天空之眼：讨论和理解用于地球观测的滤光片

自农业革命以来的10000多年里，人类逐渐寻求管理和改善当地和全球环境的新方法。在现代，由于与安全和安保、商业和科学相关的原因，人们越来越依赖控制和理解与人类互动和影响相关的环境的能力。

这包括希望更好地了解自然和人为或受影响的现象，如海洋温度/洋流、森林火灾、海冰、森林和森林砍伐、大气成分（云和气溶胶）、闪电、漏油、作物/地表覆盖物和反照率以及天气（风暴）。

提高管理或理解这些现象的能力对于维持一个健康的星球至关重要，该地球能够维持人类生命，作为其多样化生物质的一部分。然而，正确理解这些现象以及它们如何随时间变化需要测量。

预测

外部视图通常提供对环境的独特见解，因为从内部客观地观察系统可能非常困难。在 1960 年代，“滑过地球束缚”的能力1 的建立，这导致了政府资助的空间机构通过发射具有地球观测（EO）能力的卫星来利用从上方观察地球的能力的竞赛。

从1972年发射的美国宇航局第一台天基多光谱成像仪（MSI）Landsat-1，到最近于2017年发射的欧空局Sentinel-2B“欧洲在地球上的眼睛”，表1仅展示了政府航天机构迄今为止部署的各种光学EO仪器的几个例子。

在1970年代，发射成本为数万美元，但今天大幅减少到只有几千美元，主要是由于“乘车共享”发射结合了来自不同组织的数十颗卫星，这使得太空探索在商业上是可行的，在经济上是可行的。

结合向地面客户提供可操作（和可销售）EO信息的详细观测能力，EO“太空竞赛”已经开始，因为一些商业组织可以访问和获取整个电磁频谱的EO信息，如下面的信息图所示（由TerraWatch Space提供）。

然而，从轨道上进行观测有其自身的一系列挑战和解决方案：

· 挑战：观察大气条件（云/气溶胶），或者在某些情况下，只观察这些大气成分或现象。

o 解决方案：波长选择性成像

· 挑战：在大型背景场景中研究小信号。

o 解决方案：高度均匀、大集合的光学元件

· 挑战：将尽可能多的测量功能安装到尽可能轻巧和小巧的封装中，以降低发射成本。

o 解决方案：紧凑/多光谱成像

· 挑战：从远处确定观测到的现象类型（“什么”）和位置（“地点”）（例如，低地球轨道在地球表面上方160-2000公里）

o 解决方案：结合光谱（“什么”）和高空间（“位置”）分辨率

· 挑战：成功在发射条件下生存，并在地球保护大气层之外保持功能

o 解决方案：可靠而坚固的光学元件

各种设计和格式的光学滤光片的可用性是基于光子学的EO仪器中每个解决方案的主要贡献者，充当“仪器的眼睛”。

波长选择性成像

无论是使用带通 （BPF）、陷波还是边通设计，滤光片本质上都会对安装它们的仪器进行波长选择性。在EO系统中，通常需要单个选择波段来观察代表感兴趣独特现象的新光谱特征。

各种大气和环境成分具有一系列波长带，这些波段的透射、反射或吸收取决于其化学成分。表2说明了NASA的Landsat 8上的光学波段及其与被观测成分的关系。

欧空局的SENTINEL-2传感器波段（表3中显示的S2A波段）展示了与一些Landsat波段的一些共同要素，现在是航天局和商业可见光到近红外（VNIR）EO光谱波段的标准，用于评估农业，林业和土地/水地物中的陆地成分。

用户可以通过选择具有相对于目标波段的带通区域的滤光片，选择性地仅观察来自所研究成分或现象的信号，从而在其数据中实现“以更少的背景获得更多的信号”。

大型、高度均匀的收集光学元件

如果目标成分的光谱波段极窄或光谱接近“背景”波段，或者信号相对于背景的贡献很小，则可能需要提供增强波长选择性的大型窄带通滤波器（NBPF）。

其中一种应用是从轨道上测量或映射闪电，这需要在大视场上具有高波长选择性。闪电可以通过观察777.4nm处的窄原子氧三重态线来研究（参考MeteoSAT LI）。

然而，确切地知道雷电将在何时何地发生是具有挑战性的，因此需要一个非常大的探测器区域来保持这种非常窄的波长选择性。这就需要极其均匀、狭窄的滤光片。益瑞电已经展示了在直径>125 mm的工作通光孔径上生产这种以目标波长20 pm为中心的NBPF的能力。³

图1.CWL在125 mm直径上的空间变化显示出高度均匀的大NBPF。图片来源：益瑞电光谱技术

具有如此高精度和“视场”的仪器的好处必须与制造这种大型复杂滤光片和相关光学元件的重量和成本增加相抵消。

紧凑/多光谱成像

为了最大限度地降低每条“科学线”的重量和成本，一些EO成像系统试图通过使用单个探测器覆盖多个感兴趣的光谱波段，将尽可能多的科学纳入一台仪器中。这种多光谱成像（MSI）导致了对滤波器阵列的需求，其中光谱性能可以在整个部件的空间上变化。

2.10个BPF的多光谱阵列（根据ABB加拿大公司为加拿大航天局空间技术开发计划的分包合同开发）。图片来源：益瑞电光谱技术

通过使用具有这种多区域结构的滤光片，探测器上的各种像素波段将对各种光谱波段敏感，因此可以评估各种成分或感兴趣的现象。

多区域/多光谱滤波器（MZF或MSF）阵列的制造可以通过使用屠夫块结构来完成，其中制造，分离并固定成一个阵列的各种滤波器;或通过在单片基板上图案化（通过掩蔽）各种光谱带。通过将组装和图案组合在单个滤波器阵列上，混合方法也是可行的。

屠宰块 MZF 阵列通过避免复合涂层运行产量，提供了简化涂层工艺的优势;滤光片制造商只需要在任何给定的基板上涂覆单个带，这是大多数“传统”光学滤光片制造中使用的方法。

当要评估多个（>4或5）目标条带或单个滤波带的复杂性升高时，Butcher块阵列可能是一个很好的选择，这促使过滤器涂层厚度增加并降低运行成功率。

图案化的MZF阵列具有产生几乎任何形状或大小的光谱带（不仅是肉块中的条纹或矩形）的潜力，并在过渡区的大小方面有了相当大的改进（2倍或更多）。

使用图案化阵列限制良好像素的损失可能是有利的，因为过渡区下的像素通常不可用于分析。此外，在单片基板上涂覆可以规避与不同光谱带之间的对准公差相关的挑战。

高空间和光谱分辨率

通过限制与目标频段相关的滤波器带宽，可以加强对“科学线”的更大区分。在MSI应用中，光谱分辨率的这种增强意味着空间分辨率的损失，因为它缩小了任何单个波段的信噪比（减少总光）和孔径尺寸（可用像素）。

相比之下，如果使用覆盖整个可见光谱的宽带全色（PAN）滤光片，则这些像素处总光的增加可提供增强的空间分辨率。对于 Landsat 8，PAN 波段具有更高的空间分辨率（15 m 对 30 m），是其他光学频段的两倍（见表 2）。

通过“PAN锐化”将PAN和波长选择波段结合在一起，可以应用阵列来准确映射特定信号的来源以及信号所代表的内容。

坚固可靠的光学元件

如果系统在轨道上无法承受使用条件，那么运行带有高分辨率光学滤光片的系统就没有价值。

通过对沉积工艺（溅射或增强蒸发）和材料的严格控制，经验丰富的制造商可以创建具有出色密度和附着力的光学滤光片，以承受湿度和温度波动的典型地面要求，而不会随着使用或时间而改变或退化。

典型的可靠性规格包括：

· 在以下情况下，光谱性能没有变化或表面质量没有下降：

o 24 小时湿热暴露（95% 相对湿度;49 °C））

o -60 至 70 °C 的热循环/冲击测试

· 胶带和摩擦附着力测试

一旦这些滤波器和滤波器阵列进入轨道，它们可能还需要承受极端温度范围（低至70 K）以及地球大气通常过滤掉的太阳和电子辐射。部署在这些环境中的过滤器和滤波器阵列可能需要进一步的专门测试，以确认它们能够在苛刻的操作环境中生存。

未来的挑战

随着发射成本的不断下降，太空的商业化正在扩展到新的领域。虽然美国宇航局，欧空局和ISRO继续计划和发射具有EO能力的卫星，但预计广泛的EO卫星将越来越多地由Planet，EarthDaily Analytics，Satellogic，GHGSat等私人组织拥有和运营，以及许多其他非政府空间机构。

最近发表在EuroConsult的一份报告中，42011年至2020年间，商业卫星星座占所有EO卫星发射的65%，预计未来十年商用EO卫星的份额将增长到>75%，计划在2020年至2030年间发射的EO卫星超过2600颗。