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  • 天空的眼睛 – 地球觀測的光學濾波片

     

    “測量為控制與最終改進的第一步。若無法測量某樣東西,則無法理解它。若未理解它,則無法控制它。若無法控制它,則無法提高它。”

    H. James Harrington

    自從 10,000 多年前的農業革命以來,人類越來越多地尋求方法來管理和改善我們的本地和全球環境。在現代世界,為了商業、安全、科學、環境以及我們與環境的影響/相互作用的目的,我們越來越依賴于控制能力或者至少是理解能力。這包括渴望增進對自然和人為或影響現象的理解,如森林火災、閃電、大氣成分(云和氣溶膠)、天氣(風暴)、海洋溫度/洋流、森林和森林砍伐、農作物/地表覆蓋和反照率、海冰和石油泄漏。改善管理或理解這些現象的能力,對于確保我們維護一個健康的星球,使其有能力維持作為其生物多樣性的一部分的人類的生存至關重要。但是要理解這些現象以及它們是如何隨時間而變化,就需要進行測量。  

    視角

    從外部觀察通??蓪Νh境提供獨特的視野,而從內部無法客觀地觀察一個系統。在 20 世紀 60 年代,“掙脫這個乖戾的星球” 1的能力一形成,就很快成為政府資助的太空機構的競賽,通過部署配有地球觀測能力 (EO) 的衛星,以開發從上空觀察地球的能力。從第一個太空多光譜成像儀 (MSI), 1972 年由 NASA 發射的 Landsat-1,到 2017 年發射的 ESA 的 Sentinel-2B “歐洲的地球之眼”,再到計劃由 JAXA 發射的 GCOM-C,表 1 僅為迄今部署的不同光學 EO 儀器的幾個例子。

    美國國家航空和宇宙航行局 (NASA)Landsat-14 頻帶(綠色、 紅色、兩個近紅外光譜)1972
     JPSS; VIIRS (可見紅外成像輻射計套件)22 頻帶(412 納米-12 微米); 1 PAN, 9 VIS/NIR, 8 MWIR, 4 LWIR2011
    GOES-16;  ABI (先進基線成像儀)16 頻帶 (2 VIS; 4 NIR; 10 IR)2016
    GOES-16;  GLM (同步閃電映射器)單一的近紅外波段成像 777.4 納米2016
    歐洲航天局 (ESA)ERS-1; IRR (紅外輻射計)4 頻帶 SI VIS-SWIR (650-1.6 納米)1991
     Proba-V (植被)4 頻帶(藍色、紅色、NIR、MWIR)2013
    Copernicus – Sentinel-2BVIS/SWIR MSI 443-2190 納米2017
    印度空間研究組織 (ISRO)Rohini RS-D2VIS/IR 成像1983
    Oceansat(IRS-P4); OCM (海洋顏色監測儀)8 頻帶 MSI VIS-IR1999
    RESOURCESAT-2A4 頻帶 (3 VIS;  NIR/SWIR)2016
    日本宇宙航空研究開發機構 (JAXA)GCOM-C; SGLI (第二代全球成像儀)19 頻帶; 近 UV 至 LWIR (380 納米-12 微米)計劃 2017

    表 1光學儀器使用的 EO 任務實例2 然而,從軌道進行觀察提出了一系列挑戰以及相關的解決方案:

    • 挑戰:透過大氣層(云/氣溶膠)觀察或在某些情況下只觀察這些大氣成分或現象
      • 解決方案:波長選擇性成像
    • 挑戰:觀察大背景場景中的小信號
      • 解決方案:大型、高度均勻的會聚光學
    • 挑戰:將盡可能多的測量能力封裝到盡可能小而輕的包中,以降低發射成本
      • 解決方案:緊湊型/多光譜成像
    • 挑戰: 確定從遠處觀察的現象的類型 (“什么”)和位置 (“何地”) (例如:近地軌道距離地球表面160-2000公里)
      • 解決方案: 高空間分辨率(“何地”)和光譜分辨率(“什么”)的組合
    • 挑戰:在發射條件下幸存并在地球保護大氣層外工作
      • 解決方案:穩固可靠的光學元件

    不同設計和格式的光學濾波片是基于光子的 EO 儀器中每個解決方案的關鍵貢獻者,充當 “儀器的眼睛”。

    波長選擇性成像

    是否使用帶通 (BPF)、陷波、或邊通的設計,由其自然光學濾波片為其使用儀器提供波長選擇性。在 EO 系統中,單選擇波長頻帶通常是必要的,以允許觀察代表特殊現象的獨特光譜特征。不同的大氣和環境成分有不同的波長,這些波長的反射、傳輸或吸收取決于它們的化學成分。下表顯示了 NASA Landsat 8 上的光波段以及它們與被測成分的關系。

    頻帶 #波長范圍 (nm)空間分辨率 (m)測量的組分
    1433-45330沿海(淺水)/氣溶膠(細塵/煙)
    2450-51530可見(藍色)
    3525-60030可見(綠色)
    4630-68030可見(紅色)
    5845-88530近紅外光譜-植被
    61556-166030地質學 – 地球、土壤和巖石
    72100-230030地質學 – 地球、土壤和巖石
    8500-68015PAN
    91360-139030

    表 2Landsat 8 光波段 [Ref NASA] 通過選擇有與相關波段相對應的帶通區域的光學濾波片,用戶可以有選擇地僅從被研究的成分或現象中觀察信號,從而在數據中獲得“更多無背景的信號”。

    大型、高度均勻的會聚光學

    如果有關成分的光譜帶非常狹窄或接近“背景”波段,或若與背景相比,其信號強度弱,那么可能需要大而窄的帶通濾波片 (NBPF) 提供增強的波長選擇性。從軌道中測量或繪制閃電就是在大視場上要求高波長選擇性的一個應用例子??赏ㄟ^觀察 777.4 納米處的一個窄的原子氧三重線來研究閃電。然而,由于不確定何時何地會發生雷擊,因此需要一個較大的探測器區域來維持這種非常窄的波長選擇性。這就需要一個非常均勻且窄的光學濾波片。益瑞電已證明其有能力生產出集中于在直徑大于 125mm 的工作光圈上的目標波長 20pm 范圍內的窄帶濾波片 (NBPF) 3。

    圖 1 展示高度均勻大型窄帶濾波片的 125mm 直徑上中心波長的空間變化

    具有這種精度和“視場”的儀器的優點必須與生產如此大型綜合的濾波片和與之結合使用的光學元件所增加的重量和成本進行權衡。

    緊湊型/多光譜成像

    為了將“科學線”的重量和成本降至最低,許多 EO 成像系統試圖通過使用一個探測器來查詢多個相關的光譜帶,從而將盡可能多的科學技術運用到一個儀器中。這種多光譜成像 (MSI) 推動了對濾波陣列的需求,在這些濾波陣列中,光譜性能在各個部分都有空間上的變化。

    圖 2有 10 個帶通濾波片的多光譜陣列(由 ABB 加拿大針對加拿大航天局航天技術發展項目,依據分包合同開發)

    通過使用這種結構的濾波片,探測器上不同的像素帶對不同的光譜帶以及由此產生的不同成分或有關現象都很敏感。制造多域/多光譜濾波片(MZF 或 MSF)陣列的制造可以通過兩種方法進行:一種是砧板構造,其中的不同濾波片被制造、單顆化并一起組裝成陣列;或者將單塊基片上的不同光譜波段圖案化(通過掩蓋方式)。砧板 MZF 陣列具有的優勢:通過避免化合鍍膜流出產生,簡化鍍膜工藝;濾波片制造商只在任何給定基片上給單波段鍍膜,這是應用于大多數“標準”光學濾波片制造的方法。當許多(>4 或 5)個相關波段有待研究或者單個濾波片波段的復雜性較高時,砧板陣列是一個不錯的選擇,它能促進濾波片鍍膜厚度提高、流出產生減少。圖案化 MZF 陣列提供這樣的可能:創造出光譜波段的幾乎任何尺寸或形狀(不像在砧板中,它們無需為帶條或矩形狀),同時極大地改進(2 倍或更多)尺寸過渡區。過渡區以下的像素對于分析來說沒有用,所以通過應用圖案化陣列來降低良好像素的損失是有利的。此外,在單塊基片上的涂層避免了與不同光譜帶之間的對齊公差相關的難題。  

    高空間分辨率和光譜分辨率

    可以通過降低相關波段關聯的濾波片帶寬,來增強“科學線”的鑒別率。在 MSI 應用中,該光譜分辨率改進的代價是空間分辨率的降低,因為它有效縮小了任一波段的信噪比(更少的總光)和孔徑尺寸(有效像素)。與之相反,如果使用跨越整個可見光光譜的寬波段全色(PAN)濾波片。那么這些像素處的總光的提高會改進空間分辨率。對于 Landsat 8, PAN 波段的空間分辨率是其他波段的兩倍(15m 對比 30m)(見表 2)。通過結合 PAN 和波長選擇帶,并通過“PAN銳化”,可用陣列精確地映射出特定信號的來源和信號代表的內容。

    穩固可靠的光學元件

    最終,如果具有高分辨率光學濾波片的系統無法在軌道使用中保存下來,那么擁有這樣的系統是沒有價值的。通過對沉積過程(濺射或強化蒸發)和材料的仔細控制,有經驗的制造商可以生產密度和附著力好的光學濾波片,以承受典型的地面溫度和濕度變化的要求,而不隨使用或隨時間而變化或降解。典型的可靠性規范包括:

    • 在經過 24 小時濕熱暴露(95 % 相對濕度; 49 °C)之后,表面質量中
      • 的光譜性能或降級無變化。
      • 從 -60 到 70 °C 的熱循環/沖擊測試
    • 附著力的膠帶和摩擦實驗

    一旦進入軌道,這些濾波片和濾波片陣列可能還需要承受極端的溫度(下降到 70 K)以及通常被我們大氣過濾掉的太陽和電子輻射。在這些環境中使用的濾波片和濾波片陣列可能需要額外的專門測試來驗證它們是否能在這個惡劣的環境中生存。  

    未來的挑戰

    由于發射成本持續下降,太空商業化正在迅速發展。美國宇航局、歐洲航天局和印度空間研究組織繼續規劃并發射具有地球觀測能力的衛星,我們越來越期望:地球觀測衛星系列為私人組織機構所擁有、運行,如 Planet、Urthecast、Satellogic 和 BlackSky Global,而不是政府空間機構。SpaceWorks 在 “2016 納米/微衛星市場預測” 中預測,從 2018-2020 年將有~1000 個納米/微衛星 (1-50kg) 發射,其中 70% 將是商業項目而非政府項目。這些項目的 70% 以上有望應用于地球觀測(地球觀測項目在過去五年中從不到 40% 起提高至今)。這種空間資本主義將提供比以往更多的信息,且這些數據將不僅僅用于歷史性國防和情報“老大哥”的目的。一旦超地球手機收集數據流得以開放,新的應用肯定會出現,并利用該信息更好地管理并控制地球活動與商業。光子學和光學濾波片將在許多新研發中發揮關鍵作用。  

    • [參考 John Gillespie Magee, Jr.]
    • [參考美國宇航局、歐洲航天局、印度空間研究組織、日本宇航探索局]
    • 大型帶通濾波片 – 對均勻性的挑戰(益瑞電)
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