On the calibration and optical performance of a Hyperspectral Imager for drones and small satellites

Abstract

English summary Hyperspectral Imagers (HSIs) are currently being developed for a range of applications. Among these are various forms of Earth observation from airborne platforms such as drones and small satellites. In this thesis, algal blooms, and especially observation of Harmful Algal Blooms (HABs), is the scientific use case in question. The Hyperspectral Small Satellite for Ocean Observation (HYPSO) mission aims to assist oceanographic observations, including observation of algal blooms, with the use of hyperspectral instruments. Since the quality of the collected data affects its usefulness, the instrument calibration and optical performance, as well as understanding the limitations of the instrument, is of high importance. This thesis, therefore, focuses on the calibration and optical performance of HSIs, such as the ones developed for the HYPSO mission, both in terms of the methods used and their results. First, a prototype based on a pushbroom, grating-based design in the 400 nm to 800 nm range with a 5 nm spectral resolution was developed. It was thoroughly investigated in the lab by measuring characteristics such as the Full-Width at Half-Maximum (FWHM), the spatial Point Spread Function (PSF), and smile and keystone distortions. The results showed that a spectral resolution of 5 nm was achieved, but that the spatial focus was highly dependent on wavelength, which leads to poorer spatial resolution for the shorter and longer wavelengths. The prototype was also used in experiments to improve the wavelength calibration technique with spectral lamps, and to develop and investigate correction schemes for second order diffraction effects. The HYPSO-1 and HYPSO-2 HSIs were then developed, built, tested, and calibrated. Thermal vacuum tests revealed that spectral characteristics varies slightly with temperature due to expansion of the slit tube component which affects the instrument focus. Besides that, pre-launch calibration showed that all main requirements were fulfilled. HYPSO-1 launched in January 2022, while HYPSO-2 is scheduled for launch in 2024. Investigations of the HYPSO-1 in-orbit data was further performed, showing that the instrument works as expected. The radiometric calibration coeffcients have been updated due to a small spatial shift that occurred during launch. Additional in-orbit calibration and final validation of the data is still ongoing. Finally, examples of algal bloom detection by HYPSO-1 and algae spectral signatures with the prototype attached to a microscope are shown, confirming that the instruments work in a real-life setting.

Norsk sammendrag Hyperspektrale kameraer utvikles for bruk i flere fagfelt, som blant annet jordobservasjon fra droner og småsatellitter. I denne avhandlingen er algeoppblomstring, med særlig fokus på observasjon av farlige algeoppblomstringer, i søkelyset på forskningssiden. Satellittprosjektet Hyperspectral Small Satellite for Ocean Observation (HYPSO) har som mål å bistå med havobservasjon ved hjelp av hyperspektrale kameraer. Kvaliteten på de innsamlede dataene er viktig da den direkte påvirker dataenes nytteverdi. Kalibreringen av instrumentet, samt forståelse av instrumentets begrensninger, er derfor svært viktig for å kunne sikre gode dataprodukter. Denne avhandlingen fokuserer derfor på prestasjonen til de hyperspektrale kameraene utviklet for bruk i HYPSO-prosjektet ved ulike optiske tester, både ved å se på metodene som blir brukt og resultatene de gir, samt metoder for å forbedre instrumentet både under utvikling og i dataprosesseringen som følger. Først ble en prototype, basert på et pushbroom gitter-basert design i det spektrale området fra 400 nm til 800 nm med en spektral oppløsning på 5 nm, utviklet. Den ble grundig karakterisert på lab ved å måle full bredde ved halv maksimum, den romlige punktspredefunksjonen og forvrengninger fra smile og keystone. Resultatene viste at den spektrale oppløsningen på 5 nm var oppnådd, men at det romlige fokuset varierte med bølgelengde. Dette medfører at den romlige oppløsningen ved kortere og lengre bølgelengder i det spektrale området forverres. Prototypen ble også brukt i eksperimenter for å forbedre metoden for bølgelengdekalibrering med spektrale lamper, og til å utforske korreksjon av andre ordens diffraksjonseffekter. Videre ble hyperspektrale kameraer for HYPSO-1 og HYPSO-2 utviklet, bygget, testet og kalibrert. Miljøtesting i et termisk vakuumkammer viste at den spektrale responsen varier svakt med temperatur fordi spalterøret utvider seg ved varmere temperaturer, noe som gjør at fokuset til instrumentet endres. Utenom det viste lab-kalibreringen at alle hovedkravene til instrumentene var oppnådd. HYPSO-1 ble skutt opp i januar 2022, mens HYPSO-2 har planlagt oppskytning i 2024. Dataene fra HYPSO-1 i bane har blitt analysert og viser at instrumentet fungerer som det skal. De radiometriske kalibreringskoeffsientene har blitt oppdatert da det ble oppdaget et lite romlig skift som følge av oppskytningen. Videre kalibrering og validering av instrumentet i bane pågår fremdeles. Til slutt vises eksempler på deteksjon av algeoppblomstring med HYPSO-1, i tillegg til spektrale signaturer av ulike alger med prototypen festet til et mikroskop, for å vise at instrumentene fungerer med data fra den virkelige verden.