающимся телескопом, полуугловым зеркалом и пропускающим деполяризатором (а не отражающим, как в CZCS и SeaWiFS). Дихроики направляют свет в три разные фокальные плоскости: 1) синий спектрограф (340-605 нм) с разделением длин волн решеткой и 2D ПЗС-матрицей; 2) красный SPEctrograph (600-890 нм) с использованием того же подхода, что и в 1); и 3) блок детектирования SWIR с разделением по длине волны с использованием дихроичных/полосовых фильтров и фотодиодов. Как и SeaWiFS, OCI будет выполнять маневр наклона на каждом витке примерно в субсолнечной точке, чтобы избежать отражения солнечного блика от океана, глядя на 20° северной (передней) в северном полушарии и 20° южной (кормовой) в южном полушарии.

Миссия Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI) направлена на изучение мировых экосистем и предоставление критически важной информации о стихийных бедствиях, таких как извержения вулканов, лесные пожары и засухи. Миссия была рекомендована в 2007 году в десятилетнем обзоре Национального исследовательского совета, запрошенном НАСА, NOAA и USGS. HyspIRI определит тип растительности и ее здоровье. Миссия станет эталоном состояния мировых экосистем, по которому можно будет оценивать будущие изменения. Миссия также оценит углерод и другие газы, выделяемые лесными пожарами. Данные HyspIRI будут использоваться для широкого спектра исследований, в первую очередь в области углеродного цикла и экосистемы, а также поверхности и недр Земли. Спутник HyspIRI будет выведен на низкую околоземную орбиту (дата запуска не указана). Он будет оснащен двумя инструментами: гиперспектральным сенсором, работающим в инфракрасном диапазоне от видимого до широковолнового инфракрасного диапазона (VSWIR), охватывающего диапазон длин волн 380 нм - 2510 нм с интервалом спектральной дискретизации 10 нм. Мультиспектральный сенсор получает 8 широкополосных изображений от 3,9 до 12 мкм в среднем и тепловом инфракрасном диапазонах (TIR). Приборы VSWIR и TIR имеют пространственное разрешение 60 м в нижней точке. Частота повторных посещений VSWIR составит 19 дней, а МДП – 5 дней. С развитием технологий современные возможности космических компьютеров позволяют обрабатывать данные в режиме реального времени, сжимать и экранировать облака. HyspIRI будет оснащен интеллектуальным модулем полезной нагрузки (IPM), который обеспечивает прямую трансляцию подмножества гиперспектральных данных, обрабатываемых на борту и передаваемых на Землю в режиме, близком к реальному времени.



Флуоресцентный спектрометр (FLORIS) для миссии ESA Fluorescence Explorer (FLEX) представляет собой гиперспектральный сенсор с метлой. Запуск спутника FLEX запланирован на 2024 год, и он будет летать в тандеме со спутником Sentinel 3, используя синергию данных с видимым коэффициентом отражения от Ocean and Land Color Imager (OLCI) [Nieke et al 2012] и данные о температуре поверхности моря и суши (SLSTR) [Coppo et al 2010, Coppo et al 2014]. FLORIS состоит из двух спектрометров с очень большим интервалом спектральной дискретизации для измерения флуоресценции растительности в спектральном диапазоне от 500 нм до 780 нм. Первый визуализирующий спектрометр (называемый спектрометром высокого разрешения) измеряет спектр флуоресценции в двух полосах поглощающих кислород ионов (O2A и O2B) с интервалом спектральной выборки от 0,1 нм до 0,5 нм в диапазоне длин волн 677–780 нм. Второй спектрометр (называемый спектрометром низкого разрешения) определяет дополнительные параметры атмосферы и растительности с интервалом выборки от 1 нм до 2 нм в диапазоне длин волн 500–740 нм. Он получает гиперспектральные изображения с пространственным разрешением 300 м на полосе 150 км [Coppo et al 2017]. Наблюдение за функциональным состоянием растений из космоса представляет большой интерес для сельского хозяйства, управления лесами и оценки углеродного баланса суши. Измерение индуцированной солнцем флуоресценции хлорофилла напрямую связано с эффективностью фотосинтеза наземного растительного слоя и дополняет традиционные измерения коэффициента отражения, используемые для определения таких параметров, как индекс площади листьев (LAI) или поглощение хлорофилла. Оценка флуоресценции обеспечивает ранний и более прямой подход к диагностике функционирования и состояния здоровья растительности. На самом деле, флуоресцентное излучение конкурирует с фотохимическим преобразованием и может позволить более точно оценить ассимиляцию углерода и обнаружить напряжение на более ранних стадиях, чем это возможно только на основе данных об отражательной способности.



Миссия «Коперник» по гиперспектральной визуализации окружающей среды (CHIME) будет обеспечивать регулярные гиперспектральные наблюдения для поддержки новых и усовершенствованных услуг для устойчивого управления сельским хозяйством и биоразнообразием, а также для определения характеристик свойств почв. Он дополнит спутник Copernicus Sentinel-2 для таких приложений, как картографирование почвенно-растительного покрова. Миссия CHIME является частью расширения программы космического компонента «Коперник» Европейского космического агентства (ЕКА) в партнерстве с Европейской комиссией (ЕК). Спутник будет получать гиперспектральные данные с высокой радиометрической точностью в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазоне (400-2500 нм) при спектральном разрешении 10 нм. Гиперспектральный сенсор CHIME будет иметь пространственное разрешение 20-30 м и ширину полосы обзора 128 км, что позволит достичь времени повторного посещения 10-12,5 дней. Спутник будет выведен на солнечно-синхронную низкую орбиту со временем прохождения между 10:30 и 11:30 по местному времени на нисходящем узле (LTDN). Основными продуктами, поставляемыми миссией, будут атмосферные и геометрически скорректированные поверхностные коэффициенты отражения уровня 2А, включая коэффициент отражения на дне атмосферы (BOA), или торектифицированная геометрия с использованием цифровой модели рельефа (ЦМР) и классификации пикселей (побочный продукт процесса атмосферной коррекции), позволяющей пользователям различать непрозрачные поверхности, тонкие облака, тени от облаков, растительность и т.д. Кроме того, в рамках каталога миссий пользователям будет предложен набор продуктов для поддержки оперативного использования данных [Nieke and Rast 2018, 2019].



V. C ЗАКЛЮЧЕНИЕ



Гиперспектральная визуализация — это мощная технология дистанционного зондирования, которая регистрирует полный спектр от VNIR до SWIR для каждого пикселя изображения. Научное обоснование гиперспектральной визуализации очевидно, учитывая ее сильную потребность в разнообразии дисциплин. Основанная на измерениях высокого спектрального разрешения излучения, взаимодействующего с веществом, она позволяет характеризовать и количественно оценить поверхностные материалы. Количественные переменные, полученные из наблюдаемых спектров, например, непосредственно через различные характеристики поглощения, являются диагностической информацией о поверхностных материалах Земли или планет.



Благодаря хорошо зарекомендовавшим себя спектроскопическим методам, гиперспектральная визуализация дистанционного зондирования может обеспечить значительное улучшение количественных продуктов с добавленной стоимостью, отражающих состояние различных наземных и водных экосистем и изменения, которые они претерпевают. Это будет способствовать созданию широкого спектра новых продуктов и услуг в области сельского хозяйства, продовольственной безопасности, сырья, почв, биоразнообразия, деградации и опасностей окружающей среды, внутренних и прибрежных вод и лесного хозяйства. Они относятся к различным стратегиям, которые в настоящее время не выполняются или могут быть реально улучшены, а также к частному сектору переработки и сбыта. Гиперспектральная визуализация дистанционного зондирования позволяет оптимально картографировать цели с четко определенными оптическими сигнатурами, гибким размещением полос для минимизации и оценки эффектов атмосферного рассеяния и поглощения, а также точным моделированием откликов других датчиков.



В данной работе представлен обзор гиперспециализированных спутников и история их развития. Она начинается с введения гиперспектральных спутников, за которыми следует описание принципа гиперспектральной визуализации, реализуемого четырьмя типами приборов для спектральной визуализации: прибор на основе дисперсионных элементов, прибор на основе спектральных фильтров, интерферометр на основе преобразования Фурье и моментальные гиперспектральные сенсоры. В статье рассматривается история развития технологии гиперспектральной визуализации, рассказываются истории перехода от бортовых приборов к космическим, начиная с первого в мире бортового гиперспектрального сенсора – AIS, построенного в начале 1980-х годов, за которым последовал первый действующий бортовой гиперспектральный сенсор



– AVIRIS разрабатывался с середины 1980-х годов, затем был первым коммерческим воздушным гиперспектральным сенсором – CASI, выпускаемым с конца 1980-х годов. Описание истории гиперспектральной съемки продолжается развитием гиперспектральных технологий в Канаде в период с 1980-х по 1990-е годы, а в 1990-х годах НАСА планировало орбитальные гиперспектральные сенсоры, вплоть до запуска первого космического гиперспектрального сенсора – бортового спутника EO-1 в 2000 году.



Автором статьи на сегодняшний день проведен обзор космических гиперспектральных сенсоров. Существует не менее 25 гиперспектральных сенсоров, которые были развернуты в космосе. Сводка составлена в хронологическом порядке по годам запуска с начала разработки и по спутниковым орбитам, подходу к визуализации гиперспектральных сенсоров и режиму их работы. В общей сложности девятнадцать (19) гиперспектральных сенсоров были развернуты на борту спутников, вращающихся вокруг Земли, в том числе три из них на Международной космической станции. Шесть



(6) из них находятся вне околоземных орбит, в том числе 1 на орбите Марса, 1 на лунной орбите, 1 на луноходе для наблюдения на месте, 1 плюс 2 его варианта, развернутых на борту космических зондов трех планетарных миссий на орбитах кометы, Венеры и двух протопланет. Что касается подхода к визуализации, девятнадцать (19) гиперспектральных сенсоров представляют собой приборы на основе дисперсионных элементов, использующие либо решетки, либо призмы для разделения спектра. Пять (5) гиперспектральных сенсоров используют спектральные фильтры для разделения спектра. Только один (1) космический гиперспектральный сенсор использует интерферометр с преобразованием Фурье для рассеивания спектра. Все 25 космических гиперспектральных сенсоров используют матрицы 2D-детекторов и работают в режиме метлы. В статье кратко описаны 25 космических гиперспектральных приборов и задачи их выполнения с акцентом на эксплуатационные параметры и технические характеристики приборов.



По крайней мере, шесть известных космических гиперспектральных сенсоров находятся в стадии разработки или планируются, и скоро появятся в продаже. Это EnMAP, MAJIS, OCI, HyspIRI, FLORIS и CHIME. В этом документе также кратко описаны они и рассмотрены задачи их миссии с акцентом на эксплуатационные параметры и технические характеристики прибора.

R EFERENCES


Abdlaty, R. et al. 2018. Гиперспектральная визуализация: Сравнение акустооптических и жидкокристаллических настраиваемых фильтров. Труды SPIE vol. 10573.

Олкок Р. Д. и Д. М. А. Коупленд, Компактный спектрометр с преобразованием Фурье с высокой числовой апертурой и его применение. Технические науки, том 17, No 11, с.2861-2868, ноябрь 2006 г.

Энгер, К. Д., С. К. Бейби и Р. Дж. 1990. Новый подход к спектроскопии изображений. Труды SPIE Imaging Spectroscopy of the Terrestrial Environment 1298.

Бейби, С. К. и К. Д. Энгер. 1989. Компактный бортовой спектрограп-сенсор (CASI). Материалы IEEE IGARSS'89/Двенадцатого Канадского симпозиума по дистанционному зондированию 2:1028-1031.

Barnsley, M. J. et al. 2004. Миссия PROBA/CHRIS: недорогой малый спутник для гиперспектральных, многоугольных наблюдений поверхности и атмосферы Земли. IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing 42: 1512–1520.

Bézy, J.‐L., J.‐P. M. Huot, S. M. Delwart, L. Bourg, R. Bessudo и Y. Delclaud. 2016. Спектрометр среднего разрешения для определения цвета океана на борту ENVISAT. В книге Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 91-120. Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Bianchi, R. et al. 1995. Воздушное гиперспектральное дистанционное зондирование Земли MIVIS в Европе. Материалы Международного симпозиума по спектральным исследованиям – ISSSR, Мельбурн, Австралия.

Boardman, J. W. et al. 2011. Прогресс в области селенолокации для лунного минералогического картографа на Чандраян-1. Материалы 42-й Конференции по лунным и планетарным наукам.

Браун Р., Хариг Р., 2012. «Идентификация и картирование разлитых жидкостей с помощью пассивной гиперспектральной съемки», Proc. SPIE 8546, Optics and Photonics for Counterterrorism, Crime Fighting, and Defence VIII, 85460F, 30 октября 2012 г., doi:10.1117/12.974496.

Carbary, J. F. 1994. Прибор для ультрафиолетовой и видимой визуализации и спектрографической визуализации. Appl. Opt. 33(19):4201–4213.

Чанг, К.-И. 2013. Гиперспектральная обработка данных. Хобокен:

Джон Уайли и сыновья.

Криен, Т. Г., М. Л. Иствуд, К. М. Сартур, Р. О. Грин, У. М. Портер. 1991. Современное состояние спектрометра в видимом/инфракрасном диапазонах (AVIRIS). Материалы третьего семинара AVIRIS, JPL Pub. 91-28.

Chrien, T. G. 1992. AVIRIS: Недавнее техническое обслуживание приборов, модификации и производительность в 1992 году. Резюме третьего ежегодного семинара JPL по аэрогеонаукам, JPL: Пасадена, Калифорния.

Криен, Т. Г.; Р. О. Грин, К. М. Сартур, К. Човит, М. Л. Иствуд, Б. Т. Инж. 1993. Бортовой спектрометр видимого/инфракрасного диапазона (AVIRIS): последние усовершенствования датчика. Резюме 4-го ежегодного семинара JPL по аэрогеонаукам. Т. 1: Семинар AVIRIS 27-30.

Кокс, Т., Р. Йенссен, А. Стюарт, И. Уилсон и Т. Шилдс. 1998. Бортовой гиперспектральный датчик HyMap: система, калибровка и производительность. Материалы 1-го семинара EARSeL по спектроскопии изображений (М. Шепман, Д. Шлепфер и К.И. Иттен, ред.), 6-8 октября 1998 г., Цюрих, EARSeL, Париж, стр. 37-43.

Эта статья былапринята к публикации в следующем номере журнала, но не была полностью отредактирована. Содержание может быть изменено до окончательной публикации. Информация для цитирования: DOI 10.1109/JSTARS.2021.3090256, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing

Contocello, S. S. et al. 2016. Гиперспектральная визуализация для обследования земель и растительности в режиме реального времени. Материалы симпозиума по малым спутникам, системам и услугам (4S Symposium 2016).

Коппо,., Б. Риччарелли, Ф. Брандани, Д. Делдерфилд, М. Ферле, К. Мутлоу, Г. Манро, Т. Найтингейл, Д. Смит, С. Бьянки и др. 2010, SLSTR: Радиометр с высокой температурой с двойным сканированием для мониторинга поверхности моря и суши из космоса. J. Mod. Opt. 57, 1815–1830.

Коппо,., К. Мастрандреа, М. Стаги, Л. Каламай, Й. Нике, 2014, Конструкция и производительность сборки радиометра для обнаружения температуры на поверхности моря и суши. J. Appl. Remote Sens. 8, 084979.

Coppo, P. et al. 2017. Флуоресцентный спектрометр (FLORIS) для миссии ESA FLEX, дистанционное зондирование, 9, 649.

КораДини, А., Ф. Капаччони,. Дроссарт и др. 2007. VIRTIS: спектрометр для миссии «Розетта». Space Sci. Rev. 128(1–4): 529–559.

Де Лонг, Р. К., Д. Мармо, Д.. Боулер и Т. Э. Ромессер. 1995. Разработка спектрометра для аэрокосмической и спутниковой съемки в TRW. Материалы международного симпозиума SPIE по аэрокосмическому/оборонному зондированию и управлению и фотонике двойного назначения. 2480(26).

Dozier, J. 1988. HIRIS - спектрометр высокого разрешения. SPIE 0924 Последние достижения в области датчиков, радиометрии и обработки данных для дистанционного зондирования.

Дуайт. J. D. et al., 2018. Компактный спектрометр для картографирования снимков для гиперспектральной визуализации беспилотных летательных аппаратов. Журнал прикладного дистанционного зондирования 12(4):044004.

Иствуд, М. Л. и др. 2000. Последние усовершенствования датчика AVIRIS: Сезон полетов 2000 года. Семинар по спектрометру AVIRIS, 2000 г., Пасадена, США.

Гао Л., Р. Т. Кестер и Т. С. Ткачик, 2009. Компактный спектрометр для флуоресцентной микроскопии гиперспектральных изображений. Опция Express 17(15):12293–12308.

Gao, L. et al. 2011. Спектрометр для картирования изображений с глубинным разрешением (IMS) со структурированной подсветкой. Опция Экспресс 19(18):17439–17452.

Gat, N. 2000. Спектроскопия изображений с использованием настраиваемых фильтров: вид Re.SPIE 4056:50-64.

Гетц, А. Ф. Х., У. Вейн, Д. Соломон и Б. Н. Рок. 1985. Спектрометрия изображений для дистанционного зондирования Земли. Наука 228:1147-1153.

Гетц, А. Ф. Х., Л. К. Роуэн и М. Дж. 1982. Идентификация минералов с орбиты: Результаты исследования с помощью мультиспектрального инфракрасного радиометра шаттла. Наука 218:1020−1024.

Goetz, A. F. H. 1995. Спектрометрия изображений для дистанционного зондирования:

видение в реальность через 15 лет. Proc. SPIE. 2480:1-13.

Goetz, A. F. H., and Srivastava, V. 1985. Минералогическое картирование в горнодобывающем районе Куприт, штат Невада. Материалы семинара по анализу данных спектрометра с бортовой визуализацией JPL Публикация 85(41):22-31.

Гетц, А. Ф. Х. и М. Херринг. 1989. Спектрометр высокого разрешения (HIRIS) для EOS. IEEE Transations on Geoscience and Remote Sensing 27:136−144.


Гран, Х. и. Гелади. 2007. Методы и приложения гиперспектрального анализа изображений. Хобокен: Джон Уайли и сыновья.

Гилен Б., Н. Так и А. Ламбрехтс. 2013. Новые мульти- и гиперспектральные охваты различных приложений.

Спектры фотоники, (март) https://www.photonics.com/Articles/New_Multi-_and_....

Germain, S. et al. 2016. Глобальный мониторинг выбросов парниковых газов. Материалы 30-й ежегодной конференции AIAA/USU SmallSat (август), Логан, Юта, США.

Жермен, С. 2019. GHGSat-D — Глобальный мониторинг выбросов

GHGSat Inc. , январь 2019 г.

URL-адрес:https://www.ghgsat.com/our-platforms/claire/

Гауэр, Д. Ф. Р., Г. А. Борстад, Л. Х. Грей и Х. Р. Эдель. 1987. Флуоресцентный линейный имидж-сканер: спектроскопия изображения над водой и сушей. Материалы Одиннадцатого Канадского симпозиума по дистанционному зондированию, Ватерлоо, Онтарио, 22-25 июня, 689-697.

Гауэр, Д. Ф. Р. и Г. А. Борстад. 1990. Картирование фитопланктона методом солнечно-стимулированной флуоресценции с использованием визуализирующего спектрометра. Международный журнал дистанционного зондирования 11:313-320.

Гауэр, Д. Ф. Р., Г. А. Борстад, К. Д. Ангер и Х. Р. Эдель. 1992. Спектроскопия изображений на основе ПЗС-матрицы для дистанционного зондирования: программы FLI и CASI. Канадский журнал дистанционного зондирования 18(4):199-208.

Грин, Р. О. и др., 1993. Бортовой спектрометр видимого/инфракрасного диапазона (AVIRIS): недавние усовершенствования датчика и средства обработки данных. SPIE 1993:180-190.

Green, R.O.et al.1998 . Визуализирующая спектроскопия и

Спектрометр Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS). Дистанционное зондирование окружающей среды 65(3):227-248.

Guerri, I., et al. 2018. Оптическая схема прибора MAJIS на борту миссии JUICE. Proc. SPIE 10690: 1-21 (1L).

Хаген Н., Р. Т. Кестер, Л. Гао и Т. С. Ткачик. 2012. Моментальное преимущество: обзор усовершенствования светового сбора для параллельных многомерных измерительных систем. Оптическая инженерия 51:111702.

Н. Хаген и М. В. Куденовы. 2013. Обзор технологий моментальной спектральной визуализации. O ptical Engineering 52(9), 090901 (сентябрь).

Хэ, З.., Р. Шу и Дж. 2011. Визуализирующий спектрометр на основе AOTF и его перспективы в исследовании дальнего космоса. Материалы Международного симпозиума SPIE по фотоэлектронному обнаружению и воображению8196.

Horstmeyer, R. et al. 2009. Гибкая мультимодальная камера, использующая архитектуру светового поля. IEEE Int. Conf. on Computational Photography 1–8.

Имек. 2013. Новая крышка мульти- и гиперспектральных камер

Разнообразные области применения. Фотоника Медиа. https://www.photonics.com/Articles/New_Multi-_and_...

Имек. 2018. Релиз Meadia: Imec демонстрирует камеру гиперспектральной визуализации коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR). SPIE Photonics West в Сан-Франциско.

Kappus, M. E. et al. 2016. Гиперспектральный сенсор для прибрежной зоны океана на Международной космической станции. В оптическом

Данная статья принята к публикации в будущем номере журнала, но не была полностью отредактирована. Содержание может быть изменено до окончательной публикации. Информация для цитирования: DOI 10.1109/JSTARS.2021.3090256, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing

Полезная нагрузка для космических миссий, под ред. С.-Э. Цянь, 29–49. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Кастек М. и др. «Метод обнаружения газов применительно к инфракрасному гиперспектральному датчику», Photonics Letters of Poland, 4(4):146–148, 2012.

Kaufmann, H. et al. 2016. Программа картографирования и анализа окружающей среды – немецкая гиперспектральная миссия. В кн.: Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 161–181. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Куденов М. В.,Дереняк Е. Л. 2010. Компактный спектрометр Фурье-преобразования с двулучепреломляющей визуализацией», Proc. SPIE 7812:781206.

Куденов М. В., Дереняк Е. Л. 2012. Компактный спектрометр с двулучепреломлением в реальном времени. Опция Express 20(16):17973–17986.

Кумар А. С. К. и Д. Р. М. Самудрия. 2016. Гиперспектральный сенсор на борту индийского мини-спутника-1. В кн.: Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 141–160. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Langevin, Y., et al. 2014. Визуализирующий спектрометр MAJIS VIS-NIR длямиссии J UICE. Материалы 45-й Конференции по лунным и планетарным наукам, Вудлендс, Техас, 1777:2493.

Levoy, M. et al. 2006. Светопольная микроскопия. ACM Trans.

График. 25(3):924–934.

Льюис (SSTI 1), 2014. URL-адрес:

http://space.skyrocket.de/doc_sdat/lewis.htm (дата обращения: 5 декабря 2018 г.).

Лю, Ю.-Н. и др., 2019. Усовершенствованный гиперспектральный сенсор на борту китайского спутника GaoFen-5, журнал IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 7(4): 23-32.

Локвуд, Р. Б. и др. 2006. Усовершенствованный тактически эффективный военно-визуальный спектрометр (ARTEMIS) Design. Proc. of IEEE Geosci and Rem. Sens. Symp. IGARSS'2006: 1628-1630.

Лойццо. R. et al., 2018. Prisma: Итальянская гиперспектральная миссия. Proc. of IEEE Geosci and Rem. Sens. Symp.

IGARSS'2018: 175-178,doi :

10.1109/IGARSS.2018.8518512.

Lucke, R. L. et al. 2011. Гиперспектральный сенсор для прибрежной зоны океана: описание прибора и первые изображения. Опция 50:1501–1516.

Matsunaga, T. et al. 2016. Hyperspectral Imager Suite (HISUI): японский космический гиперспектральный прибор для картографирования ресурсов и окружающей среды. В кн.: Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 215–222. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Matsunaga, T. et al. 2019. Статус HISUI к запуску в 2020 году. 2019 Международный симпозиум IEEE по геонаукам и дистанционным исследованиям(IGARSS 2019), Иокогама, Япония, стр. 4495-4498.

Мейни, М., А. Бини, Л. Джунти, Э. Фоссати, Р. Формаро. 2016. Гиперспектральная полезная нагрузка для итальянской программы PRISMA. В кн.: Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 183–213. Западный Сассекс UK: John Wiley & Sons.

Mende, S. B. et al. 1993. Спектроскопия Адамара с двумерной детектирующей матрицей. Appl. Opt. 32(34):7095– 7105.

Мурулис,., Р. О. Грин и Т. Г. Криен. 2000. Разработка спектрометров для визуализации метлы для оптимального восстановления


спектроскопической и пространственной информации, Appl.Opt.

39(13):2210–2220.

Murchie, S., et al. 2007. Компактный спектрометр для разведки на Марсе (CRISM) на орбитальном аппарате Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). J. Geophys. Резолюция 112, E05S03:1-57.

Накашима. Б. С., Г. А. Борстад, Д. А. Хилл, Р. К. Керр, 1989. Дистанционное зондирование косяков рыб: первые результаты

Спектрометр с цифровым изображением. IEEE IGARSS'89/12-й Канадский симпозиум по дистанционному зондированию, Ванкувер, Британская Колумбия 4:2044-2046.

Миссия NASA PACE, https://pace.oceansciences.org/home.htm.

Невилл, Р. А. и И. Пауэлл. 1992. Разработка SFSI: Визуализирующий спектрометр в SWIR. Канадский журнал дистанционного зондирования 18(4):210-223.

Нике, Й.; Борде, Ф.; Маврокордатос, К.; Беррути, Б.; Делькло, Ю.; Рити, Дж.Б.; Garnier, T. 2012, The Ocean and Land Color Imager (OLCI) для миссии Sentinel 3 GMES: статус и первые результаты испытаний. SPIE 8528, 85280C.

Нике, Ж., К. Маврокордатос, К. Донлон, Б. Беррути, Т. Гарнье, Ж.-Б. Рити и Ю. Делькло. 2016. Ocean and Land Color Imager на Sentinel‐3. В кн.: Optical Payloads for Space Missions , ed. S.-E. Цянь, 223–245. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Нике, Й. и М. Раст 2018. "Towards the Copernicus Hyperspectral Imaging Mission For The Environment (CHIME)," Proc. IEEE IGARSS2018, pp.157-159.

Нике, Й. и М. Раст. 2019. «Статус: миссия гиперспектральной визуализации Copernicus для окружающей среды (CHIME)», Proc. IEEE IGARSS2019, стр. 4609-4611.

Пакстон, Л. Дж., К.-И. Мэн, Д. Э. Андерсон и Г. Дж. 1996. MSX - Многоцелевое пространство. Технический дайджест Университета Джонса Хопкинса, 17(1).

Перлман, Дж., С. Карман, К. Сигал,. Джарек,. Барри и У. Браун. 2001. Обзор спектрометра Hyperion для миссии NASA EO-1. IEEE IGARSS 6: 3504–3506.

Перлман, Дж.,. Б. Арри, К. Сигал, Д. Шепански, Д. Бейсо и С. Карман. «Гиперион» — космический спектрометр. 2003. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 41(6): 1160-1173.

Перкинс Р., Круц Д., Мюллер Р., Кармона Э., Гриффин Р., Грэм Л., Миллер Р. 2016. Многопользовательская система зондирования Земли (MUSES) компании Teledyne. Семинар Объединенного агентства по оценке коммерческих изображений (JACIE), Форт-Уэрт,

Техас, США, 11–15 апреля (доступно в https://calval.cr.usgs.gov/wordpress/wp-content/up...).

Пиччони, Г.,. Дроссарт, Э. Суэтта и др. 2007. VIRTIS: Тепловизионный спектрометр видимого и инфракрасного диапазона. ESA-SP-1295, ESA Publications Division, vol. SP-1295, Нордвейк, Нидерланды.

Портер, В. М., Т. Г. Криен, Э. Г. Хансен, К. М. Сартур. 1990. Эволюция бортового спектрометра видимого/инфракрасного диапазона (AVIRIS) для обработки полетных и наземных данных. Материалы семинара по Второму спектрометру в видимом/инфракрасном диапазонах (AVIRIS), JPL: Пасадена, Калифорния.

Пракс, Й., А. КестИла, М. Халликайнен, Х. Саари, Й. Антила,. Янхунен, Р. Вайнио. 2011. Аалто-1 – экспериментальный наноспутник для гиперспектрального дистанционного зондирования.

Международный симпозиум IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию (IGARSS), стр. 4367–4370.

Praks, J., A. Kestilä, T. Tikka, H. Leppinen, O. Khurshid, and Hallikainen M. 2015. Образовательные результаты миссии по наблюдению за Землей Aalto-1 CubeSat. Материалы Международного симпоза IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию IGARSS'15.

Цянь, С.-Э. 2013. Обработка и усиление оптических спутниковых сигналов. Беллингем: SPIE Press.

Цянь, С.-Э. 2016. Обзор космических оптических полезных нагрузок. В кн.: Оптические полезные нагрузки для космических миссий. Ред. С.-Э. Цянь, 1−25. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Цянь, С.-Э. 2020. Гиперспектральные спутники и проектирование систем.

Бока-Ратон: CRC Press/Taylor & Francis.

Рихтер, Р. 1996. Атмосферная коррекция данных гиперспектральных изображений DAIS. Компьютеры и науки о Земле 22:785−793.

Рикард, Л. Дж., Р. Базедов, Э. Залевске,. Р. Сильвергиате и М. Ландерс. 1993. HYDICE: Бортовая система для гиперспектральной визуализации. Труды SPIE 1937:173-179.

Ройер, А., Н. Т. О'Нил, Д. Уильямс,. Клише, Р. Верро. 1989. System de mesures de reflectances pour les spectrometres imageurs. IEEE IGARSS'89/12-й Канадский симпозиум по дистанционному зондированию, Ванкувер, Британская Колумбия 4:2097-2099.

Рассел, К. Т., Ф. Капаччони, А. Корадини и др. 2007. Миссия «Рассвет» на Весту и Цереру. Земля Луна Планета 101:65-91.

Сартур К. М., Т. Г. Криен, Р. О. Грин, М. Л. Иствуд, Х. К. Джонсон, К. Дж. 1995. Бортовой спектрометр видимого/инфракрасного диапазона (AVIRIS): усовершенствования датчиков в 1994 и 1995 годах. Материалы пятого ежегодного семинара JPL по аэробиологическим наукам о Земле 23–26 (январь).

Шривастава, А. 2016. Встреча по пользовательскому интерфейсу 2016 года: "Новое в глазах в ГЕО". nrsc.gov.in. Архивировано 30 августа 2016 года (PDF) . Дата обращения: 7 марта 2021.

Стрейт, С. Д., и др. 2010. Обзор миссии тактического спутника-3 и первые извлеченные уроки. Материалы 24-й ежегодной конференции AIAA/USU по малым спутникам.

Унгар, С. Г., Д. С. Перлман, Д. А. Менденхолл и Д. Рейтер. 2003. Обзор миссии Earth Observation One (EO-1). IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 41:1149−1153.

Вейн, Г. и А. Ф. Х. Гетц. 1988. Земная спектроскопия. Удаленные датчики окружающей среды. 24:1—29.

Vane, G. et al. 1993. Бортовой спектрометр видимого/инфракрасного диапазона (AVIRIS). Удаленные датчики окружающей среды. 44:127-143.

Вагадарикар, А. А., М. Э. Гем и Д. Дж. 2007. Сравнение характеристик апертурных кодов для мультимодальной, мультиплексной спектроскопии. Appl. Opt. 46(22):4932–4942.

Вагадарикар, А. А., Н.. Питсианис, С. Сан и Д. Дж. 2009. Спектральная визуализация скорости видео с использованием спектрального сенсора с кодированной апертурой. Опция Express 17(8):6368–6388.

Wang, J.-Y. et al. 2016. Спектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазона на борту китайского космического аппарата «Чанъэ-3». В кн.: Optical Payloads for Space Missions, ed. S.-E. Цянь, 121–139. Западный Сассекс, Великобритания: John Wiley & Sons.

Уил, Г.., С. Б. Ачал и К. Д. Энгер. 1990.Применение коммерческого инструмента дистанционного зондирования CASI к астрономии. Труд SPIE 1235.

Зи, Р. Э. 2016. Лаборатория космических полетов: подрывные малые спутники. Материалы Канадского симпозиума SmallSat, Торонто, Канада, 2-3 февраля 2016 г.

Чжао, X., З. К . Сяо, К. Кан, К. Ли и Л. Фан. 2010. Обзор гиперспектрального сенсора с преобразованием Фурье (HSI), установленного на спутнике HJ-1A. IEEE Geosci & Rem. Sen. Symp. IGARSS 2010: 4272-4274.

Цукко, М., Марко Пизани и Тициана Кавалери, 2017. О преобразовании гиперспектральной визуализации для культурного наследия, в книге "Преобразования Фурье - высокотехнологичное применение и современные тенденции", редакторы: Горан С. Николич, Милорад Д. Чакич и Драган Дж.

Шэнь-Энь Цянь (M'97−SM'2003) получил степень бакалавра технических наук в области промышленной электроавтоматизации в 1982 году, степень магистра в области оптоэлектроники в 1985 году и степень доктора философии в области телекоммуникаций и электронных систем в 1990 году. В 1992-93 гг. он продолжил свое обучение в качестве постдокторанта в Обсерватории Медона / CNRS в Париже, Франция, а также в качестве постдокторанта NSERC

С 1994 по 1996 год работал в Канадском космическом агентстве в Сент-Юбере, Квебек, Канада.

С 1996 по 1998 год он был адъюнкт-профессором Университета Квебека. С 1998 года работает в Канадском космическом агентстве. В настоящее время является главным научным сотрудником (высшего уровня) и техническим руководителем космических миссий. Он является научным авторитетом канадских правительственных контрактов и грантов, присуждаемых промышленности и научным кругам в области разработки космических технологий и спутниковых миссий. Он возглавляет научно-исследовательскую группу по разработке инновационных космических технологий, обработке спутниковых сигналов и приложениям данных для наблюдения за Землей и исследования дальнего космоса.

Д-р Цянь является единственным автором четырех популярных книг об оптических спутниках, их системном дизайне и обработке сигналов, опубликованных издательствами SPIE Press, John Wiley и CRC Press в США и Великобритании. Он также является соавтором пяти других книг. Он является обладателем 35 патентов, выданных по всему миру, разработанных в канадских государственных лабораториях. Опубликовал более 120 работ в области оптической полезной нагрузки космических аппаратов, космических технологий для спутниковых миссий и исследования дальнего космоса, дистанционного зондирования, обработки и усиления спутниковых сигналов, сжатия спутниковых данных. Он является членом Канадской инженерной академии (CAE), членом Международного общества оптики и фотоники (SPIE). Он является помощником редактора журнала SPIE Journal of Applied Remote Sensing, а также помощником редактора журнала IEEE Journal on Miniaturfor Air and Space Systems (J-MASS). Он прочитал несколько лекций IEEE по инновационным космическим технологиям и обработке спутниковых сигналов для членов IEEE по всему миру. Адъюнкт-профессор Йоркского университета.

В 2019 году д-р Цянь получил награду IEEE Canada Outstanding Engineer Award и медаль Sliver Medal. В 2016 году генерал-губернатор Канады вручил ему награду «За выдающиеся заслуги в области государственной службы» в категории «Научный вклад» за исключительные достижения в продвижении канадских космических проектов. В 2004 году он получил премию правительства Канады за изобретения за свои многочисленные патенты на космические миссии. В 1992 году он получил премию Марии Кюри от Европейского сообщества.