使用光学滤镜观测和监测地球

农业革命发生在一万多年前,自那时以来,人类一直在探索管理和改善其本地和全球环境的新方法。

测量是导致控制并最终改善的第一步。如果你可以的话’不能测量一些东西,你可以’不明白。如果你可以的话’不明白,你可以’控制它。如果你可以的话’控制它,你可以’t improve it.

詹姆斯·哈灵顿

在现代世界中,能够控制或至少理解环境以及对环境的任何影响/相互作用已变得越来越重要。这是诸如商业,科学,安全和保障等领域的核心要求。

也非常需要了解自然和人‐造成或影响的现象,例如森林大火,海洋‐冰,闪电,大气成分(云和气溶胶),农作物/地表覆盖物和反照率,天气(暴风雨),森林和森林砍伐,海洋温度/洋流和漏油。

能够更好地管理或理解这些事件,对于确保我们保护一个健康的星球至关重要,因为这个星球可以作为多种生态系统的一部分继续维持人类的生存。因此,自然地,要了解这些现象及其随时间的变化,就需要对它们进行度量。

透视

从系统内部客观地观察任何系统可能非常困难,因此最好的方法是从外部进行查看。

一旦能力“溜走泥泞的泥土”1 它是在1960年代实现的,因此迅速成为了政府资助的太空机构发展从上方观察地球的能力的竞赛。他们通过部署具有地球观测(EO)能力的卫星来做到这一点。

第一个空间‐基于多光谱成像仪(MSI)的是Landsat‐1号由NASA于1972年发射升空,最近的增加是ESA’s Sentinel‐2B - “Europe’s eyes on earth”-于2017年推出,即将推出的GCOM‐C launch from 杰克斯 .

表1仅显示了当前部署的一些不同的光学EO仪器。

表格1。 使用光学仪器的EO任务示例2

. . . .
美国宇航局 Landsat-1 4波段(绿色,红色,两个NIR) 1972
JPSS; VIIRS(可见红外成像辐射计套件) 22个波段(412 nm-12 um); 1个PAN,9个VIS / NIR,8个MWIR,4个LWIR 2011
GOES-16; ABI(高级基线成像仪) 16个波段(2 VIS; 4 NIR; 10 IR) 2016
GOES-16; GLM(对地静止闪电映射器) 单NIR波段成像777.4 nm 2016
欧空局 ERS-1; IRR(红外辐射计) 4波段MSI VIS-SWIR(650-1.6 nm) 1991
Proba-V(植被) 4个波段(蓝色,红色,NIR,MWIR) 2013
哥白尼– Sentinel-2B VIS / SWIR MSI 443-2190纳米 2017
ISRO 罗希尼RS-D2 VIS / IR成像 1983
海洋卫星(IRS-P4); OCM(海洋彩色监视器) 8频段MSI VIS-IR 1999
资源2A 4频段(3 VIS; 近红外/ SWIR) 2016
杰克斯 GCOM-C; SGLI(第二代全球成像仪) 19个乐队;近紫外线至长波红外(380 nm-12 um) 计划2017年

 

来自轨道的观测提出了具体的挑战及其相关的解决方案。这些概述如下:

  • 通过波长选择性成像可以解决透过大气层(云/气溶胶)或仅观察这些大气现象或成分的问题。
  • Observing small signals in a large 背景 scene may require the use of large, highly uniform collection optics.
  • 紧凑/多用途解决了将尽可能多的测量功能集成到小型轻巧的包装中以降低发射成本的问题‐spectral imaging.
  • 确定现象的类型(‘what’) and location (‘where’)在低地球轨道(160‐距地球2000公里’的表面)可能涉及使用高空间(‘where’) and spectral (‘what’) resolution.
  • 在发射条件下生存并在地面之外运行’保护性的大气毯需要使用坚固且可靠的光学组件。

多ple designs and formats of 光学滤镜 是每个解决方案的核心,基于光子的EO仪器充当“仪器的眼睛”.

波长选择性成像

是否带‐pass (BPF), edge‐如果采用通过或陷波设计,则滤光片将为使用它们的仪器提供一定的波长选择性。特别是在EO系统中,经常需要使用单个选择波段,以便观察与关注现象有关的独特光谱特征。

不同的环境和大气成分将根据其化学成分反射,吸收或透射不同的波段。下表说明了NASA的光带功能’s 陆地卫星8, and the way in which these relate to the constituents being measured.

表2。 陆地卫星8 optical bands [参考NASA]

乐队# 波长范围(nm) 空间分辨率(米) 组分
Measured
1 433-453 30 沿海(浅水)/气溶胶(细尘/烟)
2 450-515 30 可见(蓝色)
3 525-600 30 可见(绿色)
4 630-680 30 可见(红色)
5 845-885 30 近红外– vegetation
6 1556-1660 30 地质学–地球,土壤和岩石
7 2100-2300 30 地质学–地球,土壤和岩石
8 500-680 15
9 1360-1390 30 乌云

 

选择带状滤光片‐与被检查的波段相对应的通过区域,用户只能观察他们正在研究的成分或现象的信号,从而使他们“more signal with less 背景” in their data.

大型,高度均匀的收集光学器件

有时,感兴趣的成分具有较窄的光谱带,与‘background’ bands or the signal is a slight contributor in contrast with the 背景. In these cases, large, narrow band‐通过滤光片(NBPF)可能是提供增强的波长选择性的一种手段。

例如,映射或测量来自轨道的闪电需要在相当大的视场上具有较高的波长选择性。可以通过研究777.4 nm处的窄原子氧三重态线来检查闪电。

As it unclear as to when and 哪里 a lightning strike may occur, this necessitates a large detector area over which extremely narrow wavelength selectivity is maintained. This would be best served by an exceptionally uniform, narrow 光学滤镜 .

益瑞电具有经过实践证明的能力,可以在工作净孔径上产生这样的NBPF,其中心距目标波长20 pm以内>125 mm in diameter.3

CWL在125毫米直径上的空间变化表明高度均匀的大型NBPF。

图1。 CWL在125毫米直径上的空间变化表明高度均匀的大型NBPF。

优点‘field of view’在制造这种大型,复杂的滤光片及其相关的光学组件时,必须在重量和成本之间取得平衡,并在精度和精度上取得平衡。

紧凑/多 光谱成像

为了减轻重量和降低成本‘science line’,各种EO成像系统旨在将尽可能多的科学纳入每个仪器。他们通过使用一个具有检测多个感兴趣光谱带能力的检测器来做到这一点。

多‐光谱成像(MSI)从而推动了滤波器阵列的开发,在该滤波器阵列中,整个部分的光谱性能在空间上都不同。这允许检测器’不同的像素带对不同的光谱带敏感,因此对不同的现象或感兴趣的成分敏感。

10 BPF的多光谱阵列(根据加拿大ABB为加拿大航天局的空间技术开发计划而分包的合同开发)。

图2。 多‐10 BPF的光谱阵列(根据加拿大ABB为加拿大航天局的空间技术开发计划而分包的合同开发)

两种方法通常用于制造多‐zone/multi‐光谱滤光片(MZF或MSF)阵列:一种屠夫结构(将不同的滤光片制造,分离并组装在一起形成阵列)是一种这样的方法。或者,可以在阵列中采用在单片基板上构图(通过掩模)不同的光谱带的方法。’ manufacture.

Butcher block MZF阵列通过避免增加镀层运行产量来简化镀层工艺。在此,过滤器制造商将在任何给定的基材上覆盖一条条带。这是大多数标准光学滤波器制造中使用的方法。

当多个(>4或5)需要观察到感兴趣的条带,或者当单个过滤器条带复杂时,会导致增加过滤器涂层厚度并降低运行成功率。

图案化的MZF阵列提供了创建几乎任何形状或大小的光谱带的可能性(屠夫块仅限于条纹或矩形),并且在尺寸过渡区域有显着改善(两倍或更多)。

过渡区域以下的像素在分析方面不起作用,因此通过使用带图案的阵列来减少良好像素的损失可能是有益的。而且,在单块基板上进行涂层避免了通常与不同光谱带之间的对准公差有关的问题。

高空间和光谱分辨率

更好地区分‘science line’通过减小与关注频带有关的滤波器的带宽,可以改善信号带宽。在MSI应用程序中,频谱分辨率的提高是以空间分辨率降低为代价的,因为这实际上缩小了任何频带的信噪比(总光量较少)和孔径尺寸(可用像素)。

On the contrary, 哪里 a broad band, panchromatic (PAN) filter spanning the entire visible spectrum is utilized, the increase in total light at these pixels provides enhanced spatial resolution.

陆地卫星8’与其他光学波段相比,PAN波段的空间分辨率提高了一倍(15 m对30 m)。可以在表2中看到。将PAN与波长选择带和‘pan sharpening’,阵列可用于同时映射特定信号’的起源和信号代表什么。

坚固可靠的光学元件

最后,使用 高分辨率 如果此过滤器不够健壮,无法在轨道上使用。

通过对沉积过程(增强的蒸发或溅射)和材料的精确控制,经验丰富的制造商能够生产出具有良好附着力和密度的光学滤光片,能够抵抗温度和湿度变化的标准地面要求,而不会随时间变化或降解。

可靠性规格通常包括:

  • 湿热暴露24小时(95%RH; 49)后,光谱性能或表面质量无变化°C).
  • 摩擦和胶带测试粘附力
  • 热循环/冲击测试来自‐60 to 70 °C

一旦它们到达轨道,这些滤波器或滤波器阵列可能需要承受极端的温度范围(低至70 K),以及通常被地球滤除的电子和太阳辐射’s atmosphere.

这些设置中使用的过滤器和过滤器阵列可能需要进一步的专门测试,以确认它们可以在这种恶劣的环境下生存。

未来的挑战

发射成本继续下降,因此太空的商业化正在增长。尽管NASA,ISRO和ESA继续规划和发射具有EO功能的卫星,但预计EO卫星星座将由Planet,Satellogic,Urthecast和BlackSky Global等私人组织拥有和运营,而不是政府的太空机构。

在里面“2016年纳米/微卫星市场预测”,SpaceWorks估计,从2018年开始‐到2020年,将有〜1,000纳米/微卫星(1‐50公斤)发射,其中70%是商业而非政府项目。

预计这些项目中有70%以上将用于EO应用(<在过去5年中占40%)。

太空资本主义将看到比以往更多的可用信息,这些数据不仅用于国防和情报目的。一次额外‐地面收集的数据变得越来越普遍,可能会出现利用这些信息更好地管理和控制商业及其他地面活动的新应用程序。

光学滤光片和光子学有望在这些新技术中发挥重要作用。

参考资料和进一步阅读

  1. [参考小约翰·吉莱斯皮·玛吉]
  2. [参考NASA,ESA,ISRO,JAXA]
  3. 大幅面BPF–均匀性挑战(铱星)

此信息已从虹膜光谱技术提供的材料中获取,审查和改编。

有关此来源的更多信息,请访问 虹膜光谱技术.

引文

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  • 预约定价安排

    虹膜光谱技术。(2020, May 05). 使用光学滤镜观测和监测地球 . AZoOptics . Retrieved on January 09, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1800.

  • 司法协助

    虹膜光谱技术。"使用光学滤镜观测和监测地球 ". AZoOptics . 09 January 2021. <//www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1800>.

  • 芝加哥

    虹膜光谱技术。"使用光学滤镜观测和监测地球 ". AZoOptics . //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1800. (accessed January 09, 2021).

  • 哈佛大学

    虹膜光谱技术。2020. 使用光学滤镜观测和监测地球 . AZoOptics , viewed 09 January 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1800.

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