“資源三號”衛(wèi)星多光譜相機技術(shù)

范斌 蔡偉軍 張孝弘 黃穎 焦文春

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

多光譜遙感技術(shù)利用不同光譜譜段獲取同一地物目標(biāo)的不同譜段圖像，通過不同譜段圖像的組合，能夠獲取目標(biāo)的物理屬性，具有豐富的地物信息。多光譜遙感圖像可廣泛應(yīng)用于國土資源調(diào)查與監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃與建設(shè)等領(lǐng)域。將多光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于測繪衛(wèi)星，能夠同時對地物幾何和光譜屬性進行識別，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

中國首顆高精度民用立體測繪衛(wèi)星——“資源三號”衛(wèi)星于2012年1月9日成功發(fā)射，星上安裝了一臺高分辨率、寬覆蓋多光譜相機。衛(wèi)星在軌道高度約506km，實現(xiàn)了星下點地面像元分辨率5.8m，覆蓋寬度51km。多光譜相機在測繪模式及資源模式下工作，生成藍、綠、紅、近紅外4個譜段影像，能夠提供假彩色及真彩色影像產(chǎn)品，并可與三線陣的正視相機圖像進行融合，生成2.1m分辨率的彩色正視影像產(chǎn)品。多光譜相機按照測繪相機的要求開展研制，尤其關(guān)注在軌內(nèi)方位元素的穩(wěn)定。相機綜合應(yīng)用了多項先進技術(shù)：通過離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了大視場鏡頭的高傳函與低畸變；通過柔性卸載技術(shù)保證了相機良好的力學(xué)與熱穩(wěn)定性；通過高集成、低噪聲電路技術(shù)提高了系統(tǒng)輻射質(zhì)量。經(jīng)過努力，多光譜相機實現(xiàn)了其研制目標(biāo)：低畸變、高光學(xué)性能，高輻射質(zhì)量，良好的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性，更短的裝調(diào)時間，更低的成本。經(jīng)在軌測試，多光譜相機內(nèi)方位元素穩(wěn)定，具有良好的輻射性能與幾何性能，在軌獲取了高品質(zhì)的多光譜影像，

文章首先闡述了多光譜相機系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與主要設(shè)計措施；然后分別論述了光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電子學(xué)設(shè)計技術(shù)，計算機輔助調(diào)校技術(shù)，環(huán)境試驗與性能測試結(jié)果。最后，對研制成果的應(yīng)用情況進行了介紹。

2 相機系統(tǒng)描述

2.1 相機系統(tǒng)組成

多光譜相機系統(tǒng)包括相機主體、相機控制器、信號處理器3個設(shè)備。相機采用推掃成像方式，通過光學(xué)系統(tǒng)將地面景物的反射光會聚在焦面3片TDICCD探測器上，完成光電轉(zhuǎn)換后，由信號處理電路對探測器輸出的電信號進行信號處理，通過數(shù)傳分系統(tǒng)傳到地面。相機控制器實現(xiàn)相機的配電控制、與數(shù)管分系統(tǒng)的通訊、調(diào)焦控制以及遙測數(shù)據(jù)采集等功能。

相機主體安裝在衛(wèi)星平臺頂部構(gòu)架上，由三反離軸光學(xué)鏡頭、焦面組件、遮光罩等部件構(gòu)成，如圖1所示。高剛度的主體框?qū)⒐鈱W(xué)鏡頭的4個光學(xué)反射鏡組件及焦面組件連接成為穩(wěn)定的光機主體，通過具有熱卸載能力的柔節(jié)與衛(wèi)星頂部構(gòu)架連接。相機具有調(diào)焦功能，平面鏡組件包含調(diào)焦機構(gòu)，通過調(diào)整平面鏡位置可實現(xiàn)焦面位置的調(diào)整。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

按照研制要求，在506km的軌道高度，多光譜相機應(yīng)提供地面像元分辨率（GSD）為5.8m、覆蓋寬度為51km的多光譜影像。主要的設(shè)計難點：在相機6.0°的全視場內(nèi)，應(yīng)滿足較高的系統(tǒng)性能要求及穩(wěn)定性要求。

相機研制總要求規(guī)定了多光譜相機的系統(tǒng)指標(biāo)：

●系統(tǒng)實驗室靜態(tài)調(diào)制傳遞函數(shù)：

MTF＞0.25（藍、綠、紅譜段）；

MTF＞0.20（近紅外譜段）。

● 信噪比≥100（目標(biāo)反射率0.3，太陽高度角70°）。

●在軌穩(wěn)定性：半年內(nèi)因相機內(nèi)方位元素變化引起的像點移位優(yōu)于0.2像元（1σ）。

多光譜相機的總體技術(shù)指標(biāo)確定為：

●成像方式：推掃成像

● 焦距：1 750mm

● 視場角：6.0°×0.3 °

● 相對孔徑：1/9

● 像元尺寸：20μm依據(jù)系統(tǒng)與總體指標(biāo)，對多光譜相機光機、電子學(xué)及熱控等分系統(tǒng)提出了設(shè)計要求。這些要求確保相機在其生命周期內(nèi)（地面、發(fā)射及在軌）可能經(jīng)受的各種環(huán)境條件下（力學(xué)環(huán)境、零重力、真空及熱環(huán)境）保持良好的像質(zhì)及穩(wěn)定性。[1]

2.3 相機系統(tǒng)主要設(shè)計措施

為實現(xiàn)多光譜相機的研制目標(biāo)，主要采取了如下設(shè)計措施：

1）選用離軸TMA光學(xué)系統(tǒng)型式，使用3片多譜段集成的TDICCD探測器（像元大小20μm），同時滿足高分辨率、大視場觀測的要求，實現(xiàn)小型化設(shè)計，有效減小了光學(xué)鏡頭尺寸及焦面組件規(guī)模。

2）相機采用準(zhǔn)像方遠(yuǎn)心光路，平像場。通過優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在全視場內(nèi)實現(xiàn)相對畸變0.01%；獲得接近衍射極限的成像品質(zhì)，鏡頭MTF優(yōu)于0.69（在25線對/mm奈奎斯特頻率處）；光學(xué)系統(tǒng)誤差分配合理，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度、光學(xué)裝調(diào)難度和制造風(fēng)險。

3）通過焦面模擬信號合成技術(shù)，實現(xiàn)了信號處理電路的高集成化設(shè)計；采用探測器低溫控制、電源濾波、優(yōu)化時序設(shè)計以及高精度AD量化等多項設(shè)計措施，有效降低了探測器和電路噪聲，提高了系統(tǒng)輻射質(zhì)量。

4）光機結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性是確保相機在軌成像輻射質(zhì)量良好、內(nèi)方位元素穩(wěn)定的前提。利用先進的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，離軸反射鏡多點球鉸消應(yīng)力支撐技術(shù)，相機柔性卸載裝星技術(shù)等，實現(xiàn)了相機在軌良好的力學(xué)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性。

5）利用計算機輔助裝調(diào)技術(shù)，通過專用裝調(diào)軟件對系統(tǒng)失調(diào)量進行求解，結(jié)合靈敏度矩陣分析，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)有序、定量、高效裝調(diào)，大大減少調(diào)校時間，在兩周內(nèi)調(diào)校出滿足波像差要求的光學(xué)鏡頭，裝調(diào)因子大于92%，鏡頭質(zhì)量因子大于85%。

3 相機分系統(tǒng)技術(shù)途徑

3.1 光學(xué)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)選擇離軸三反射鏡系統(tǒng)，與同軸三反系統(tǒng)相比，具有視場大、無遮攔、傳函高等優(yōu)點。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)主要包括：

1）在較大的視場內(nèi)實現(xiàn)接近衍射極限的傳函；

2）有效控制因視場增大而帶來的畸變增大；

3）合理優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)公差，降低機械設(shè)計難度和調(diào)校難度。

針對以上設(shè)計目標(biāo)，主鏡與三鏡設(shè)計為離軸非球面，在全視場內(nèi)實現(xiàn)了接近衍射極限的成像品質(zhì)；孔徑光闌位于次鏡，通過視場傾斜6°來避免中心遮攔；通過優(yōu)化減小次鏡（凸面）的口徑，降低了檢測難度；非球面反射鏡均設(shè)計為二次曲面而非高次曲面，降低了光學(xué)加工與檢測的難度；平面折轉(zhuǎn)鏡折疊光路，減小了光學(xué)系統(tǒng)長度；系統(tǒng)采用準(zhǔn)像方遠(yuǎn)心光路，平像場，像平面具有良好的成像品質(zhì)。光學(xué)系統(tǒng)布局如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，光學(xué)系統(tǒng)在6.0°×0.3°全視場內(nèi)各譜段平均傳函優(yōu)于0.80，接近衍射極限；通過優(yōu)化實現(xiàn)相對畸變1/10 000；合理優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)公差，反射鏡傾斜50μrad或平移40μm僅引起MTF約0.01的下降，鏡間距的變化對光學(xué)系統(tǒng)焦距、像面位置、系統(tǒng)傳函影響不大，較寬松的公差要求降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工與裝調(diào)的難度。

3.2 離軸反射鏡卸載支撐技術(shù)

光學(xué)反射鏡面形的穩(wěn)定是保證相機良好像質(zhì)的關(guān)鍵。[2]綜合運用光學(xué)反射鏡的輕量化技術(shù)、卸載支撐技術(shù)、無應(yīng)力裝校固定技術(shù)，實現(xiàn)抗力學(xué)環(huán)境、抗溫度變形，各反射鏡滿足各種環(huán)境條件下穩(wěn)定性要求。

反射鏡卸載支撐的目的主要有：

1）重力卸載：減小反射鏡支撐結(jié)構(gòu)變形對光學(xué)面形的影響；

2）熱應(yīng)力卸載：減小因材料熱不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力對光學(xué)面形的影響；

3）裝配應(yīng)力卸載：減小因裝配失調(diào)導(dǎo)致的強迫位移對光學(xué)面形的影響。

光學(xué)反射鏡選材為零膨脹的肖特微晶玻璃，降低了對熱控的要求，在反射鏡內(nèi)部存在徑向溫度梯度的情況下可保持良好的熱穩(wěn)定性。[3]反射鏡安裝孔內(nèi)采用膠粘接方式安裝了熱膨脹系數(shù)與微晶玻璃相匹配的殷鋼嵌套，支撐結(jié)構(gòu)選鈦合金材料。離軸反射鏡輕量化率大于60%，對輕量化構(gòu)型及支撐點位置進行優(yōu)化，滿足自重引起的面形誤差最小；采用圓形輕量化孔，降低了加工難度。

離軸反射鏡采用4點球鉸支撐，通過優(yōu)化設(shè)計使球頭的支撐力位于反射鏡的質(zhì)心面內(nèi)，如圖3所示。利用4個球頭的自由度解耦技術(shù)實現(xiàn)對反射鏡6個自由度的靜定約束，即背面中心球頭僅限制反射鏡垂直光軸方向的平動，側(cè)面3點約束反射鏡沿光軸方向的平動及轉(zhuǎn)動。反射鏡靜定支撐技術(shù)有效卸載了重力、裝配及熱不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，確保反射鏡面形的穩(wěn)定，同時保持足夠的支撐剛度。

經(jīng)仿真分析及試驗驗證，離軸反射鏡組件的基頻均在200Hz以上。反射鏡組件在試驗室裝配完成后，在反射鏡光軸與長軸水平放置及繞光軸轉(zhuǎn)動90°兩種狀態(tài)下，利用激光干涉儀進行了面形精度測試，在重力作用及20℃±3℃溫度條件下，與裸鏡相比反射鏡面形的變化小于0.003，滿足指標(biāo)要求。

3.3 主體結(jié)構(gòu)高比剛度、高穩(wěn)定性設(shè)計

多光譜相機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)可歸納為：

1）為光學(xué)反射鏡提供穩(wěn)定的支撐，在試驗室裝調(diào)、發(fā)射入軌及在軌工作等不同環(huán)境下，能夠保持良好的剛度和穩(wěn)定性，滿足光學(xué)系統(tǒng)要求；[4]

2）便于光學(xué)反射鏡的裝配與調(diào)整，調(diào)整到位后能夠?qū)⒎瓷溏R穩(wěn)定鎖固；

3）保證結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性前提下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

主體結(jié)構(gòu)采用鈦合金整體鑄造，利用拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)高比剛度設(shè)計，具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)型見圖4。經(jīng)振動試驗測試，多光譜相機整機基頻優(yōu)于145Hz，各反射鏡組件振動響應(yīng)的均方根放大倍數(shù)均不超過3，主體結(jié)構(gòu)具有較好的動力學(xué)特性，能夠保證相機經(jīng)過發(fā)射段入軌后反射鏡位置關(guān)系穩(wěn)定。

多光譜相機主體結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了光學(xué)反射鏡安裝與調(diào)整的方便性，與反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的連接面均設(shè)計在端框的外部，可操作性好。以主鏡作為裝調(diào)基準(zhǔn)，在完成鏡頭初裝配后，利用五維精密調(diào)整機構(gòu)對三鏡及次鏡進行位置精調(diào)，調(diào)整到位后利用修配的墊塊穩(wěn)定鎖固。

光學(xué)鏡頭裝調(diào)完成后，為測試重力場下光機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對鏡頭分別翻轉(zhuǎn)90°和180°進行傳函測試。[5]測試結(jié)果表明，與原測試方位相比，翻轉(zhuǎn)90°和180°測試，鏡頭的波前差WFE（rms）下降均小于0.002 （ =632.8nm），相機主體結(jié)構(gòu)具有很好的剛度。

多光譜相機與衛(wèi)星平臺鑄鎂材料頂部構(gòu)架的安裝采用柔性卸載技術(shù)。柔性卸載結(jié)構(gòu)設(shè)計利用圖5所示的柔性鉸鏈原理。柔性鉸鏈能夠提供X、Z向剛度，但在Y向具有一定程度的位移卸載能力，通過對相機安裝腳柔性片方位與厚度的優(yōu)化設(shè)計，能夠在保證安裝剛度的前提下，借助柔性片在Y向的柔性卸載能力，阻隔因衛(wèi)星平臺安裝面的平面度誤差及熱變形向多光譜相機應(yīng)力的傳遞，確保成像品質(zhì)。

經(jīng)試驗驗證，鑄鎂材料的衛(wèi)星平臺與相機存在10℃溫差的條件下 （相機溫度20℃，衛(wèi)星平臺10℃或30℃），相機系統(tǒng)MTF下降小于0.02，柔性安裝腳具有良好的熱卸載能力。但柔性安裝腳使相機的結(jié)構(gòu)剛度有所損失，整機基頻下降30Hz左右。

3.4 雜光抑制技術(shù)

雜散光的抑制對相機成像品質(zhì)非常關(guān)鍵。全反射式成像系統(tǒng)的雜散光主要來自被成像目標(biāo)（或物）的光輻射，經(jīng)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件等散射（或反射）后，進入系統(tǒng)并到達焦面。

為避免一次入射光直射像面，多光譜相機光學(xué)系統(tǒng)對平面折轉(zhuǎn)鏡的折轉(zhuǎn)角度及焦面位置進行了優(yōu)化設(shè)計，有效消除了一級雜光。在相機主體的入光口位置安置外遮光罩，如圖6所示。遮光罩內(nèi)部按照設(shè)計計算布置光欄，采用碳纖維增強復(fù)合材料板整體成型制造，內(nèi)表面噴涂消雜光用無光黑漆，反射系數(shù)小于5%。焦面前端設(shè)置內(nèi)部光闌，通過外遮光罩和內(nèi)部光闌消減二次漫反射雜散光對像質(zhì)的影響。為進一步提高雜散光的抑制水平，在遮光罩后半段（靠近主鏡的一側(cè)）增加同軸環(huán)狀光陷井（擋光環(huán)），使遮光罩表面的總漫反射率降低，大大降低了系統(tǒng)的雜散光水平。

通過雜散光仿真分析可知，多光譜相機抑制雜散光能力較好，雜光系數(shù)小于3%。

3.5 高速低噪聲電路技術(shù)

CCD探測器暗電平的控制是保證相機成像品質(zhì)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)表明，探測器的暗電流與工作溫度之間為近似指數(shù)關(guān)系。為減小多光譜相機探測器的暗電流，對CCD器件進行了低溫控制，通過CCD器件背面安裝的4根微型高效熱管，建立CCD器件→熱管→散熱面的傳熱途徑，實現(xiàn)CCD探測器工作在-15℃～+5℃的低溫水平，大大減小了器件產(chǎn)生的暗電平和暗電平噪聲。

采用量化位數(shù)達14bit的信號處理芯片，配合100萬門FPGA，實現(xiàn)對CCD模擬信號的相關(guān)雙采樣、箝位、增益控制、A/D轉(zhuǎn)換、輔助數(shù)據(jù)注入、數(shù)據(jù)格式編排功能。實現(xiàn)了高集成度、低功耗、低噪聲的成像電路設(shè)計。

采用了星上數(shù)字增益和動態(tài)箝位技術(shù)，可以在軌設(shè)置參數(shù)，去除大氣漫反射等造成的圖像襯底，提高像質(zhì)。

通過GPS硬件秒脈沖、衛(wèi)星整秒計數(shù)和相機本地時鐘相結(jié)合的方式，信號處理器根據(jù)硬件秒脈沖啟動本地計時時鐘（1MHz），從而精確計算出每一行的成像時刻，并在對應(yīng)圖像行的輔助數(shù)據(jù)里標(biāo)出。同時通過鎖存相臨兩個秒脈沖沿之間的計數(shù)值能夠?qū)崿F(xiàn)對時鐘頻率的標(biāo)定。實現(xiàn)了對每一幀圖像成像時刻的精確標(biāo)定，從而提高了定位精度。根據(jù)實際測試情況，時標(biāo)精度優(yōu)于20μs。

通過優(yōu)化濾波電路設(shè)計，優(yōu)化CDS采樣設(shè)計，通過仿真優(yōu)化布局布線設(shè)計等措施降低電路噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。各譜段最大信噪比測試值均優(yōu)于51dB。

3.6 離軸系統(tǒng)光學(xué)裝調(diào)與檢測技術(shù)

光學(xué)裝調(diào)與檢測包括兩個方面：光學(xué)反射鏡裝調(diào)與檢測、光學(xué)鏡頭裝調(diào)與檢測。

3.6.1光學(xué)反射鏡檢測

反射鏡檢測的難點在于離軸非球面檢測及凸面次鏡的檢測，包括非圓域Zernike系數(shù)的獲取，頂點曲率半徑、非球面系數(shù)和矢高等關(guān)鍵參數(shù)的測量，離軸量的精密測量，補償器設(shè)計、加工和對準(zhǔn)誤差校正等。

對于非圓域Zernike系數(shù)的獲取，由于離軸鏡的形狀不是圓形，基于單位圓正交的Zernike判據(jù)不成立，需要通過獲取不同視場的內(nèi)切圓，將不可測的非圓域Zernike系數(shù)問題轉(zhuǎn)化為可測的圓域問題。

通過高精度三坐標(biāo)儀對鏡面多截面的采樣及曲面擬合，解決了離軸鏡的頂點曲率半徑、非球面系數(shù)e2和矢高等關(guān)鍵參數(shù)的測量難題。利用Metropro軟件實現(xiàn)離軸量的精密測量。研制主鏡、三鏡及凸面次鏡的補償器，采用高精度的平面波和球面波補償器進行檢測比對，確保了檢測精度。

3.6.2光學(xué)鏡頭裝調(diào)和檢測

多光譜相機三反離軸光學(xué)鏡頭的裝調(diào)采用計算機輔助裝調(diào)技術(shù)。建立了自準(zhǔn)直干涉測量系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)精測的要求，自準(zhǔn)直干涉測量光路見圖7。主要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有：

●非球面系統(tǒng)初裝精度的控制；

●高精度自準(zhǔn)直干涉測量系統(tǒng)的建立；

●離軸反射鏡干涉測試的誤差分離技術(shù)；

●高精度多維獨立調(diào)整機構(gòu)的調(diào)整與緊固。

光學(xué)鏡頭的裝調(diào)與檢測通過初裝、精調(diào)、系統(tǒng)緊固及光學(xué)性能測試等環(huán)節(jié)實現(xiàn)，采取的技術(shù)路線為：

1）初裝。關(guān)鍵是控制初裝精度，依靠精密的機械加工保證光學(xué)反射鏡具備足夠高的初始定位精度，通過初裝即獲得干涉條紋，使系統(tǒng)可以直接利用干涉測量法進行調(diào)校，提供計算機輔助裝調(diào)的基礎(chǔ)。通過優(yōu)化使初裝精度設(shè)計合理，在一定程度上降低了加工難度；[6]

2）精調(diào)。根據(jù)計算機輔助光學(xué)裝調(diào)理論研制了專用裝調(diào)軟件。采用自準(zhǔn)直干涉法實時檢驗系統(tǒng)的波像差，利用波象差作為系統(tǒng)評價函數(shù)。[7]通過分析干涉條紋，求解波面的Zernike多項式系數(shù)，擬合被測波面，可計算出各個反射鏡的失調(diào)量矩陣，確定各個反射鏡的裝調(diào)次序、方向和量化值，極大地縮短了裝調(diào)周期；

3）系統(tǒng)緊固。裝調(diào)接近完成時，將反射鏡多維精密調(diào)整機構(gòu)與系統(tǒng)分離，并緊固反射鏡。此時容易產(chǎn)生狀態(tài)變化，我們研究了關(guān)鍵工藝，保證了分離、緊固后，光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量保持穩(wěn)定；

4）光學(xué)性能測試。系統(tǒng)緊固后，對鏡頭MTF、焦距、視場角、透過率進行測試。

通過以上技術(shù)路徑，多光譜相機三反離軸光學(xué)鏡頭實現(xiàn)了高精度、定量化裝調(diào)與檢測，提高了裝調(diào)效率，從開始初裝到調(diào)校出滿足波像差要求的光學(xué)鏡頭僅花費兩周時間，大大縮短了調(diào)校時間。

4 測試與試驗

為驗證多光譜相機的輻射質(zhì)量、幾何質(zhì)量、空間環(huán)境的適應(yīng)性，研制中對相機進行了全面的性能測試與試驗。針對輻射質(zhì)量，測試了相機靜態(tài)傳函（MTF）、系統(tǒng)信噪比、暗電平，在試驗室完成了相機的輻射定標(biāo)，并對系統(tǒng)雜光抑制做了定性測量與評估；針對幾何質(zhì)量，測量了相機時標(biāo)精度，系統(tǒng)地標(biāo)定了相機內(nèi)方位元素與幾何畸變，對不同調(diào)焦位置處相機內(nèi)方位元素的變化進行了測量與分析；針對空間環(huán)境適應(yīng)性，按照多光譜相機試驗矩陣的要求完成了各項環(huán)境試驗。作為測繪相機，對多光譜相機在軌穩(wěn)定性的要求很高，研制中特別關(guān)注了相機各個階段內(nèi)方位元素及畸變的穩(wěn)定性測試。

4.1 畸變與內(nèi)方位元素穩(wěn)定性測試

按照測繪相機要求，多光譜相機在軌工作期間，半年之內(nèi)因相機內(nèi)方位元素變化而引起的像點移位應(yīng)小于0.2像元（1σ）。對此，相機采取了多項確保內(nèi)方位元素及畸變穩(wěn)定性的設(shè)計措施：

1）光學(xué)系統(tǒng)采用像方準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，當(dāng)像面因溫度波動等原因而發(fā)生前后漂移時，由于軸外主光線近乎與光軸平行，則像高不會因為像面變化而變化，從而實現(xiàn)像高的穩(wěn)定。

2）相機采用反射式光學(xué)系統(tǒng)，不存在氣壓離焦；

3）光學(xué)件采用近似零膨脹的微晶玻璃，溫度場變化對于光學(xué)系統(tǒng)本身影響很小，各譜段相對位置關(guān)系穩(wěn)定。

設(shè)計分析表明，當(dāng)溫度均衡變化±2℃時，光學(xué)系統(tǒng)各譜段像高變化約±1.7μm，小于畸變標(biāo)定精度0.3像元（6μm）的要求；引起的焦距變化約±7μm，為焦距的±0.000 4%，小于主距的標(biāo)定精度20μm。

多光譜鑒定及正樣相機在振動試驗、真空熱試驗前后均對相機的畸變及內(nèi)方位元素進行了測量。表1為正樣相機振動試驗前后內(nèi)方位元素的測量結(jié)果，正樣相機力學(xué)試驗前后B1譜段畸變曲線測試對比如圖8所示。

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由測試結(jié)果可以看出，兩次振動試驗前后，多光譜相機主點、主距變化量均在測試誤差范圍內(nèi)，相機主點、主距穩(wěn)定。

相機經(jīng)歷振動試驗后，畸變測試值變化小于2μm，在畸變標(biāo)定誤差3μm的范圍內(nèi)，振動試驗前后相機畸變穩(wěn)定。

4.2 環(huán)境試驗

4.2.1振動試驗

為驗證多光譜相機的剛度及穩(wěn)定性，在相機初樣及正樣研制階段，分別進行了鑒定級及驗收級正弦振動試驗與隨機振動試驗，并在振動試驗前后對相機系統(tǒng)MTF進行了測試，試驗結(jié)果顯示相機傳函穩(wěn)定，驗證了結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性。

4.2.2熱真空試驗

多光譜正樣相機在真空罐內(nèi)進行了熱真空試驗。試驗測試結(jié)果表明：在相機溫度水平20℃±3℃范圍內(nèi)以及相機存在溫度梯度的工況條件下，相機系統(tǒng)的MTF穩(wěn)定，重復(fù)性好；焦面位置穩(wěn)定，無需調(diào)焦，驗證了相機具有良好的熱穩(wěn)定性。

4.3 外景成像試驗

多光譜鑒定相機完成研制后，進行了外景成像試驗，圖9是鑒定相機真彩色合成圖?？梢钥闯?，多光譜相機圖像通透清晰，層次分明，定性說明相機成像品質(zhì)良好。

5 在軌應(yīng)用評價

2012年1月11日，“資源三號”衛(wèi)星首次進行在軌成像測試，下傳首批影像數(shù)據(jù)，包括5.8m分辨率多光譜影像。經(jīng)用戶初步評價，多光譜影像清晰、層次豐富、細(xì)節(jié)表現(xiàn)力強，圖像直方圖分布合理。圖10為多光譜相機B1，B2，B3譜段合成圖像。

“資源三號”衛(wèi)星作為中國首顆民用高分辨率測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星平臺及相機系統(tǒng)全部采用自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)。目前，該衛(wèi)星在軌運行5個月，已完成在軌測試與評價工作。經(jīng)測試，多光譜相機4個譜段在軌動態(tài)MTF分別為0.20/0.21/0.20/0.14（沿軌和穿軌方向平均值）；相對定標(biāo)精度優(yōu)于1%；在太陽高度角70°、地面反射率0.3條件下，各譜段信噪比優(yōu)于41dB；多光譜相機無控制點平面定位精度優(yōu)于10m。通過河北安平人工靶標(biāo)場的測試，譜段間配準(zhǔn)精度達到0.1像元。[8]

根據(jù)在軌測試與評價的結(jié)果，“資源三號”衛(wèi)星多光譜相機內(nèi)方位元素保持高精度穩(wěn)定，各項功能與性能指標(biāo)全面滿足或優(yōu)于用戶要求，獲取的高品質(zhì)多光譜影像對于提高我國國土資源調(diào)查與監(jiān)測的數(shù)據(jù)保障能力，推動地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要意義。

（References）

[1] Laubier D，Albouys V，Berthon J，et al.Feasibility Demonstration of a High Performance Compact Telescope[J].Acta Astronautica，2000，（46）2：279-286.

[2] GEYL Roland.Design and Fabrication of a Three Mirror Flat Anastigmat for High Resolution Earth Observation[C].SPIE，1994，2210：739.

[3] Egdall I M.Manufacture of a Three-mirror Wide-field Optical System[J].Opt.Eng.，1985，24（2）：285.

[4] Figoski J W.Design and Tolerance Specification of a Wide-field，Three-mirror，Unobscured，High-resolution Sensor[C].SPIE Proc，1989，1049.

[5] Bret-Dibat T，Albouys V，Berthon J，et al.Tests of a High Resolution Three Mirrors Anastigmat Telescope[C].SPIE，1999，3870：269-280.

[6] Figoski J W，Shrode T E，Moore G F.Computer-aided Alignment of a Wide-field，Three-mirror，Unobscured，High-resolution Sensor，Recent Trends in Optical Systems Design II[C].SPIE Proc.1989，1049：166-177.

[7] Smith W S，et.al.Interferometric Alignment of Multi-element Optical Systems[C].Proc.SPIE，1980，251：5.

[8] “資源三號”衛(wèi)星在軌測試技術(shù)總結(jié)報告[R].北京：國家測繪地理信息局，2012.Report of In-orbit Test Technology of ZY-3 Satellite[R].Beijing：National Administration of Surveying，Mapping and Geo-information，2012.（in Chinese）