現(xiàn)代航天光學成像遙感器的應(yīng)用與發(fā)展

胡 君,王 棟,孫天宇

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展,各國充分利用太空對地、對天觀測沒有國界的條件,發(fā)展航天光學成像遙感器。航天光學成像遙感器是利用記錄圖像信息的成像傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)目標探測的,按儀器類型通常可分為 3類,成像相機、光譜儀和輻射計。成像相機包括畫幅相機 (在曝光時間內(nèi)把膠片或面陣 CCD沿著軌道方向按像移速度移動,使像和探測器相對靜止)、成像全景相機(相機的瞬時視場平行于飛行方向的一條像面前的狹縫,相機沿垂直于航線方向擺動,掃描沿穿軌方向的地物,形成很寬的地面覆蓋區(qū))、推掃成像相機 (鏡頭直接對地,在鏡頭的像面上放置線陣CCD或 TD ICCD探測器,線陣的方向垂直于飛行方向);光譜儀包括濾光片分光儀、光柵光譜儀、干涉光譜儀、成像光譜儀,是成像相機和光譜儀相機結(jié)合的遙感儀器;輻射計是用于探測各種空間輻射源輻射功率的光電探測器,常見輻射計多用絕對黑體構(gòu)成,通過測量全光譜波段的光波能量,檢測太陽輻射照度。航天光學成像遙感器的地面分辨率依據(jù)不同相機種類和在軌高度而不盡相同,目前相機對地分辨率為 0.1～5 m,從發(fā)展趨勢看,不同譜段、不同軌道高度的光學成像遙感器分辨率還在逐年大幅度提高。

光學成像遙感器作為飛行器上對目標遙感觀測和探測的重要載荷,通常搭載在航天飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船和空間站等太空飛行器上,在軌高度為 150～1 600 000 km,常用的有:(a)地球同步軌道衛(wèi)星,這種軌道的傾角為零,在地球赤道上空35 786 km,即衛(wèi)星在地球赤道上空以圓形軌道繞地球與地球自轉(zhuǎn)同速旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)對地球表面一個區(qū)域的連續(xù)監(jiān)測;(b)極軌軌道衛(wèi)星,此類衛(wèi)星繞地球或其它天體衛(wèi)星的南北極飛行,極地軌道是傾角為 90°的軌道,在這條軌道上運行的衛(wèi)星每圈都要經(jīng)過地球兩極上空,可以俯視整個地球表面,主要用于氣象和資源觀測,借用地球自轉(zhuǎn)的特點,對全球感興趣的目標進行各種波段的探測;(c)太陽同步軌道衛(wèi)星,這種飛行器的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向,其軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同,旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度,軌道傾角接近 90°,因為衛(wèi)星要在兩極附近通過,又稱之為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。這種軌道能保持太陽與軌道構(gòu)成的角度一定,能有效地使用太陽能電池帆板。

由于航天光學成像遙感器應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用目的不同,所需的搭載飛行平臺也不同,而不同的搭載平臺環(huán)境差別很大,對航天光學成像遙感器的性能、功能和壽命的影響也很大。在空間飛行的飛行器又稱為航天器,包括衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站和航天飛機。其中:(a)衛(wèi)星是指圍繞一顆行星軌道并按閉合軌道做周期性運行的天然天體,人造衛(wèi)星是發(fā)射到太空中,搭載航天光學成像遙感器像天然衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其它行星運行的太空飛行載具,如火箭、航天飛機等。(b)宇宙飛船是一種運送航天員、貨物到達太空,并安全返回的一次性使用的航天器,它能基本保證航天員在太空短期生活,并進行一定的工作,航天光學成像遙感器通常搭載在留軌倉內(nèi)。(c)空間站又稱航天站、太空站、軌道站,是一種在近地軌道長時間運行,可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器。(d)航天飛機 (又稱為太空梭或太空穿梭機)是可重復(fù)使用的、往返于太空和地面之間的航天器;結(jié)合了飛機與航天器的性質(zhì),它既能代表運載火箭把人造衛(wèi)星等航天器送入太空,又能像載人飛船那樣在軌道上運行,還能像飛機那樣在大氣層中滑翔著陸。

近幾年來,光學成像遙感器的應(yīng)用能力、應(yīng)用水平與飛行器的設(shè)計非常密切,如空間站的結(jié)構(gòu)特點是體積比較大,在軌道飛行時間較長,有多種功能,能開展的太空科研項目多而廣?？臻g站的基本組成是以載人密封生活艙為主體,輔以工作實驗艙、科學儀器艙等。當空間站發(fā)生故障時可以在太空中維修、換件,延長航天器的壽命。因為空間站能長期 (數(shù)十年)飛行,可保證太空科研工作的連續(xù)性和深入性,對提高科研質(zhì)量和延長光學成像遙感器的工作壽命有重要作用。

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展,現(xiàn)代的光學成像遙感器從單一功能、單一波 (光譜)段和單一種類發(fā)展為較小型光學成像遙感器,又演變成為星載一體化的小型光學成像遙感器;較大型光學成像遙感器則發(fā)展為多光譜、多種類、全光譜譜段的對天、地大型光學成像遙感器,通常搭載在空間站、宇宙飛船等大型飛行器上。目前這兩類光學成像遙感器已經(jīng)成為現(xiàn)代光學成像遙感器的主流和發(fā)展趨勢。性能上逐步向大口徑、寬覆蓋、高分辨率、智能化和自動識別等方向發(fā)展,功能上則逐步走向多功能、多種類和多譜段的發(fā)展方向。由于科學技術(shù)的高速發(fā)展和實現(xiàn)手段的不斷更新,光學成像遙感器發(fā)展速度非?？?應(yīng)用前景非常廣,已經(jīng)成為各國高科技發(fā)展的主流和主要方向。

2 光學成像遙感器的應(yīng)用

2.1 對地觀測成像

(1)軍事偵察

航天光學遙感器起源于軍事應(yīng)用,偵察相機的研制水平代表了航天光學遙感載荷的最高水平。1960年,美國的鎖眼 1(KH-1)普查型偵察衛(wèi)星成功發(fā)射,標志著這一技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的開始,開創(chuàng)了航天光學遙感事業(yè)。在偵察相機領(lǐng)域,美國的技術(shù)水平最好,此外俄羅斯、法國、以色列也具有相當?shù)乃?我國通過積極投入也已經(jīng)大大縮短了與國際先進水平的差距。

美國偵察相機從 KH-1發(fā)展到了 KH-12,目前在軌服役偵察相機主要是搭載于 KH-12偵察衛(wèi)星上的相機。KH-12衛(wèi)星 (見圖1)直徑為3.8 m,長為 15 m,重約 10 t(燃料約為 5～7 t),單星造價約 10億美元,從 1992年起累計發(fā)射 5顆。KH-12偵察相機的可見光分辨率為 0.1～0.15 m,紅外分辨率為 0.6～1 m。1 d可飛越目標區(qū)域 2次,具有側(cè)擺成像功能,能對飛行軌跡東西兩側(cè)區(qū)域成像[1]。另外其多顆衛(wèi)星處于互補的軌道上,地面重復(fù)周期為 4 d。由于衛(wèi)星是成對運行,可運行在晝夜軌道平面、晨昏軌道平面和這兩者之間的 57°傾角軌道,所以實際的重復(fù)周期為 2 d[2]。利用多個軌道平面的衛(wèi)星互相配合,不但可實現(xiàn)立體成像,還能在給定的天數(shù)內(nèi)擴大偵察目標的數(shù)目,并可利用互補性,在某一目標遇到直射光反射時保證目標的成像質(zhì)量。

圖1 美國 KH-12型鎖眼偵察衛(wèi)星Fig.1 KH-12 reconnaissance satellite model from U.S.

在 KH-12基礎(chǔ)上,美國陸續(xù)提出了下一代成像偵察系統(tǒng) KH-13。KH-13又稱為 8X衛(wèi)星,質(zhì)量為 20 t,分辨率為 0.1～0.15 m,幅寬為 50 km,是KH-12視場寬度的 8倍,同時攜帶光學偵察設(shè)備和合成孔徑雷達,在保證成像分辨率的同時提高了地面的覆蓋寬度[3]。

(2)立體測繪

測繪相機主要是為繪制地圖服務(wù)的,通常是由一臺或多臺 CCD相機組成。測繪對衛(wèi)星的幾何特性要求高,對輻射特性要求低。衛(wèi)星的幾何特性主要表現(xiàn)為地面分辨率和地面定位。地面分辨率主要決定于相機,地面定位精度則取決于軌道控制與測定、姿態(tài)精度與穩(wěn)定度以及相機的觀測模式等[4]。

測繪相機按照相機組合方式及攝影測量原理不同,可分為 3類立體測量相機[5]。

第 1類為單線陣相機工作模式。其典型代表為法國 SPOT1-4系列星上的相機,它是通過相鄰接軌道傾斜觀測形成重疊立體對來實現(xiàn)立體測繪制圖取得三維數(shù)據(jù)的。德國和以色列小衛(wèi)星的線陣式推掃式相機則以沿飛行方向的前后擺動來形成重疊立體對,在兩個重疊圖像的形成周期上優(yōu)于前者。另外,高分辨率遙感衛(wèi)星,例如美國的Ikonos,Quickbird和 OrbView衛(wèi)星,以色列的EROS-B衛(wèi)星以及韓國的 Kompsat衛(wèi)星等,均采用單線陣相機做前、后或左、右搖擺來獲取立體影像。

第 2類為星載雙線陣測量相機工作模式。它由兩個具有一定交會角的線陣式相機組成,其優(yōu)點是獲取立體對時不需要衛(wèi)星指向擺動。如SPOT-5衛(wèi)星,提高了立體影像獲取效率,可沿軌道實時獲取立體影像,地面分辨率為 5 m,地面覆蓋寬度達到 120 km,其測量的相對平面精度為10～15 m,高程精度為 10 m。

第 3類為星載三線陣相機,其構(gòu)成與前 2類不同,它具有從攝取的圖像出發(fā)重構(gòu)外方位元素的特點[6]。代表性有效載荷或衛(wèi)星主要包括:德國在航天飛機、空間站和火星探測中采用的MOMS系列三線陣測繪相機。1993年,德國發(fā)射的MOMS-2衛(wèi)星搭載三線陣 CCD相機,從理論上解決了攝站外方位元素的重構(gòu)問題,大大提高了線陣掃描攝影測量的精度。日本為繪制 1∶25 000比例尺地圖,研制并發(fā)射了先進陸地觀測衛(wèi)星(ALOS),該衛(wèi)星配備了目前世界上公開報道的最先進的三線陣 CCD立體測繪相機 (PR IS M),可以實現(xiàn)全球無控制測圖。

(3)資源探測

國外的資源探測主要采用各種高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星完成。1999年 9月 24日成功發(fā)射的Ikonos-2衛(wèi)星,是第 1顆 1 m分辨率的民用對地成像衛(wèi)星。Ikonos-2的整星重量只有 817 kg,而星下點的全色分辨率為 0.82 m,成像幅寬為 11 km,俯仰、側(cè)擺姿態(tài)機動幅度為 ±50°,最大回轉(zhuǎn)速度為 4(°)/s,重訪周期 ＜3 d。Ikonos-2特有的軸對稱、剛性化結(jié)構(gòu)設(shè)計,較好地支持了整星機動、敏捷的成像能力,支持立體成像,借助姿態(tài)機動能力,采用單顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)短至 1 d的重返周期。

Pleiades-1是歐洲第 1顆 1 m分辨率的商用光學遙感衛(wèi)星,整星結(jié)構(gòu)采用了與 Ikonos類似的剛性化結(jié)構(gòu),但在設(shè)計中引入了更多的最新技術(shù),如采用“光纖陀螺 +星敏感器”的控制系統(tǒng)方案,使控制力矩陀螺支持達到更加快捷的姿態(tài)機動能力;采用 DOR IS接收機,提供較高精度的定軌與測姿數(shù)據(jù)。Pleiades-1作為與 Ikonos-2同一級別的衛(wèi)星,其全色分辨率達到了 0.7 m,成像幅寬達到 20 km;整星能以 ±40°傾角前、后視成像,具有三維立體成像的能力,重訪周期 ＜1 d;利用地面控制點,能夠獲得 1 m的定位精度。表1列舉了目前國外著名的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的部分性能[7]。

表1 國外著名的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的性能指標Tab.1 Specifica ions of overseas high resolution commercial satellites

中國第一顆資源衛(wèi)星—中巴資源 1號衛(wèi)星于1999年發(fā)射,2000年～2004年間陸續(xù)發(fā)射了資源 2號 01～03星,這些衛(wèi)星已廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋、環(huán)保、國土資源、城市規(guī)劃及災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。到 2007年 7月,資源 1號的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了 100多萬景,相當于覆蓋了中國全部領(lǐng)土 100多遍,根據(jù)這些數(shù)據(jù)編制了 1∶500 000西南天山地區(qū)遙感地質(zhì)圖和遙感找礦預(yù)測圖,在西南天山地區(qū)預(yù)測了 4處金、銅礦的找礦靶區(qū),并在吉根找礦區(qū)內(nèi)找到了 5條金、銅礦化體。另外還編制了 1∶250 000塔里木河流域淺層地下水分布遙感解譯圖和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感解譯圖[8,9]。

(4)預(yù)警相機

預(yù)警相機主要有紅外和紫外預(yù)警兩大類。紅外預(yù)警的特點是[10]:采用被動工作方式,即只通過接受目標發(fā)出的紅外輻射來探測和跟蹤目標,抗電子干擾能力強,作用距離遠,可在地球同步軌道上有效探測地球表面的導(dǎo)彈和火箭發(fā)射活動;工作于超真空、深低溫環(huán)境的系統(tǒng),溫度靈敏性比其他紅外系統(tǒng)更高。以美國兩顆太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng) (STSS)衛(wèi)星為例,這兩顆衛(wèi)星運行在地球上空1 350 km的近地軌道,用以跟蹤和監(jiān)視全球發(fā)射的導(dǎo)彈,能夠及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射活動,然后在飛行的助推階段、中段和末段跟蹤導(dǎo)彈及其彈頭[11]。

同紅外預(yù)警相比,紫外預(yù)警具有虛警率低、不需低溫冷卻、不掃描、預(yù)警器體積小且重量輕等特點。紫外型導(dǎo)彈臨近預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)歷了概略式和成像式兩代革新,成像式系統(tǒng)在國外已占據(jù)主導(dǎo)。20世紀 80年代末,美國推出世界上第一臺紫外型導(dǎo)彈臨近預(yù)警系統(tǒng) AAR-47后,德國、法國、俄羅斯、以色列和南非等國也紛紛投入到這一研究領(lǐng)域。至今國外已推出了 10多種型號,其中美國的AAR-54系統(tǒng)由凝視型、大視場、高分辨率的紫外探測器和先進的航空電子電路構(gòu)成,具有水平360°、俯仰 70°的視場范圍 ,角分辨率為 1°,目標截獲時間約為 2 s[12]。

(5)氣象探測

氣象衛(wèi)星通過多通道高分辨率掃描輻射計、紅外光譜儀和微波輻射計等觀測地球,獲取氣象資料,遙感和監(jiān)測地球環(huán)境,其可分為極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星兩種,可不受地理條件、自然環(huán)境及國家區(qū)域行政疆界的限制,實現(xiàn)快速、長期、連續(xù)、全球、全天候、全天時和多方位的觀測[13,14]。

國際上氣象探測衛(wèi)星以美國、歐洲、俄羅斯為代表,如美國的國家極軌環(huán)境探測衛(wèi)星系列(NPOESS)、地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列(GOES);歐洲的 Meteosat氣象衛(wèi)星、Metop氣象衛(wèi)星、Envisat環(huán)境衛(wèi)星;俄羅斯的流星 (Meteor)極軌氣象衛(wèi)星系列、電子-L(Elektron-L)靜止軌道氣象衛(wèi)星等。

還有一些專項的大氣探測應(yīng)用衛(wèi)星[15],如NASA的高層大氣研究衛(wèi)星 (UARS)是第一顆專門用于研究大氣平流層的衛(wèi)星,它提供了關(guān)于上層大氣能量輸入、風及化學組成的完整觀測數(shù)據(jù),使人類對高層大氣的能量、化學過程及動力學過程有了深入了解。1997年,NASA發(fā)射的“熱帶雨量監(jiān)測”(TRMM)衛(wèi)星,主要用于熱帶地區(qū)降雨量的測量。

從 20世紀 70年代起,中國開始研制氣象衛(wèi)星。1988年 9月 7日成功發(fā)射了中國第一顆極軌氣象衛(wèi)星風云 1號 A星,它采用三軸穩(wěn)定方式,是中國第一顆傳輸型遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星裝有2臺 5通道可見光和紅外掃描輻射儀,掃描寬度達 3 000 km。在太空獲得了高質(zhì)量云圖照片,捕捉到鋒面云系、冷渦云系、溫帶氣旋、暴雨云團、赤道輻射帶、熱帶云圖和臺風等天氣系統(tǒng)的圖像。2008年 5月,中國第二代首顆極軌氣象衛(wèi)星風云3號 A星上天,攜帶了 8類 11臺共計 90多種探測通道的探測儀器,測試譜段從紫外線、可見光、紅外線一直到微波頻段,在功能和技術(shù)上比第一代極軌氣象衛(wèi)星風云 1號向前跨進了一大步。

2.2 天文遙感成像

(1)太空望遠鏡

太空望遠鏡由于運行于地球大氣層之上,可以獲得地基望遠鏡所無法比擬的優(yōu)勢—成像不受大氣湍流的擾動影響,視相度絕佳,無大氣散射造成的背景光,因此為高分辨率地觀測其他行星、恒星打開了一扇新的窗口。

太空望遠鏡中首屈一指的當屬 Hubble望遠鏡。1990年,NASA和 ESA合作通過航天飛機將Hubble望遠鏡送入距地面 569 km的軌道,在近20年的服役過程中拍攝回了大量珍貴的照片,同時也為其它天基觀測設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。Hubble望遠鏡采用模塊化設(shè)計,裝備了相機、光譜儀和精密制導(dǎo)傳感器等多種設(shè)備,并且實現(xiàn)了多次的在軌更新維護。其鏡片表面鍍純鋁 (厚0.076μm)和鎂氟化物 (厚 0.025μm),可以有效地反射可見光、紅外光、紫外光,使得觀測譜段從紫外波段一直延伸到紅外波段。

詹姆斯-韋布空間望遠鏡 (JWST)作為 Hubble太空望遠鏡的后續(xù)機,計劃于 2014年發(fā)射,是位于拉格朗日第二點的紅外線空間望遠鏡,距離地球背向太陽 1.5×109m處的空間。JWST采用主鏡輕量化設(shè)計,主反射鏡由鈹制成,口徑達到6.5 m,面積為 Hubble太空望遠鏡的 5倍以上,而質(zhì)量為 6.2 t,約為 Hubble空間望遠鏡的二分之一。其光譜譜段以紅外為主,波長 600～5 000 nm,裝備了 3個光學探測載荷:中紅外攝像機和光譜儀M I R I、近紅外攝相機 N IRCam、以及近紅外光譜儀 N I RSpec。JWST另外一個關(guān)鍵技術(shù)是空間可展開技術(shù),因為它的主鏡的直徑比發(fā)射它用的火箭更大,為便于發(fā)射,主鏡被分割成18塊六角形的鏡片,發(fā)射時折疊放置,發(fā)射后在高精度的微型電機和波前傳感器的控制下展開。

表2列出了目前在軌運行和即將發(fā)射的太空望遠鏡的基本參數(shù)。

表2 在軌和即將發(fā)射的太空望遠鏡參數(shù)Tab.2 Specifica ions of pace telescopes on orbits and launching

(2)外太空探測相機

根據(jù) 2000年發(fā)布的《中國的航天》白皮書中的定義,國內(nèi)目前將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測。

從 1958年 8月 17日美國發(fā)射第一個月球探測器先驅(qū)者 0號開始,人類邁向太陽系的深空探測活動已有近 50年的歷史了。據(jù)統(tǒng)計,人類已發(fā)射過的向月球以遠的太陽系天體開展的深空探測活動超過 200次。在深空探測任務(wù)中,以探測月球為主任務(wù)的次數(shù)最多,超過探測任務(wù)的一半,其次是金星和火星[16]。

已發(fā)射的國內(nèi)外的繞月探測衛(wèi)星[17],如美國于 1994年發(fā)射了 Clementine繞月探測衛(wèi)星,它的相機地元分辨率為 108 m,獲得了極區(qū)圖像。歐洲于 2003年 9月發(fā)射 Smart-I探月衛(wèi)星。日本于2007年 7月 15日發(fā)射“月亮女神”探月衛(wèi)星(KaGuYa)[18],搭載了 14種科學設(shè)備,包括地形攝像機、X射線熒光光譜儀,月球磁強計、光譜廓線儀、多波段成像儀、高清晰電視攝像機、激光測高儀、月球雷達探測器等;目前“月亮女神”已經(jīng)拍攝到高清晰的“地出地落”照片,并將有關(guān)數(shù)據(jù)制作成了月球立體動畫,用雷達聲納成功地對月球?qū)舆M行了探測。印度于 2008年 10月 22日發(fā)射了“月球一號”探月衛(wèi)星,其主要目標在可見光、近紅外、低能 X射線和高能 X射線范圍內(nèi)對月球進行高分辨率遙感觀測,制作了分辨率為5～10 m的高清晰三維月球表面地形圖。中國于2007年 10月 24日發(fā)射嫦娥一號衛(wèi)星,搭載探測載荷包括 CCD立體相機、激光高度計、成像光譜儀、X/γ譜儀、高能粒子探測器、太陽風粒子探測器、微波雷達等。

3 光學成像遙感器的發(fā)展

3.1 高性能的光學遙感器

航天偵察相機的主要性能指標是相機的地面像元分辨率、地面攝像的覆蓋寬度和光學系統(tǒng)的質(zhì)量,即光學調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)的質(zhì)量。在不影響飛行器在軌高度的情況下,提高地面像元分辨率、增大地面攝像的覆蓋寬度和提高MTF的質(zhì)量,是目前及未來研究的主要課題和航天光學遙感器研究的發(fā)展方向。

(1)地面像元分辨率

現(xiàn)代高分辨率地球成像商業(yè)衛(wèi)星,如美國的Digital Globe公司和 GeoEye公司研發(fā)的相機拍攝的地球表面圖像的地面分辨率均優(yōu)于 1 m,最高達到了 0.41 m,目前正在研發(fā) 0.25 m地面分辨率的地球成像商業(yè)衛(wèi)星。而美國 KH-12偵察相機的可見光分辨率更是高達 0.1～0.15 m,紅外分辨率達 0.6～1 m的水平。當今世界,科技發(fā)展日新月異,平均 3～5年就更新一代衛(wèi)星,每一顆新一代衛(wèi)星就比前一代衛(wèi)星在技術(shù)性能指標上有明顯的提高并有較好的繼承性。

空間航天相機分辨力用地面攝像像元分辨率表達,如當?shù)孛娣直媛蕿?1 m時,航天 CCD相機一個像元尺寸對應(yīng)地面寬度應(yīng)為 1 m,通常要分辨黑白等間隔的 1 p1,需要兩個像元分別對應(yīng)一黑一白線,即航天 CCD相機地面像元分辨率相當于膠片相機地面照相分辨力的二分之一。航天CCD相機達到規(guī)定的地面像元分辨力,要求航天CCD相機地面采樣間隔距離滿足規(guī)定值要求。地面采樣距離G與軌道高度、CCD像元尺寸和相機焦距見下式[21,22]:

式中H為軌道高度,f為相機焦距,a為 CCD相機的像元尺寸。由式 (1)可知,軌道高度越低并且 CCD像元越小,尺寸越小,地面采樣距離越小。當軌道高度H和 CCD像元尺寸a確定后,焦距f越長,相機瞬時視場越小,地面采樣距離越小,分辨力越高。除此以外,地面采樣距離G的大小和好壞,還涉及到 CCD相機 MTF、信噪比 (SNR)和相機的結(jié)構(gòu)等。綜上所述,高性能的光學遙感器與這 3個參數(shù) (H,a,f)直接相關(guān),這 3個參數(shù)與CCD性能、相機光學系統(tǒng)、電子學控制、機械結(jié)構(gòu)和飛行器的姿態(tài)等相關(guān)。當然,地面分辨率代表了航天光學遙感器的總體性能,如何提高這 3個參數(shù)的性能指標,是提高航天光學遙感器的總體性能的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)地面覆蓋面寬

航天相機地面覆蓋寬度越寬,地面采樣間距越小,相機成像所得到的信息量越大,地面覆蓋面的指標越好。美國 KH-13又稱為 8X衛(wèi)星,分辨率為 0.1～0.15 m,但幅寬達到 50 km,是 KH-12視場寬度的 8倍。在無反射鏡偏擺掃描的航天相機中,航天相機 CCD相機地面覆蓋寬度等于 CCD拼接后總的長度對應(yīng)的地面覆蓋寬度,CCD拼接后總的長度與地面覆蓋寬度的比例關(guān)系與H有直接的關(guān)系。H越高地面覆蓋寬度越寬,依據(jù)式(1),H越高越易損失航天相機地面分辨力。顯然,根據(jù)應(yīng)用目標和任務(wù)需要,在設(shè)計航天光學遙感器的過程中,需要解決好 CCD相機地面覆蓋寬度與較高的地面分辨率之間的矛盾,盡量在不影響地面分辨率的同時,提高地面覆蓋寬度。因此,在航天光學遙感器設(shè)計方案中,為提高 CCD相機地面覆蓋寬度,應(yīng)增加偏擺掃描的功能,使地面覆蓋度等于反射鏡偏擺角度所對應(yīng)的地面覆蓋寬度。如美國 1992年以后發(fā)射的 KH-12偵察相機就具有側(cè)擺成像功能,能對飛行軌跡東西兩側(cè)區(qū)域成像[19]。這種設(shè)計方法,由于需要增加結(jié)構(gòu)設(shè)計運動件,使用 CCD推掃積分實時變換等相關(guān)技術(shù)、像移補償實時計算方法和復(fù)雜的光學系統(tǒng)設(shè)計,會使航天光學遙感器系統(tǒng)總體復(fù)雜度加大,可能引起相機壽命縮短和總體可靠度下降。解決好這些矛盾是發(fā)展航天光學遙感器關(guān)鍵性技術(shù)問題,也是航天光學遙感器未來發(fā)展需要研究的主要議題。

(3)較高成像質(zhì)量

航天相機的性能好壞,很重要的一點取決于相機的光學系統(tǒng)成像質(zhì)量。成像質(zhì)量主要與系統(tǒng)的像差大小有關(guān)[20],可以利用空間幾何的方法,通過大量的光路追跡計算來評價,如繪制點列圖或各種像差特征曲線等。由于衍射現(xiàn)象的存在,還可以采取基于衍射理論評價方法,繪制實際成像波面或光學傳遞函數(shù)曲線等。這些方法在實踐過程中均存在有優(yōu)缺點,往往需要綜合多種評價方法。與其它方法比較,利用光學傳遞函數(shù)來評價光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量是一種比較好的方法,該方法把物體看作由各種頻率的譜組成,即把物體的光場分布函數(shù)展開成傅里葉基數(shù)或傅里葉積分的形式。由于光學傳遞函數(shù)與光學系統(tǒng)的像差有關(guān),又與光學系統(tǒng)衍射效果有關(guān),用光學傳遞函數(shù)評價光學系統(tǒng)的質(zhì)量,既可以取得可靠的效果,又可以客觀地給出光學成像質(zhì)量。

光學傳遞函數(shù)反映光學系統(tǒng)對物體不同頻率成分的傳遞能力。通常利用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線的積分值來評價成像質(zhì)量,在理論上,像點的中心點亮度值等于MTF曲線所圍的面積,MTF所圍的面積越大,表明光學系統(tǒng)傳遞的信息量越多,光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好,圖像越清晰[17]。對于航天相機,通常采用 MTF或?qū)Ρ葌鬟f函數(shù) CTF來表征相機空間頻率的響應(yīng)函數(shù),MTF表示對正弦波的響應(yīng),CTF表示對方波的響應(yīng)[19]。航天相機在不同環(huán)境下的MTF分析方法如下:

(1)航天相機在實驗室的靜態(tài)傳遞函數(shù)[19]主要由光學系統(tǒng)的 MTF和 CCD幾何尺寸決定的MTF乘積確定。MTF光學由光學設(shè)計的MTF設(shè)計和加工裝調(diào)引起的MTF加工乘積確定;(2)航天相機的動態(tài)傳遞函數(shù)是指相機在軌攝像時的傳遞函數(shù),主要由相機靜態(tài)傳遞函數(shù)、TD ICCD推掃成像傳遞函數(shù)及環(huán)境條件的傳遞函數(shù)等確定;(3)TD ICCD推掃成像傳遞函數(shù)分為沿飛行方向的傳遞函數(shù) (CCD積分時,CCD接收器引起的MTF和 TD I時間延遲積分與像移)和沿垂直飛行方向的傳遞函數(shù) (偏流角誤差引起);(4)環(huán)境條件對相機動態(tài)傳遞函數(shù)的影響因素主要有大氣MTF、溫度MTF和震動 MTF,大氣 MTF影響是由大氣向上散射的背景產(chǎn)生,大氣抖動的影響可以忽略不計;(5)針對不同的目標對應(yīng)不同的像的調(diào)制度分析。

總之,航天相機要達到規(guī)定的光學設(shè)計的傳遞函數(shù),需要充分利用 MTF曲線、MTF曲線的積分值及在不同環(huán)境下的MTF分析方法進行系統(tǒng)的分析和成像質(zhì)量評價,克服在各種環(huán)境下對成像效果的影響,不斷提高光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時必須在設(shè)計中對光學系統(tǒng)留有足夠大的相對孔徑,使得光學系統(tǒng)的衍射極限的傳遞函數(shù)達到要求的值。

3.2 綜合光學成像遙感器

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展,航天光學成像遙感器的發(fā)展已經(jīng)超出人們預(yù)想范疇,平均 2～3年就會有一次創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和設(shè)計推出。近幾年,在衛(wèi)星與載荷 (航天光學成像遙感器等)一體化、全光譜段航天光學成像遙感器和對天對地一體化結(jié)構(gòu)等綜合光學成像遙感器方面均有較大發(fā)展,特別是多光譜譜段的光學成像遙感器已經(jīng)取得了長足的進步,當前,在軌運行的光學成像遙感器中屬于這類光學成像遙感器的已經(jīng)占有較大比例。

(1)模塊化多光譜譜段

隨著航天技術(shù)特別是載人航天技術(shù)的高速發(fā)展,為了在太空做更多科學試驗、更方便更有效地探索宇宙空間秘密和探測地球物理科學,各國的科技人員不斷研究更加先進的、滿足在太空工作和生活需要的綜合光學成像遙感器,以探索天地間的奧秘。多 (全)光譜段航天光學成像遙感器是目前的主要發(fā)展方向。美國、歐洲等發(fā)達國家及地區(qū),在該項領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的科學進展。如:哈勃空間望遠鏡 (Hubble Space Telescope),它是一個典型模塊化結(jié)構(gòu)天文望遠鏡,涵蓋紫外線、可見光、近紅外線等譜段 (115～2 500 nm),屬于多光譜段航天天文光學成像遙感器,用于對天文的科學研究。該望遠鏡成功地彌補了天文觀測、天文物理探索的不足,解決了天文學家在地面無法解決的許多天文學的基本問題,幫助人類對天文物理有更多的認識。哈勃望遠鏡的主要參數(shù)見表3,當前包括的光學成像遙感器和探測儀器有ACS,STIS,FGS,N ICMOS,WFC3和 COS。其中ACS(Advanced Camera for Surveys)是先進的測量照相機,波長范圍從紫外線到可見光到近紅外線,視場角是 WFPC2的 2倍,由 3個子儀器組成;WFC(W ide Field Camera)為可見光和近紅外線相機;HRC(High Resolution Camera)為高檔相機,可拍攝由銀河系中央發(fā)出并穿過黑洞的光線照片;另外還包括一個日冕觀測儀。STIS為照相機/攝譜儀 (Space Telescope Imaging Spectrograph),波長范圍從近紅外線到紫外線;FGS為精密導(dǎo)向傳感器 (Fine Guidance Sensor)是哈勃空間望遠鏡的導(dǎo)引系統(tǒng),它的 3個精細導(dǎo)星傳感器主要用于保持望遠鏡指向的準確性,但也能用于天體的準確測量,測量精度為 0.000 3″;N I CMOS為近紅外照相機/多目標分光計 (Near Infrared Camera and Multi-object Spectrometer);COS為天文光譜儀(CosmicOrigins Spectrograph),包括一個深紫外線通道 (FUV),一個近紅外線通道 (N I R);WFC3是廣角照相機,包括一個紫外線和可見光通道(UV IS),一個近紅外線通道 (N IR)。詳見表4。

表3 Hubble空間望遠鏡主要參數(shù)Tab.3 Pr imary parameters of Hubble space telescope

表4 哈勃望遠鏡上的光學成像遙感器Tab.4 Optical image remote sensors in Hubble space telescope

由 6臺光學儀器組成的 Hubble空間望遠鏡,除主光學系統(tǒng)外,還包括光學成像遙感器設(shè)備和對天各種光譜探測儀器,這些設(shè)備可隨時由宇航員更換,形成了模塊化結(jié)構(gòu),延長了服務(wù)周期,可不斷地提高空間望遠鏡技術(shù)性能和功能。Hubble空間望遠鏡雖然僅作為天文望遠鏡,但仍然涵蓋了較寬的光譜譜段。

在國內(nèi),中國嫦娥一號衛(wèi)星雖然是一臺 CCD立體相機,但包含了激光高度計和成像光譜儀等多臺儀器,構(gòu)成了嫦娥一號立體相機系統(tǒng)。

對地的綜合光學遙感器研究內(nèi)容包括紫外成像、超高分辨率可見光成像、甚高分辨率紅外成像、甚高可見光-紅外超光譜成像、激光雷達回波探測和 THz大氣譜線觀測等綜合多光譜光學遙感器,目前這些空間成像儀、光譜儀和探測儀已經(jīng)成為各國的主要研究內(nèi)容。

(2)天地一體結(jié)構(gòu)

空間現(xiàn)代光學遙感器已經(jīng)成為地球物理研究、空間科學研究及銀河系研究的重要輔助手段,同時通過衛(wèi)星等各種載體,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海洋監(jiān)測、氣象預(yù)報、地礦探測和軍事偵察等方面。近幾年,國內(nèi)把天地一體化結(jié)構(gòu)的綜合光學遙感器研究列入議事日程,這種結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng),由于其功能強大、光機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾乎全光學譜段范圍、搭載的儀器設(shè)備種類較多,形成了光學成像遙感系統(tǒng)綜合平臺。通常該平臺需要搭載在大型衛(wèi)星或飛行器上,如空間站和航天飛機等。這種主光學系統(tǒng)共享結(jié)構(gòu),可以考慮兩種方案:一種是對天、對地通過的光機結(jié)構(gòu)直接分離;另一種是通過二維轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對天、對地轉(zhuǎn)換。由于該平臺需要在統(tǒng)一的主光學系統(tǒng)下進行分光,可分割出10多個光學通道 (如對天、對地的紫外成像、可見光成像、紅外成像、可見光 -紅外超光譜成像、激光雷達回波探測和 THz大氣譜線觀測等),覆蓋了幾乎所有光譜譜段,實現(xiàn)起來非常困難。這種系統(tǒng),目前國內(nèi)外仍處于研究階段,其優(yōu)點在于:(a)利于目標自動識別技術(shù)和參數(shù)自動調(diào)整技術(shù)的應(yīng)用研究和開展,利于應(yīng)用不同的光譜譜段成像儀器和探測系統(tǒng)索取所需的信息和數(shù)據(jù),進行自動分析、自動圖像數(shù)據(jù)處理和識別,達到光學遙感器工作的參數(shù)自動調(diào)整的目標;(b)便于航天員有選擇地使用儀器設(shè)備和拍攝時機,對感興趣的目標采用最佳通道儀器或多個通道進行并行工作,達到快捷、準確獲取信息和目標;(c)有利于探索空間對地、對天觀測一些共性技術(shù)問題;(d)有利于大型光學望遠鏡的模塊化設(shè)計、系統(tǒng)集成和精確指向等技術(shù)問題。其缺點是,由于結(jié)構(gòu)龐大,可搭載的航天器受限制,不利于大面積推廣。

3.3 智能型光學成像遙感器

智能型光學成像遙感器主要包括自動識別技術(shù)和參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)。自動識別技術(shù)包括地面景物識別、相機工作條件認證和拍攝環(huán)境的確認。自動識別技術(shù)涉及人工智能理論、控制理論和圖像學多個研究領(lǐng)域,涵蓋多光譜成像、分布式成像、圖像處理、模式識別、光譜分析和成像分辨率等多項技術(shù),融入了進化計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及多種智能處理方法。在實現(xiàn)目標自動識別過程中,需要依據(jù)地面目標、空間環(huán)境和工作條件等不同情況,給出理論模型或算法,可以自動識別出地物、空中浮遮物及它們所處的地點和類別,并能實時對其進行存儲和轉(zhuǎn)移。參數(shù)調(diào)整自適應(yīng)技術(shù)包括適應(yīng)外部光照條件,自動完成調(diào)整調(diào)光參數(shù);根據(jù)圖像內(nèi)容,結(jié)合圖像的清晰度評價,自適應(yīng)調(diào)整焦面位置;根據(jù)外部條件變化重新實現(xiàn)在軌的參數(shù)標定。

(1)在軌目標自動識別技術(shù)

隨著遙感圖像的精度提高,其數(shù)據(jù)量不斷增加,有限的存儲空間和衛(wèi)星傳輸帶寬與大量遙感圖像數(shù)據(jù)存儲和處理間的矛盾日益突出。發(fā)展在軌目標自動識別技術(shù)是緩解該矛盾的重要手段。

對于不同的使用者,在海量的遙感圖像中,并不是所有數(shù)據(jù)都含有需要的信息量,即數(shù)據(jù)量不等同于信息量,因此可根據(jù)不同的實際應(yīng)用目的識別出有價值的數(shù)據(jù)子集,即感興趣區(qū)域,對其進行不同的處理后,提供給不同的使用者。

感興趣區(qū)在軌目標自動識別技術(shù)是一個綜合性、智能化、多學科交叉的研究領(lǐng)域,該技術(shù)涉及目標自動識別、多光譜成像、紅外成像、激光雷達、分布式成像和圖像處理等多項技術(shù)。

從第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功起,人們就開始利用計算機進行衛(wèi)星遙感圖像的識別研究。最初是利用人機交互方式從遙感圖像中獲取有關(guān)地學信息。這種方法的實質(zhì)仍然是遙感圖像目視判讀,它依賴于圖像解譯人員的解譯經(jīng)驗與水平。20世紀 80年代,主要是利用統(tǒng)計模式識別方法進行遙感圖像識別。20世紀 90年代提出了利用專家知識進行圖像分析。21世紀初,越來越多的數(shù)據(jù)處理方法被綜合應(yīng)用到遙感圖像識別中,融入了進化計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類和容差粗糙集等多種智能處理方法。雖然利用計算機進行自動識別難度較大,但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展,借助圖像處理、模式識別和其他相關(guān)領(lǐng)域知識的不斷推陳出新,該領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展。圖2為融合后的IKONOS衛(wèi)星識別的鐵礦圖像。

圖2 IKONOS衛(wèi)星識別鐵礦的圖像Fig.2 Recognition of iron ore using IKONOS satellite

目前大多數(shù)空間相機是多光譜的,同一片CCD上含有多個波段,多個波段可以同步采集圖像,形成的多光譜圖像比單一波段或全色譜段圖像更有價值。

多光譜可以有效地提高空間相機全天候觀測能力,而且,由于不同類型的地物對光譜反射和吸收特性不同,通過多光譜空間相機可以更好地對地物進行識別。可見光、近紅外和短波紅外譜段(0.4～3μm)的遙感器測量的是地面和大氣及云反射或發(fā)射的輻射量。中波紅外譜段 (3～5μm)是太陽反射到熱輻射的過渡區(qū),大于5μm時,地球自身發(fā)射熱輻射占主導(dǎo),由于不直接依賴太陽源,長波紅外、微波譜段 (＞5μm)遙感器不僅可以在夜間采集圖像,也可以在白天采集圖像。

多分辨率成像技術(shù)如圖3所示,為一個分布式的多分辨率成像系統(tǒng)。當無目標時,成像系統(tǒng)用多臺相機組合 (低分辨率狀態(tài))普查觀測場景;當發(fā)現(xiàn)感興趣目標時,成像系統(tǒng)調(diào)整成用一臺或多臺適用當時環(huán)境的高分辨率詳查相機 (同時)觀測場景。這種分布式綜合結(jié)構(gòu)通過普查和詳查相結(jié)合的方式,大大提高了成像系統(tǒng)對目標,特別是感興趣區(qū)目標的自動識別能力。

圖3 多分辨率成像系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch ofmulti-resolution image system

目前,1顆衛(wèi)星或飛行器也可以搭載多臺、多功能相機,比如三線陣相機就是由正視相機、前視相機和后視相機組成的。正視相機的視軸垂直于地面,前視、后視相機的視軸與正視相機的視軸之間成一定夾角,3個相機的線陣 CCD的方向互相平行,并垂直于飛行方向。通過圖像配準、拼接和融合技術(shù)可以形成大視場角的遙感圖像,用類似于圖3分布式成像系統(tǒng)普查和詳查相結(jié)合的方式,可以更有效地實現(xiàn)空間相機對感興趣區(qū)目標的自動識別。

(2)在軌自動參數(shù)調(diào)整技術(shù)

自動參數(shù)調(diào)整技術(shù)是空間相機研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,包括自動調(diào)焦、自動調(diào)偏流和自動調(diào)光等,目前在軌實時調(diào)偏流與調(diào)光理論上在國內(nèi)已有所進展,而在軌的自動調(diào)焦技術(shù)是自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的難點,目前尚未突破。

調(diào)焦系統(tǒng)是空間相機的重要組成部分,是決定空間相機成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵組件?？臻g相機所處的運載和運行環(huán)境 (如沖擊、過載、振動、壓力及溫度等)非常復(fù)雜,對環(huán)境變化和溫度波動的影響比較敏感。由于環(huán)境的變化,相機焦面將產(chǎn)生不同程度的離焦,為保證相機在比較復(fù)雜的環(huán)境下的成像質(zhì)量,需對相機變化的像面加以校正,因此設(shè)計自動調(diào)焦系統(tǒng)是十分必要的。我國航天相機研究起步較晚,早期的相機功能結(jié)構(gòu)簡單,多數(shù)相機不具備自動調(diào)焦功能。近年來,國內(nèi)在實驗室成功實現(xiàn)了在軌地面注入調(diào)焦,同時在地面應(yīng)用長焦距相機動態(tài)照相分辨力檢測目標發(fā)生器、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、飛行器模擬裝置、平行光管和圖像高速采集及存儲系統(tǒng),實現(xiàn)了準 (非全部性能)動態(tài)調(diào)焦,標志著我國空間相機在軌調(diào)焦技術(shù)進入了實際應(yīng)用階段。近年來出現(xiàn)了許多調(diào)焦機構(gòu)和調(diào)焦方法,主要分為主動式和被動式兩種,主動式如三角測距、紅外測距和超聲測距;被動式主要依靠圖像分析的辦法。然而,多數(shù)自動調(diào)整方法并不適合于航天相機線陣、高速和場景時變的特點,目前在實際中使用的方法仍然是反復(fù)地地面人工判讀和重復(fù)地注入干預(yù),調(diào)整的時效性較差,隨著探測分辨率的不斷提升,相機的焦距越來越長,整機結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境影響越來越敏感,焦面位置的一個微小變化可能造成成像質(zhì)量的迅速減低,即便此變化未出焦深范圍,但傳遞函數(shù)已經(jīng)降低很多了,因此非實時性調(diào)整可能越來越不能滿足任務(wù)的要求,自動、精準的自動調(diào)焦技術(shù)成為一種重要的研究方向。

4 現(xiàn)代光學成像遙感器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)反射鏡結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計

目前國外的地基大口徑設(shè)計最大已達到10 m,國內(nèi)也成功實現(xiàn)了 6 m量級 (LAMOST);國外的天基的大口徑僅實現(xiàn) 6 m量級,可見天基大口徑設(shè)計更為困難。在天基條件下,飛行器所能承載的設(shè)備重量是有限的,這就要求在不影響性能的前提下,一方面尋找更為合理的新型高分子碳纖維復(fù)合材料,如 CFRC材料等,另一方面對鏡體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行更為嚴格的輕量化。傳統(tǒng)型設(shè)計采用蜂窩夾心結(jié)構(gòu)[23],蜂窩單元幾何形狀對反射鏡剛度和減重率的影響的研究吸引了許多研究人員,但是目前尚無統(tǒng)一的結(jié)論。

(2)主動光學波前探測技術(shù)

隨著探測口徑進一步的增大,天基條件下更為輕薄的主鏡設(shè)計以及空間可展開設(shè)計使得采用主動光學技術(shù)成為趨勢和必然,比如主鏡 6.5 m的 JWST使用了主動光學技術(shù)以保證高精度的面型。主動光學的難點是波前探測技術(shù),比如經(jīng)典的干涉測量技術(shù)和比較前沿的圖像處理技術(shù) (如PR和 PD技術(shù))[24],但這些檢測手段的輸入對象均為星點目標,使用范圍比較受限,對地觀測時,自然景物輸入下的檢測技術(shù)尚不成熟,需要研究人員進一步探索。

(3)THz—新的光譜探測范圍的挑戰(zhàn)

為了獲取更多的目標景物有用信息,除了需要遙感系統(tǒng)有更高的空間分辨率外,更寬譜段范圍、更高光譜分辨率、輻射分辨率越來越被關(guān)注,從多角度、多側(cè)面的獲得信息成為航天遙感器探測技術(shù)的另一個發(fā)展著眼點。

航天遙感器的工作譜段雖然覆蓋了從微波到γ射線幾乎整個電磁波譜段范圍,但目前的應(yīng)用主要還集中在紅外、可見到紫外探測這一個波段,從遠紅外到亞毫米波這一波段的開發(fā)由于技術(shù)原因基本上處于空白,這一波段被稱為 THz波段。THz衛(wèi)星太空成像和在天文方面的應(yīng)用剛剛起步,通過連續(xù)波 THz成像技術(shù),利用 THz波的穿透特性,建立 THz連續(xù)波成像系統(tǒng),可實現(xiàn)與光學成像技術(shù)有一定互補性的 THz成像技術(shù)。

隨著 THz應(yīng)用的廣泛開展,對 THz波探測器的靈敏度和頻率分辨率等性能也提出了越來越高的要求,而 THz輻射源的低輸出功率和 THz頻率范圍內(nèi)較高的熱輻射背景噪聲等因素對探測造成較大的影響,另外 THz技術(shù)由實驗室向航天工程探測方向的轉(zhuǎn)化也存在諸多的難題[25],等待著研究人員去解決。

(4)高精度控制技術(shù)

為了實現(xiàn)天基遙感器的跟蹤和凝視性能,要求空間相機具有極高的指向精度和控制精度,以Hubble望遠鏡為例,其控制指向精度達到了0.01″,24 h凝視時間內(nèi)的穩(wěn)定度達到 0.007″,超過了許多地基設(shè)備的性能,因此對于控制手段和控制策略提出了更高的要求,其中復(fù)合軸控制技術(shù)和精確導(dǎo)星技術(shù)是實現(xiàn)的關(guān)鍵。

(5)在軌智能處理技術(shù)

最主要的一個前沿技術(shù)是自動目標識別技術(shù)。該技術(shù)通過模擬人對遙感圖像的生理視覺邏輯心理等多層次的認知過程,探求其內(nèi)在規(guī)律和認知模型,以空間信息認知理論和空間要素關(guān)系模型為基礎(chǔ),分析目標圖像的顏色、形狀、紋理和光譜等特征,實現(xiàn)圖像的智能解譯和自動識別。智能處理是綜合了智能計算理論、知識工程、專家系統(tǒng)等多學科交叉知識共性的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)束語

航天光學成像遙感器包括了軍事偵察相機,立體測繪相機,氣象、海洋觀測相機,陸地資源勘測相機,空間天文和深空目標探測相機等空間光學遙感器,目前美國在該領(lǐng)域領(lǐng)先于其它國家和地區(qū),代表了空間探測技術(shù)應(yīng)用的最高水平。圍繞如何利用好無國籍的太空,各國紛紛加大投資力度,特別是科學技術(shù)較發(fā)達的國家和地區(qū),對現(xiàn)代航天光學成像遙感器的研制、發(fā)展提出了更高的目標。本文通過對國內(nèi)外飛行器、光學成像遙感器和探測器應(yīng)用情況的描述和分析,提出地面目標自動識別技術(shù)、多光譜多分辨率設(shè)計技術(shù)、智能控制技術(shù)、天地一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、高分辨率寬覆蓋高圖像質(zhì)量技術(shù)和大口徑的工藝處理技術(shù)是空間探測技術(shù)未來主要應(yīng)用與研究方向。列舉了大口徑設(shè)計、新型 THz波段探測、高精度控制和智能處理等幾項關(guān)鍵技術(shù)的要求,意在為航天光學成像遙感器的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支持和引導(dǎo)。

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