NASA高光谱红外成像仪(HyspIRI)

    2007年空间地球科学与应用计划中推荐了NASA高光谱红外成像HyspIRI (Hyperspectral InfraRed Imager)任务：未来十年及以后的国家需求（十年调查），以研究多个领域的关键科学问题，特别是生态系统和自然灾害。HyspIRI由两个仪器组成，一个可见至短波红外VSWIR (Visible to Short-WavelengthInfraRed) 成像光谱仪和一个热红外TIR (Thermal Infrared) 多光谱成像仪，以及对数据进行快速下行和在轨处理的智能有效载荷模块IPM(Intelligent Payload Module)。VSWIR仪器将具有10nm连续波段，可覆盖380-2500nm光谱范围，30米空间分辨率和16天回访。TIR仪器将在4-13um范围有8个离散波段、60米空间分辨率和5天回访。借助这两台近地轨道仪器，HyspIRI将可以用来研究从生态系统功能和多样性到人类健康和城市化的广泛领域关键科学和应用问题。

1.      介绍

2007年，美国国家研究理事会（National Research Council）发布了空间地球科学与应用：未来十年及以后的国家需求（常被称为“十年调查”），回顾和总结了在社会挑战背景下地球系统科学的现状。“十年调查”建议NASA承担几个地球科学任务，包括拟解决具体科学问题和社会需求的高光谱红外成像仪HyspIRI任务。HyspIRI将由两个仪器组成：一个可见/近红外/短波红外VSWIR成像光谱仪和一个热红外TIR多光谱成像仪，以及对数据进行快速下行和在轨处理的智能有效载荷模块IPM。通过在近地轨道LEO运行，HyspIRI可以每隔5-16天以高空间分辨率(30-60米)覆盖全球(图1)。NASA与JPL和GSFC一起，由SSG科学研究组制定了一套科学和应用问题，以解决十年调查报告中概述的和科学界提出的问题。

2.      任务架构

2.1.VSWIR

    VSWIR仪器配置最初基于继承了月球矿物绘图仪M3（Moon Mineralogy Mapper)的Offner光谱仪设计。该仪器配置需要60米地面采样和19天回访。然而，与可持续陆地成像SLI（Sustainable Land Imaging）计划合作的最近评估表明，配有新探测器阵列的Dyson光谱仪设计方案可以显著改善VSWIR仪器的空间和时间分辨率。当最大太阳仰角≥20°时，该Dyson装置将具有30米的改进空间分辨率和16天回访（图1）。

VSWIR可以以≤10nm连续波段覆盖380到2510nm范围，且包含大于95%的光谱交叉轨道和大于95%的光谱瞬时视场角IFOV均匀性。绝对辐射度精度要求95%以上，通过每月对月球观测和周期性表面校正实验，结合IPM编写的基本算法分析进行维护。在600nm和2200nm的信噪比SNR分别为700：1和500：1。仪器设计也将使偏振灵敏度和散射光降低到最小，以改善沿海海洋观测。为了减少水域表面太阳闪光的影响，仪器将在后向散射方向指向4°。标定数据收集方案将以全空间和光谱分辨率在≤50米深度对陆地和沿海地带进行观测，并将数据传输到地面站。在开放海洋上，将以约1千米的空间分辨率进行平均。

2.2.TIR

    HyspIRI TIR仪器将继续先前传感器几十年来的测量传统，如高级星载热辐射计ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)和中分辨率成像光谱仪MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)。HyspIRI TIR仪器将有8个波段，一个4um中红外MIR， 7个7-13um的长波红外LWIR。几个TIR波段（图3）与ASTER和MODIS匹配（表2）。4um波段具有高达1200K的饱和极限，而更长波的波段将在400-500K达到饱和。

图1. HyspIRI计划的全球覆盖

（A）16天 VSWIR覆盖，VSWIR将以30米空间采样每16天对陆表和沿海进行测量。（B）5-天TIR覆盖，TIR将以60米空间采样每5天(白天和夜晚)对陆表和沿海进行测量。

这一配置可用来识别火灾、火山和其他热现象中的热点，辐射准确度和精度将分别为0.5K和0.2K，且所有波段量化为14 bits。仪器校正将使用一个在轨黑体和每次扫描镜旋转时产生的空间视角。HyspIRI TIR将具有60米空间分辨率，并在赤道有5天回访。 

2.3.智能载荷模块

智能载荷模块IPM是一种在轨处理系统概念，设计按照HysplIRI任务制定过程的要求，在时间关键或时间敏感条件时为用户提供服务（如灾难响应、干旱监测、以及地面现场实验和校正/验证活动）。HyspIRI的IPM概念利用了EO-1（Earth Observing 1)技术验证开发的在轨处理架构，具有两个Mongoose处理器，一个用于命令和数据处理（Command and Data Handling，C&DH），另一个用于科学数据处理。通过将仪器数据与C&DH分离，可能实现更大的灵活性，且不会损害卫星的健康和安全。IPM将构建灵活的配置，并利用最新的在轨处理技术的优势，包括空间用低功率多核处理器和现场可编程门阵列FPGA协处理器。这些处理器将提高计算性能的数据吞吐，并可以处理延迟需求。例如，IPM将接受高达1 gigabits每秒的数据传输速率，并通过数据处理流程（图4）进行1级处理、辐射校正、大气校正、几何校正、以及网络覆盖处理服务(Web Coverage Processing Service，WCPS)数据分类等步骤。

由于两个HyspIRI仪器将高速生成大数据集（表3），IPM将在关键时刻进行必需数据的传输。虽然直接广播技术已快速将数据传送至地面，但期望的直接下行速率依然被限制在每秒10 megabits 左右。IPM将利用这种直接下行链路减少用户预定数据的容量，从而地面用户可以近实时下载这些数据。使用地面和在轨软件，IPM可以确定哪些数据和什么时候下载。用户可以指定和优先考虑感兴趣的地理区域，可以与地面轨迹预报相结合，制定在轨产品生成和下行计划。利用在轨自动分析来搜索特定事件或有趣特征，如火山喷发或水华。这些事件的数据产品可以根据CPU资源、频带处理极限、以及下行带宽进行优先合并。EO-1（The Earth Observing One )已被用作在轨产品生成规划的试验台，并证明了可用于HyspIRI任务。

表1  HyspIRI任务拟解决的紧迫和特别的科学与应用问题

领域

科学问题

应用

陆地系统

• 生态——格局和空间分布

•农业应用（如缓解旱情、用水效率、供水）

• 生态——功能、生理、季节活动，物候

•对自然/人为干扰的影响和反应         

• 野火——（景观变化/碳收支）

•野火管理（例如，特大火灾）

• 表面组成和变化

•景观和景观变化对人类健康的影响

• 生物多样性/物种分布

•保护措施

• 表面能量平衡（例如，评估蒸散量）

水生系统

• 理解光学复杂的水域（如混浊、沿海、河口）

•水的可用性和质量（供人类消费或人类使用），例如预测（有害）藻华发生和程度的工具

• 浅水底组成

•跟踪漏油和其他污染物

• 内陆水生环境

•灾害评估（如洪水预报或干预）

• 海洋生态学，珊瑚礁组成/范围

•恢复和缓解措施

• 湿地范围

•保护措施

• 淹没水生植被和物种鉴别/分布

•对自然/人为干扰的影响和反应

• 地貌（海岸线变化）

• 地下水排放

• 洪水

• 海洋颜色/海洋生物

生物地球化学

碳、水、氮、氧，气候反馈、碳储，以及对生态系统功能/物种种群的影响

•对缓解措施的影响

•对资源开采、城市化的影响

•对水质的影响（可用水）

气候地质学

•大气校正

•资源探测和提取

•表面矿物组成

•地震破坏程度或预警

•地质灾害，如地震和火山造成的危害

•对空气质量和人体健康的影响

图2.Offner和Dyson成像光谱仪设计比较，Dyson设计更加紧凑

图3.与Landsat 7和8相比，HyspIRI的波长范围和波段位置

3.      HyspIRI团队拓展

HyspIRI任务概念团队积极参与了科学和应用团队，从而为潜在的全球任务做好准备，能常规性地为各种科学与应用需求提供高质量VSWIR光谱和多波段热数据集。支持这一团队发展的最重要活动包括分别从2009年和2008开始举办的HyspIRI年度研讨会和HyespIRI科学与应用讨论会，涉及到方案现状、技术创新、科学问题、应用验证、以及团队拓展。

表2 HyspIRI TIR仪器光谱波段特征 

波段

波长(um)

带宽(um)

标定辐射和温度(W/m2/sr)

与其他TIR任务相同部分

最小

最大

1

3.98

0.08

14(400K)

9600(1200K)

MODIS band 22

2

7.35 

0.32

0.34(200K)

110(500K)

MODIS band 28

3

8.28

0.34

0.45(200K)

100(500K)

ASTER band 10

4

8.63

0.35 

0.57(200K)

94(560K)

ASTER band11, MODIS band29

5

9.07 

0.36 

0.68(200K)

86(500K)

ASTER band12

6

10.53 

0.54 

0.89(200K)

71(500K)

ASTER band13

7

11.33  

0.54 

1.1(200K)

58(500K)

ASTER band14, MODIS band31

8

12.05

0.52

1.2 (200K)

48 (500k)

MODIS band32

表3 HyspIRI VSWIR和TIR仪器任务参数与现有和提出的ISS仪器（VSWIR-Dyson和ECOSTRESS）比较

参数

HyspIRI VSWIR

VSWIR-Dyson

HyspIRI-TIR

ECOSTRESS

轨道高度

626千米(LEO)

400千米

626千米（LEO）

400千米

地面空间分辨率

30米

30米

60米

38×69米

地表覆盖

全球（