“高分二號”衛(wèi)星高分辨率相機(jī)技術(shù)創(chuàng)新及啟示

楊秉新 曹東晶

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100190）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（民用部分）”的重要項目，于2014年8月19日發(fā)射成功。衛(wèi)星上裝載有北京空間機(jī)電研究所自主研發(fā)的兩臺高分辨率輕小型相機(jī)，相機(jī)全色譜段（PAN）分辨率為0.8m，多光譜譜段（MS）分辨率為3.2m，兩臺相機(jī)拼接后的幅寬為45.7km。目前衛(wèi)星已完成在軌測試，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，并已交付使用。這標(biāo)志著我國民用遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米“高分時代”。圖1為GF-2衛(wèi)星相機(jī)拍攝的北京和上海影像。

圖1 GF-2衛(wèi)星相機(jī)拍攝的影像Fig. 1 The images captured by GF-2 satellite camera

隨著衛(wèi)星相機(jī)分辨率的提高，相機(jī)的焦距增長、口徑增大，研制難度和成本增加，費效比問題更加突出。按傳統(tǒng)設(shè)計，相機(jī)靜態(tài)傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）需要達(dá)到0.2。經(jīng)計算，GF-2衛(wèi)星相機(jī)口徑（D）需要達(dá)到0.78m才可能滿足分辨率及MTF=0.2的要求。在衛(wèi)星平臺對相機(jī)體積和質(zhì)量的嚴(yán)格限制下，該相機(jī)的研制面臨較大的技術(shù)難度和較長的周期。為實現(xiàn)相機(jī)的高分辨率并滿足衛(wèi)星平臺的約束條件，GF-2衛(wèi)星相機(jī)進(jìn)行了多項技術(shù)創(chuàng)新，為我國高分辨率衛(wèi)星相機(jī)研發(fā)探索了新的技術(shù)途徑。

本文將重點介紹 GF-2衛(wèi)星相機(jī)在總體方案、光學(xué)系統(tǒng)、光機(jī)結(jié)構(gòu)、高速低噪聲電子學(xué)線路、精密熱控、重力卸載裝調(diào)等方面的技術(shù)創(chuàng)新及由該相機(jī)的研制得到的啟示。

1 衛(wèi)星相機(jī)概述

1.1 相機(jī)主要參數(shù)

GF-2衛(wèi)星相機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 相機(jī)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the camera

1.2 相機(jī)特點

GF-2衛(wèi)星相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)采用折疊式Korsch系統(tǒng)，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、幾何精度穩(wěn)定。利用新材料及輕量化技術(shù)實現(xiàn)光機(jī)結(jié)構(gòu)的輕型化，單臺相機(jī)鏡頭質(zhì)量為150kg。相機(jī)與衛(wèi)星平臺采用一體化設(shè)計，星敏感器安裝在相機(jī)的光機(jī)主體結(jié)構(gòu)上，減少了中間環(huán)節(jié)，有利于提高衛(wèi)星定位精度。相機(jī)與衛(wèi)星一體化仿真圖如圖2所示。在動力學(xué)耦合分析基礎(chǔ)上，相機(jī)與衛(wèi)星平臺的支撐采用了隔振及隔熱的卸載支架，減小了環(huán)境對相機(jī)成像品質(zhì)的影響。采用“間接輻射熱控”方法實現(xiàn)精密熱控，鏡頭溫度水平在軌全周期優(yōu)于（20±0.3）℃，徑向溫度差優(yōu)于0.2℃。

圖2 相機(jī)與衛(wèi)星一體化仿真圖Fig. 2 Simulation map of satellite and cameras

1.3 主要性能比較

美國從20世紀(jì)末至今三代民用衛(wèi)星相機(jī)、法國Pleiades-HR衛(wèi)星相機(jī)以及GF-2相機(jī)的主要性能對比見表2。從表中可以看出：中國GF-2衛(wèi)星相機(jī)分辨率與美國第一代IKONOS-2相機(jī)和法國Pleiades-HR相機(jī)水平相當(dāng)，但與美國第二、三代的衛(wèi)星相機(jī)還有較大的差距；GF-2衛(wèi)星相機(jī)的幅寬優(yōu)于美國和法國衛(wèi)星相機(jī)。

表2 相機(jī)主要性能比較Tab. 2 Comparison of camera main performances

2 相機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

2.1 總體優(yōu)化選取相機(jī)的F數(shù)

通過星地一體化設(shè)計，確定相機(jī)采用適中的MTF和高的信噪比（SNR）[1]，通過地面圖像處理進(jìn)行像質(zhì)復(fù)原與提升，實現(xiàn)相機(jī)高分辨率和高圖像品質(zhì)

GF-2衛(wèi)星相機(jī)在國內(nèi)首次采用λF/P（λ為中心波長，F(xiàn)為鏡頭F數(shù)，P為CCD器件像元尺寸）接近1的設(shè)計理念[2]，優(yōu)選相機(jī)的F數(shù)。在λF/P=1時，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的截止頻與CCD采樣頻率相等，圖像混疊將減少。取λ=0.65μm（相機(jī)的平均波長），P=10μm時，經(jīng)計算，當(dāng)滿足λF/P=1的條件時，F(xiàn)=15，鏡頭全色譜段在fN（Nyquist）頻率處的MTF=0.12。若按傳統(tǒng)設(shè)計理念，全色譜段要求fN處MTF =0.2，計算得到F=10。表3列出了利用傳統(tǒng)理念和λF/P=1理念計算得到的相機(jī)參數(shù)。由表3可以看出，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計，相機(jī)口徑減小了32%，這樣，相機(jī)的質(zhì)量將大幅減小。

表3 傳統(tǒng)理念和λF/P=1理念計算得到的相機(jī)參數(shù)Fig. 3 Camera parameters with traditional concept and λF/P=1 concept

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，在λF/P=1條件下，相機(jī)的MTF有所下降。圖3為λF/P、MTF和混疊信息的關(guān)系。由圖3可知，適當(dāng)?shù)臏p小MTF，可減小圖像的混疊；λF/P越小，相機(jī)的MTF越高，混疊面積越大，混疊也越嚴(yán)重，圖像噪聲增加[3]。

為了提高全色譜段靜態(tài) MTF=0.12時的圖像品質(zhì)，可以通過地面圖像傳遞函數(shù)補償（modulation transfer function compensation，MTFC）技術(shù)提高圖像MTF。全鏈路成像仿真分析的結(jié)論表明：采用MTFC新方法，在提高M(jìn)TF時，圖像噪聲增加很?。划?dāng)光學(xué)系統(tǒng)取F=15、全色譜段的靜態(tài)MTF=0.12時，原始圖像經(jīng)過MTFC處理后，MTF可達(dá)到0.2；經(jīng)過MTFC處理的圖像邊緣更清晰，有利目視判讀，目視圖像噪聲無變化。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 λF/P、MTF和混疊信息的關(guān)系Fig. 3 Relationship between λF/P, MTF and aliasing information

圖4 相機(jī)光學(xué)系統(tǒng) Fig. 4 Optical system of the camera

根據(jù)上述設(shè)計理念，設(shè)計時相機(jī)全譜段的靜態(tài) MTF=0.12（fN=50對線/mm），F(xiàn)=15，相機(jī)在實驗室測試時靜態(tài)MTF接近0.15，與法國Pleiades-HR相機(jī)靜態(tài)MTF=0.13（fN=38.5對線/mm）相當(dāng)。衛(wèi)星在軌測試時，相機(jī)動態(tài)MTF全色譜段在fN處，沿軌道方向為0.097 3，垂直軌道方向為0.109 1，平均約0.1，經(jīng)過MTFC處理后圖像良好，滿足設(shè)計要求。

2.2 光學(xué)優(yōu)化設(shè)計擴(kuò)大視場角

GF-2衛(wèi)星相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)采用Korsch系統(tǒng)，長度為1 000mm，寬550mm，高800 mm，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。光學(xué)系統(tǒng)的視場角達(dá)到2.1°，擴(kuò)大了橫向幅寬，并超過了美國和法國同類相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的視場角。

2.3 光機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機(jī)的鏡筒首次采用陶瓷基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymers，CFRP）。表4列出了航天相機(jī)常用結(jié)構(gòu)材料Invar、TC4、ZTC4和CFRP材料的主要性能參數(shù)，由表4可以看出，CFRP性能優(yōu)異、穩(wěn)定性高，可以保證主鏡和次鏡的力學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

表4 幾種材料的性能參數(shù)Tab. 4 Performance parameters of several materials

GF-2衛(wèi)星相機(jī)首次采用整體柔性阻尼技術(shù)，通過三組BiPod阻尼支撐桿實現(xiàn)相機(jī)與衛(wèi)星平臺在三個支撐上連接，解決了在軌衛(wèi)星平臺連接面熱變形對相機(jī)的影響，隔振頻率為30Hz。在這種情況下，支撐桁架頻點處加速度響應(yīng)放大率小于 3，隨機(jī)均方根加速度在三個方向上分別衰減至原來的 36%、35%、82%，為光機(jī)主體提供了良好的動力學(xué)環(huán)境。另外，次鏡正弦加速度響應(yīng)放大為18.4倍（無阻尼措施仿真結(jié)果為52倍），隨機(jī)均方根加速度放大僅1.89倍。

經(jīng)試驗驗證，該支撐結(jié)構(gòu)對頻率大于100Hz的微振動有良好隔振效果，可減少微振動對像質(zhì)的影響，并減少衛(wèi)星主動段振動對相機(jī)的影響，提高相機(jī)的可靠性。

2.4 高速低噪聲電子學(xué)線路創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機(jī)首次采用2Gbit/s的高速數(shù)傳接口，保證海量遙感數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。另外，該相機(jī)還采用電源濾波、阻尼匹配、優(yōu)化布局等措施將視頻電子學(xué)焦平面的噪聲降至 1mV（RMS），使相機(jī)最大信噪比達(dá)到了316。

2.5 高精度熱控創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機(jī)采用“間接輻射熱控”方法來實現(xiàn)鏡頭溫度水平優(yōu)于(20±0.3)℃，徑向溫度差優(yōu)于±0.2℃。這一數(shù)據(jù)是我國目前在軌運行相機(jī)的最高水平。為確保良好圖像品質(zhì)，GF-2衛(wèi)星相機(jī)還采用新型槽道熱管和補償加熱技術(shù)，將TDICCD溫度范圍穩(wěn)定維持在±2℃，有效抑制了電路噪聲，確保焦平面的幾何尺寸穩(wěn)定。

2.6 重力卸載裝調(diào)

在 GF-2衛(wèi)星相機(jī)的裝調(diào)中，首次采用吊索配重解決水平裝調(diào)檢測的重力卸載難題，在地面近似模擬相機(jī)失重工作狀態(tài)，確保在軌圖像品質(zhì)。

3 啟示

GF-2衛(wèi)星相機(jī)研制成功，取得了多項創(chuàng)新成果，為我國高分辨率相機(jī)研發(fā)探索了新的技術(shù)途徑，有以下主要啟示：

（1）采用λF/P≥1設(shè)計參數(shù)優(yōu)化相機(jī)設(shè)計是可行的

相機(jī)采用小相對孔徑（大F數(shù)）、全色譜段靜態(tài)MTF取0.12～0.15（fN處）是合理可行的，這樣設(shè)計出的相機(jī)體積小，質(zhì)量比傳統(tǒng)取MTF=0.2減少約32%，實現(xiàn)了相機(jī)輕小型化和高分辨率，使我國高分辨率對地觀測相機(jī)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

貫徹天地一體化設(shè)計理念和成像鏈路仿真分析優(yōu)化相機(jī)設(shè)計參數(shù)，結(jié)合運用地面MTFC技術(shù)，可以保證圖像品質(zhì)達(dá)到用戶的要求。

（2）提高相機(jī)信噪比，保證圖像品質(zhì)

通過優(yōu)化視頻電子線路，可以實現(xiàn)噪聲1mv（RMS）；通過運用新型槽道熱管對TDICCD散熱，可以進(jìn)一步降低電路的噪聲，提高相機(jī)的信噪比。

（3）高精度熱控是必須的

高分辨率衛(wèi)星相機(jī)采用全反式光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡對溫度波動非常敏感。溫度的波動將影響反射鏡面型精度，降低圖像品質(zhì)，因此必須采用新技術(shù)提高熱控精度，實現(xiàn)鏡頭的高精度熱控，為相機(jī)獲取高質(zhì)量圖像提供可靠保障。

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