國外靜止軌道大口徑反射成像技術(shù)發(fā)展綜述

劉韜

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

國外靜止軌道大口徑反射成像技術(shù)發(fā)展綜述

劉韜

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

地球靜止軌道米級分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星是構(gòu)成高、中、低軌偵察監(jiān)視體系的重要部分，其特有的區(qū)域持續(xù)監(jiān)視能力和動態(tài)目標(biāo)跟蹤能力有廣闊的應(yīng)用需求，各航天強國都在大力發(fā)展靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星，高軌大口徑反射成像技術(shù)已成為近年來的研發(fā)重點，包括大口徑單體反射成像技術(shù)、空間分塊可展開成像技術(shù)等。文章對上述技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了綜述，特別對國際上大口徑單體反射成像系統(tǒng)的相機光學(xué)設(shè)計、探測器設(shè)計和電子學(xué)設(shè)計基本情況進(jìn)行了研究；并從國際上近年發(fā)展經(jīng)驗，梳理出自適應(yīng)光學(xué)是實現(xiàn)用于對地觀測的空間分塊可展開成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

大口徑反射鏡 分塊可展開鏡 地球靜止軌道 航天遙感

0 引言

地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）光學(xué)成像衛(wèi)星監(jiān)視范圍廣、時間分辨率高，并具備極快的響應(yīng)能力。國外正在發(fā)展的GEO高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星（以下簡稱GEO高分衛(wèi)星）可對拍攝區(qū)域內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)成像，甚至視頻監(jiān)視，并具備動態(tài)目標(biāo)探測能力。此外，GEO高分衛(wèi)星圖像定位精度約為200m，展示出動態(tài)目標(biāo)指示的潛力。GEO高分衛(wèi)星從指令下達(dá)到圖像交付只需2～15min，響應(yīng)速度甚至超過低軌快響衛(wèi)星。目前，美國GEO高分衛(wèi)星向1m分辨率發(fā)展，力圖實現(xiàn)對導(dǎo)彈發(fā)射車等地面目標(biāo)和海洋艦船等高價值動目標(biāo)的跟蹤。歐洲GEO高分衛(wèi)星向3m分辨率發(fā)展，力圖實時監(jiān)視海上目標(biāo)。

隨著航天遙感成像技術(shù)的發(fā)展，美、歐相繼提出構(gòu)建具有抗毀能力的航天成像偵察監(jiān)視體系的理念。與低軌衛(wèi)星相比，GEO衛(wèi)星難以被反衛(wèi)星武器摧毀，在GEO部署衛(wèi)星是美國2013年提出的分散式軍事航天體系中多軌道分散的重要方式[1]。歐洲于2013年提出構(gòu)建高、中、低軌成像偵察監(jiān)視體系[2]，計劃利用 GEO高分衛(wèi)星對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)持續(xù)監(jiān)視，利用中軌衛(wèi)星對區(qū)域進(jìn)行數(shù)十分鐘的監(jiān)視，利用低軌衛(wèi)星進(jìn)行甚高分辨率詳查。按照美、歐發(fā)展計劃，預(yù)計2020～2030年具備GEO軌道1m～3m分辨率監(jiān)視能力[3]。在此需求帶動下，大口徑反射成像技術(shù)、衍射成像技術(shù)和稀疏孔徑成像技術(shù)成為研究熱點。由于技術(shù)復(fù)雜度相對較低，大口徑單體反射鏡成像技術(shù)、空間分塊可展開反射成像技術(shù)成為研究熱點中的熱點[4-9]。

與國外GEO米級分辨率成像技術(shù)相比，中國差距較大，2015年底發(fā)射的“高分四號”GEO成像衛(wèi)星[10]，分辨率僅為50m。因此，有必要對國外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 國外高軌大口徑反射成像技術(shù)的發(fā)展

靜止軌道高度為低軌的數(shù)十倍，為了在 GEO實現(xiàn)米級分辨率，必須增大成像系統(tǒng)口徑，進(jìn)而提高系統(tǒng)的角分辨率。據(jù)測算，要在GEO實現(xiàn)1m分辨率，成像系統(tǒng)口徑需達(dá)到13m[11]，這一尺寸已超過現(xiàn)有運載火箭整流罩尺寸。歐洲技術(shù)能力遜于美國，以大口徑單體反射鏡成像技術(shù)作為發(fā)展重點，而美國將空間分塊可展開等成像技術(shù)作為研發(fā)重點。

圖1為成像系統(tǒng)體制復(fù)雜度與等效口徑關(guān)系[5]。與單體反射鏡成像相比，空間分開可展開成像技術(shù)及其工程實現(xiàn)都更為復(fù)雜，但可實現(xiàn)更大口徑，在未來的高軌高分辨率光學(xué)成像技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。采用該技術(shù)的“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”（JWST）項目已經(jīng)進(jìn)入工程研制階段。同屬反射成像技術(shù)的在軌裝配成像技術(shù)處于復(fù)雜度更高區(qū)間，目前僅處于概念論證階段，本文將不介紹其發(fā)展情況。表1給出了各種GEO高分辨率光學(xué)成像技術(shù)的優(yōu)勢、問題和國外相關(guān)研究項目名稱。

圖1 成像系統(tǒng)體制復(fù)雜度與等效口徑關(guān)系Fig.1 Relationship between complexity of imaging system architectures and effective diameters

表1 靜止軌道高分辨率光學(xué)成像技術(shù)對比和相關(guān)項目發(fā)展Tab.1 Comparison of GEO high resolution optical imaging technology and development of projects

1.1大口徑單體反射鏡成像技術(shù)

大口徑單體反射鏡成像技術(shù)難度最低，發(fā)展較為成熟，但缺點是反射鏡口徑不能超過運載火箭整流罩尺寸，從而限制了相機焦距的增加，最終限制了GEO衛(wèi)星星下點分辨率。

美國在該技術(shù)上已經(jīng)通過口徑約3m的“鎖眼-12”光學(xué)成像偵察衛(wèi)星和口徑2.4m的哈勃望遠(yuǎn)鏡項目積累了豐富經(jīng)驗，因此更加關(guān)注空間分塊可展開等新技術(shù)的攻關(guān)。鑒于技術(shù)水平限制，歐洲近期仍采用大口徑單體反射鏡成像技術(shù)發(fā)展GEO高分衛(wèi)星。本節(jié)主要介紹歐洲的相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

（1）“靜止軌道—眼睛”衛(wèi)星

阿斯特里姆（Astrium）公司于2009年完成了10.5m空間分辨率的“靜止軌道-眼睛”（GEO-oculus）衛(wèi)星的方案論證工作[11-14]。該衛(wèi)星的空間相機主鏡采用碳化硅（SiC）制造，口徑為1.5m，采用與ESA在研的“大氣動力學(xué)-風(fēng)神”衛(wèi)星（Atmospheric Dynamics Mission-aeolus，ADM-aeolus）激光遙感器主鏡相似技術(shù)。全色通道成像光路基于Korsch結(jié)構(gòu)，由主鏡、次鏡、三鏡和平面折轉(zhuǎn)鏡組成。而其他通道的成像光路是基于主鏡和次鏡組成的Cassegrain結(jié)構(gòu)，通過在主鏡背部后的光路中增加分光鏡，可以將其他多譜段通道分離開（如圖2所示）。除全色探測器外，其他多譜段探測器前都有一個濾光輪（共4個），用于細(xì)分光譜。

圖2 GEO-oculus相機光路圖Fig.2 Optical configuration of GEO-Oculus payload

GEO-oculus相機有 1個全色焦平面和 4個多光譜焦平面，多光譜譜段分別是紫外-藍(lán)（0.318～0.555μm）、紅-近紅外（0.655～1.040μm）、短波紅外-中波紅外（1.375～3.7μm）和遠(yuǎn)紅外（10.850～12.000μm）[12]。全色譜段星下點地面采樣距離（GSD）為 10.5m，衛(wèi)星側(cè)擺對北緯 52.5°時，GSD下降到21m（也就是對歐洲地區(qū)的分辨率約為21m），視場角為0.25°×0.25°，幅寬157km×157km。

GEO-oculus相機紫外-近紅外譜段計劃采用CMOS探測器，CMOS探測器可以覆蓋0.4～0.9μm譜段，但若覆蓋0.318～1.04μm譜段，探測效率不高。因此需要兩個探測器，一個對紫外-藍(lán)譜段，一個用于紅-近紅外譜段。GEO-oculus相機的全色、紫外-藍(lán)和紅-近紅外焦平面CMOS探測器陣列分為4個可獨立運行的子塊，如果出現(xiàn)故障，不會相互影響。4塊2.5×107像元的CMOS進(jìn)行拼接，實現(xiàn)1×108像元的大尺寸CMOS，每片CMOS均有16個2×107像元/s的視頻輸出端口。

圖3 紫外可見光近紅外CMOS探測器（左）和短波中波紅外HgCdTe探測器（右）Fig.3 UV-VNIR CMOS detector (left) and SWIR/MWIR HgCdTe detector (right)

表2 探測器參數(shù)Tab.2 Detector parameters

GEO-oculus的中波紅外探測器最終選擇由HgCdTe制造，可以滿足1.3～3.7μm的探測譜段要求。該探測器像面總尺寸為30mm×30mm（通過拼接得到）。每個子單元通過4個視頻接口以1×107像元/s的速率輸出，根據(jù)暗電流水平，其工作溫度設(shè)置為130K。

對于熱紅外探測器，同樣選擇QWIP。每個子單元的數(shù)據(jù)通過兩路1×107像元/s的視頻讀出線輸出，探測器所需的工作溫度為50K。

如圖4所示，探測器與鄰近電路模塊（PEM）相連，PEM提供探測器時鐘、偏壓和視頻信號前置放大功能。

圖4 相機電子學(xué)框圖Fig.4 Electronics architecture of the space camera

截止到2013年年底，歐洲在制造10.5m空間分辨率的靜止軌道光學(xué)成像載荷時，仍然遇到CMOS探測器技術(shù)和紅外探測器技術(shù)成熟度低的問題?？梢灶A(yù)見，歐洲必將把CMOS探測器和紅外探測器技術(shù)作為未來的發(fā)展重點。

（2）“靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星

2010年，歐洲將目光放在發(fā)展3m分辨率的“靜止軌道觀測太空監(jiān)視系統(tǒng)”（GO-3S）衛(wèi)星上。Astrium公司于2013年4月完成了GO-3S衛(wèi)星的需求論證工作，目前進(jìn)入初期方案設(shè)計階段，目標(biāo)2020年發(fā)射[15]。

GO-3S衛(wèi)星采用的單體主反射鏡口徑為4m，由碳化硅制造，整個成像系統(tǒng)質(zhì)量1 200kg。星下點空間分辨率達(dá)到 3m，幅寬 100km。衛(wèi)星不但可以拍攝傳統(tǒng)靜態(tài)圖像，還可以提供高分辨率的視頻影像和動目標(biāo)監(jiān)測能力，能夠持續(xù)覆蓋±50°緯度范圍。

GO-3S衛(wèi)星具有 3個視頻工作模式，“突發(fā)”模式是在短時間內(nèi)以較高的幀速率拍攝視頻，用于快速獲取目標(biāo)的速度、方向等瞬時特性；“持續(xù)視頻”模式是在數(shù)分鐘的拍攝時間內(nèi)以較高幀速拍攝視頻，盡管達(dá)不到24幀/s的真正視頻效果，但盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式是以一定時間間隔（如分鐘、小時或天）拍攝視頻，主要用于跟蹤艦船，也可用于獲取海洋環(huán)境的長時間演化特性。

成像系統(tǒng)將基于2009年ESA成功發(fā)射的3.5m口徑“赫歇爾太空望遠(yuǎn)鏡”（Herschel）的相關(guān)技術(shù)，包括大口徑反射鏡材料、鏡坯制造、研磨、拋光、鍍膜和檢測技術(shù)等。但是由于Herschel工作于波長較長的遠(yuǎn)紅外至亞毫米波譜段，而GO-3S衛(wèi)星工作在波長相對短的可見光譜段，因此GO-3S衛(wèi)星成像系統(tǒng)面形精度要求比Herschel嚴(yán)格，目前仍存在技術(shù)困難。

衛(wèi)星采用凝視觀測方式，要求CMOS面陣探測器達(dá)到10億像元。目前，GEO-oculus衛(wèi)星探測器技術(shù)尚需突破，可以看出GO-3S的探測器研制還有很長的路要走。

綜合上述分析，利用單體反射鏡成像技術(shù)實現(xiàn) GEO高分辨率成像的優(yōu)勢是技術(shù)難度相對最低，最大難度在于高面形精度4m口徑反射鏡和面陣探測器的研制。

1.2 空間分塊可展開成像技術(shù)

空間分塊可展開成像技術(shù)利用分塊子鏡拼接為大口徑主鏡，發(fā)射時折疊，入軌后展開。成像系統(tǒng)口徑可突破火箭整流罩尺寸限制，避免加工大口徑鏡片，且加工周期較短。軍用“分塊反射鏡太空望遠(yuǎn)鏡”（SMT）項目和民用JWST項目是該技術(shù)的代表性項目。

（1）“分塊反射鏡太空望遠(yuǎn)鏡”項目

從 21世紀(jì)初期，美軍積極謀劃成像偵察衛(wèi)星裝備的升級換代，計劃用未來成像體系光學(xué)衛(wèi)星（FIA-O）替代KH-12光學(xué)成像衛(wèi)星。負(fù)責(zé)運管成像偵察衛(wèi)星的美國國家偵察局（NRO）在FIA計劃實施期間開展了 SMT項目，研制原理樣機。由于成本超支、進(jìn)度延誤以及關(guān)鍵技術(shù)一時難以解決，不得不于2005年9月取消FIA-O項目。SMT樣機由NRO轉(zhuǎn)交海軍研究院，將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)作為后續(xù)主攻方向之一。

FIA-O項目原理樣機由6個1m口徑的子反射鏡組成3m口徑的主鏡，每塊子反射鏡背后有6個方向控制致動器、3個精控致動器和156個面形控制致動器[16]。成像系統(tǒng)不但使用主動光學(xué)系統(tǒng)用于調(diào)整主鏡面型，還使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，如圖5所示。在光路中增加了基于微電子機械系統(tǒng)制造的變形反射鏡，該鏡可承受1kHz的振動頻率，校正大氣擾動引起的波前像差[17]。

圖5 NRO研發(fā)的SMT望遠(yuǎn)鏡（左）和SMT望遠(yuǎn)鏡光路設(shè)計（右）Fig.5 SMT telescope developed by NRO（left）and optical design of SMT（right）

（2）詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

JWST追溯到1989年美國“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”（Next Generation Space Telescope，NGST）計劃，2002年NGST改名為JWST，JWST作為哈勃的接替型號，受到美國高度重視，NASA將其作為預(yù)算單獨列支的重大專項，總預(yù)算已經(jīng)高達(dá)87億美元，美國通過JWST這一天文項目繼續(xù)發(fā)展空間分塊可展開成像技術(shù)。

JWST主鏡由18個對角距離為1.52m的六邊形分塊子鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)采用同軸三反設(shè)計，由主鏡、次鏡、三鏡和精密轉(zhuǎn)向鏡（FSM）組成，主鏡面積25m2，等效為口徑6.5m的圓形鏡片，系統(tǒng)焦距為131.4m，F(xiàn)SM提供精確的指向和成像穩(wěn)定度[18]。JWST的示意圖見圖6，總體參數(shù)見表3。

圖6 JWST示意Fig.6 Diagram of JWST

表3 JWST總體參數(shù)Tab.3 Overall parameters of JWST

JWST對于整個光學(xué)系統(tǒng)的波前誤差要求小于131nm (RMS)。

與傳統(tǒng)單體反射鏡不同，JWST的子鏡是由鏡片部分和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的鏡片支撐與校正結(jié)構(gòu)共同組成，這一結(jié)構(gòu)稱為主鏡組件（PMSA），如下圖所示。致動器精確調(diào)整距離為10 μm、調(diào)整步長0.007 7 μm、調(diào)整重復(fù)精確度0.002 μm；粗調(diào)距離21mm，步長0.058 μm[19]。

用于在L2軌道空間觀測的JWST和對地觀測的SMT望遠(yuǎn)鏡最大的區(qū)別是前者不需要頻繁的機動，而后者需要頻繁側(cè)擺機動以觀測不同的地面目標(biāo)，這對SMT光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。此外SMT所處的GEO空間熱環(huán)境比L2軌道復(fù)雜，遮光系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)設(shè)計與JWST不同。

圖7 JWST主鏡組件結(jié)構(gòu)Fig.7 Segmented mirror structure of JWST’s primary mirror

1.3關(guān)鍵技術(shù)

大口徑單體反射鏡成像技術(shù)，利用超低膨脹材料和現(xiàn)代精密機械加工技術(shù)，在增大鏡片口徑的同時，盡量減小鏡片質(zhì)量、降低鏡片的熱彈性變形、提高鏡片剛度以保證鏡片面形精度。研制難度在于大尺寸反射鏡材料的制備、反射鏡面型的研磨和面型精度的保持。

空間分塊可展開成像技術(shù)的主鏡由若干塊小型反射鏡拼接而成，避免了加工大口徑反射鏡的技術(shù)難題，減小了反射鏡材料制備、加工小反射鏡面型保持的難度，但需要復(fù)雜的波前傳感系統(tǒng)進(jìn)行面形精度的實時檢測，在主動光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的控制下完成光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整，同時分塊鏡背后需要致動器實時調(diào)整面形精度以保證拼接的整體效果，還需要變形鏡進(jìn)行波前校正，且變形鏡的致動器設(shè)計更加復(fù)雜。此外，光機結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性要求也很高。

綜上所述，兩種技術(shù)各有難點：大口徑單體反射鏡難點優(yōu)點在于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)繼承性強，缺點是鏡片口徑受限；空間分塊可展開成像系統(tǒng)優(yōu)點在于減小了反射鏡加工難度且反射鏡口徑不受限，缺點是需要攻克諸多新技術(shù)。

2 結(jié)束語

GEO米級分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星在大范圍區(qū)域態(tài)勢感知、各類突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)、區(qū)域重點目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，獲得了國外的高度關(guān)注。GEO米級分辨率成像技術(shù)成為國外光學(xué)成像技術(shù)研發(fā)的重點。建議中國以大口徑單體反射鏡成像技術(shù)為基礎(chǔ)，并密切跟蹤國外空間分塊可展開成像技術(shù)的發(fā)展，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確保跟上世界的發(fā)展腳步。

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An Overview of Development of Foreign Large Aperture Reflection Imaging Technology on Geostationary Orbit

LIU Tao

（Beijing Institute of Space Science and Technology Information, Beijing 100086, China）

Geostationary meter-level resolution imaging satellite is an important part of the surveillance architecture which is composed of high, medium and low earth orbit satellites. Its regional continuous surveillance capability and high value dynamic target tracking capability are needed in a wide range of applications. Driven by the application needs, large aperture reflective imaging technology has become a hot research area in America and Europe in recent years, including large-aperture monolithic mirror imaging technology, segmented mirror and deployable imaging technology, etc. Developments of these technologies are overviewed by this paper. Moreover, camera optical design, detector design, and electronics design of large-aperture monolithic mirror imaging systems are studied. This paper also figures out from recent foreign development experiences that adaptive optics is the key technology to achieve space-based segmented deployable imaging system for earth observation.

large aperture monolithic mirror; segmented deployable mirror; geostationary orbit; space remote sensing

TP732

: A

: 1009-8518(2016)05-0001-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.001

劉韜，男，1982年生，2011年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)光學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，工程師，研究方向為國外大口徑光學(xué)成像系統(tǒng)。E-mail：ittaotao@yeah.net。

（編輯：毛建杰）

2016-05-05