法国高分辨率双子星PLEIADES简介及相关技术分析

许跞，李博，王惠，王瑞龙

（61512部队，北京 100088）

2011年12月16日和2012年12月1日，法国成功地发射了两颗0.5米高分辨率卫星PLEIADES 1A和1B。这两颗卫星运行在同一轨道高度，所有参数均相同，相位差180度，是一对真正的双子星。同时，法国今明两年发射的还有另外一对参数完全相同的双子星——2012年9月9日发射的SPOT 6和2013年6月将要发射的SPOT 7，分辨率为1.5米。未来，这四颗卫星将组成一个星群，重访能力达到2次/日（45°度角、赤道处），并在分辨率上形成阶梯互补的关系，极大地提高数据采集能力和对突发事件的应急能力。卫星发射计划及星群关系如图1、2所示。

图1 法国新一代高分辨率卫星发射计划

图2 法国新一代高分辨率卫星星群关系

1 卫星主要技术参数

法国和美国一直是世界地理空间成像卫星领域的两大竞争者。法国的SPOT 5在同类卫星产品中首屈一指，成为一颗经典卫星，而美国Digital Globle和GeoEye两大卫星公司旗下拥有的快鸟、Worldview系列，IKONOS、GeoEye系列，使之在世界高分辨率成像方面长期处于领先地位。随着PLEIADES的成功发射，法国也加入到了这个重要的市场。

表1将PLEIADES与SPOT 5和Worldview2卫星的主要技术参数进行对比，便于读者在了解PLEIADES卫星特点的同时，比较法国卫星的发展变化，以及两大卫星国家主要代表产品之间的差异。

表1 卫星参数对照表

2 重构超分辨图像技术的发展

卫星影像分辨率的提高是制造者和使用者不断追求的目标。从1999年美国发射世界上第一颗1米分辨率测绘卫星（IKONOS）开始，十几年来，在世界各国的竞争中，这个领域的卫星传感器的空间分辨率得到迅速提高。美国计划于2014年发射的Worldview3立体测绘卫星，可以获得0.31米超高分辨率影像，更将达到一个新的高度，而影像分辨率的提高不仅仅依赖于光学系统制造工艺的提高，还可以利用软件方法辅助实现。

2.1 影响光学系统遥感器空间分辨率的主要因素

传感器的空间分辨率通常用地面像元分辨率（GSD）来定量表示，即接收器上的一个像元对应的地面尺寸大小：

GSD=a·H/f

a是成像器件的像元尺寸，H是轨道高度，f是传感器光学系统的焦距。

根据公式分析，可以从减小成像器件像元尺寸、降低遥感器轨道高度和增长光学系统焦距三个方面提高传感器的空间分辨率。减小成像器件像元尺寸受当前制造工艺水平的限制，并且随着像元尺寸的减小需要增大光学系统的相对孔径，这不利于减轻系统的重量。降低遥感器轨道高度会缩短卫星的寿命，而且在视场角一定的情况下，轨道的降低会缩小传感器对地面的覆盖范围，不利于实时监视和缩短重复观测周期。增长光学系统焦距在轨道高度一定的情况下，增长光学系统焦距可以提高传感器空间分辨率。在保持分辨率水平的前提下，焦距的增长可以使传感器工作在更高的轨道高度，从而增大地面覆盖范围。但是，焦距的增长会使系统口径的增大，造成加工、装配和发射的难度，增加成本。

2.2 提高传感器空间分辨率的主要技术

目前，国际上实现空间分辨率的提高主要有光学稀疏孔径系统成像技术与重构超分辨图像技术。

①光学稀疏孔径成像技术是为了解决增大光学系统口径所面临的困难提出的新概念，其原理是将多个小口径的光学元件或光学系统精确的排列，通过相位匹配和光路调整，实现干涉成像，达到与其通光口径相当的大口径系统的衍射极限的分辨率，从而避免制作大口径高精度光学元件的困难，在提高系统空间分辨率的同时，有效减轻系统重量，实现系统的轻量化。

②重构超分辨图像技术，是通过提高采样式成像系统探测器的时间和空间采样频率，达到提高空间分辨率的目的。根据采样定理，现有遥感系统还不能达到从采样信号中不失真地还原被采样的模拟信号，也就是说，在不改变探测器像元尺寸或光学系统质量的条件下，成像系统所能获取的空间频率的潜能还未得到充分利用。因此，可以采用重构图像分辨率的技术，以仪器研制的最低代价提高探测器的空间分辨率，实现遥感卫星高分辨率和小型化，具有很高的实用价值。该方法包括亚像元成像技术、斜模式采样技术、水平减速采样技术和细分采样叠加技术等，其中亚像元成像技术得到普遍推广，典型应用是SPOT5 HRG相机、德国宇航中心研制的红外遥感器HSRS（Hot Recoginition Sensors）和徕卡公司研制的ADS40数字航空相机的SPIRIT Ш传感器。

③SPOT 5的重构图像分辨率方法，SPOT 5提出了超模式和高模式采样两个概念。这两种概念的探测器排列方式是相同的，即焦平面上两排CCD在探测器线阵方向上错开0.5个像元，在卫星飞行方向上错开3.5个像元。两者的唯一区别是，在超模式采样方式中，探测器在推扫方向上的时间采样频率不变，而高模式采样方式中，采样频率提高一倍。高模式采样方式得到的图像数据量是普通推扫式传输型遥感相机的4倍，合成的图像理论空间分辨率提高1倍，超模式图像数据量是普通推扫式传输型遥感相机的2倍，合成的图像理论空间分辨率在两个方向上均提高到原来的倍。高模式采样将产生冗余数据、信噪比为常规采样方式的一半，数据传输和存储要求更高。综合各种因素，超模式得到了更广泛的应用。

SPOT 5初始模式的影像分辨率为5米，重构后的影像分辨率为2.5米，下图是其影像重构的方法：

图3 SPOT 5采用的超模式

④Pleiades的重构图像分辨率方法，从Pleiades卫星的官方资料显示，其全色影像初始模式的星下点分辨率为0.7米，重构后影像分辨率为0.5米，多光谱影像则由2.8米采样为2米。与SPOT 5不同，它所采用的是类似45度斜模式采样法。

斜模式采样是将单线阵倾斜一个角度进行采样，从而提高两个方向上的采样密度，达到提高空间分辨率的目的。相对于超模式和高模式采样技术，斜模式采样方法仅用一排线阵列探测器采用软硬件结合的方法就可实现遥感图像空间分辨率的提高，光学传感器上需要改动的硬件很少，工程上更加简单，非常经济。

下图说明了Pleiades影像重构的方法。

图4 Pleiades采用的重构模式

3 结束语

与Pleiades的很多技术相比，我国的研究还处于起步阶段。深入了解该卫星，在使用的过程中研究和跟踪其技术发展，将对我国卫星遥感技术的发展有重要的借鉴作用。