地球靜止軌道膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

焦建超 蘇云 王保華 王超 張?jiān)?金建高 （北京空間機(jī)電研究所）

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地球靜止軌道膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

焦建超 蘇云 王保華 王超 張?jiān)?金建高 （北京空間機(jī)電研究所）

地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像可以同時(shí)獲取具有高時(shí)間和高空間分辨率的圖像，可以長(zhǎng)期駐留固定區(qū)域上空，根據(jù)需要快速調(diào)整成像監(jiān)視區(qū)域，進(jìn)行靈活的任務(wù)編排，對(duì)災(zāi)害環(huán)境和熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在較窄的時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)時(shí)效要求高的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和觀測(cè)，可以滿足環(huán)境、資源、氣象、減災(zāi)、應(yīng)急以及軍事等多項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，是航天光學(xué)遙感的重要發(fā)展方向。

1 引言

實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像通常要求光學(xué)系統(tǒng)口徑巨大，尤其對(duì)于具有重大意義的地球靜止軌道1米級(jí)成像，要求光學(xué)系統(tǒng)口徑約20m。如果采用傳統(tǒng)反射式光學(xué)成像系統(tǒng)，將帶來質(zhì)量、公差、尺寸等一系列顛覆性問題。國(guó)外從20世紀(jì)末開始研發(fā)新型光學(xué)成像技術(shù)，以解決巨型口徑光學(xué)成像系統(tǒng)面臨的系列問題，提出的新技術(shù)包括光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)、稀疏孔徑成像技術(shù)以及膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)等。上述三項(xiàng)技術(shù)均涉及到子孔徑或子鏡拼接、對(duì)準(zhǔn)這一關(guān)鍵問題。由于地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)工作于可見光譜段，對(duì)于光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)和稀疏孔徑成像技術(shù)，拼接、對(duì)準(zhǔn)精度要求高，工程實(shí)現(xiàn)難度極大。而膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)是以薄膜基底衍射光學(xué)元件作為光學(xué)成像系統(tǒng)主鏡的一種新型成像技術(shù)，具有公差寬松的突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有質(zhì)量超輕、大折疊比的特點(diǎn)，為解決地球靜止軌道1m分辨率對(duì)地觀測(cè)問題提供了一種新途徑。由于膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力，已成為目前光學(xué)遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 國(guó)外發(fā)展情況

衍射光學(xué)成像技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)巨型口徑光學(xué)成像系統(tǒng)的一種可行技術(shù)途徑，國(guó)外多個(gè)國(guó)家已針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)開展研究，包括美國(guó)、日本、英國(guó)以及法國(guó)。其中，美國(guó)自1996年前后開始開展基于衍射光學(xué)的高分辨率對(duì)地成像技術(shù)研究，通過實(shí)施“眼鏡”（Eyeglass）計(jì)劃和“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”（MOIRE）計(jì)劃，快速推動(dòng)了技術(shù)發(fā)展。

“眼鏡”計(jì)劃

1996年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）提出利用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)大口徑空間光學(xué)系統(tǒng)。1997年，實(shí)驗(yàn)室從高分辨率對(duì)地觀測(cè)、大型激光武器以及天文觀測(cè)等方面的應(yīng)用需求出發(fā)，提出“眼鏡”計(jì)劃，利用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)口徑大于25m的空間望遠(yuǎn)鏡，解決傳統(tǒng)大口徑光學(xué)系統(tǒng)受光學(xué)精度和發(fā)射條件制約的問題，并針對(duì)這一計(jì)劃開展了概念研究工作。

至2002年，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了膜基衍射光學(xué)元件加工方法、寬譜段色差校正方法、拼接衍射光學(xué)元件成像性能以及折疊展開方案的驗(yàn)證工作。但是由于當(dāng)時(shí)微細(xì)加工水平較低，采用濕法刻蝕工藝，導(dǎo)致所研制的200mm口徑原理樣機(jī)長(zhǎng)度大于20m，實(shí)際應(yīng)用受限。在此后幾年重點(diǎn)開展了微細(xì)加工技術(shù)攻關(guān)。

折疊展開試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

800mm口徑拼接衍射光學(xué)主鏡示意圖

獵鷹衛(wèi)星-7計(jì)劃

美國(guó)空軍學(xué)院（USAFA）從2010年開始研制薄膜衍射空間望遠(yuǎn)鏡，即獵鷹衛(wèi)星-7（FalconSat-7）微衛(wèi)星計(jì)劃，原計(jì)劃2013年發(fā)射，目前推遲，具體時(shí)間未定。獵鷹衛(wèi)星-7采用波音公司為美國(guó)國(guó)家偵察局制造的殖民地-2（Colony-2）3U立方體衛(wèi)星為平臺(tái)，尺寸約為30cm×10cm×10cm，搭載一臺(tái)口徑20cm、焦距為1m的“光子篩”薄膜衍射望遠(yuǎn)鏡，工作波長(zhǎng)為656.28nm，質(zhì)量低于5kg。該系統(tǒng)為單波長(zhǎng)系統(tǒng)，主要用于太陽觀測(cè)。

“光子篩”是近10年發(fā)展起來的一種新型衍射光學(xué)成像器件，同樣是實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)成像的一種方式，由于其加工難度較菲涅耳波帶片類型的衍射光學(xué)元件低很多，因此得到了一定的關(guān)注。但是其衍射效率較低，在目前對(duì)地光學(xué)遙感應(yīng)用的項(xiàng)目研究中主要采用菲涅耳類型的衍射光學(xué)元件。

獵鷹衛(wèi)星-7微衛(wèi)星搭載的“光子篩”成像系統(tǒng)示意圖

美國(guó)空軍學(xué)院研制的“光子篩”（左圖為實(shí)物；右圖為測(cè)試結(jié)果示意圖）

米級(jí)膜基衍射光學(xué)元件示意圖

5m口徑地面樣機(jī)的1/8部分示意圖

“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”計(jì)劃

2010年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”計(jì)劃，繼承勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“眼鏡”計(jì)劃，正式開始地球靜止軌道膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)研究。由于膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，鮑爾宇航公司牽頭并聯(lián)合多家單位共同開展研究。其中，鮑爾宇航公司負(fù)責(zé)總體研究，包括整機(jī)結(jié)構(gòu)、在軌控制等技術(shù)研究；NeXolve負(fù)責(zé)低熱膨脹系數(shù)聚酰亞胺薄膜材料技術(shù)研究；勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)膜基衍射光學(xué)元件加工；軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（簡(jiǎn)稱軌道-ATK公司）負(fù)責(zé)折疊與展開技術(shù)攻關(guān)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”計(jì)劃的設(shè)計(jì)指標(biāo)：①光學(xué)系統(tǒng)口徑20m；②地面分辨率1m；③數(shù)據(jù)更新率1Hz；④成像面積100km2；⑤圖像質(zhì)量NIIRS 3.5+（即地面分辨率優(yōu)于1m）。

該項(xiàng)目研究分3個(gè)階段，已經(jīng)完成系統(tǒng)概念研究、米級(jí)膜基衍射光學(xué)元件研制與測(cè)試以及5m口徑地面樣機(jī)成像試驗(yàn)，目前正在開展10m口徑飛行試驗(yàn)產(chǎn)品研制工作。經(jīng)過4年的研究，將相關(guān)技術(shù)的成熟度從1級(jí)提升至3～5級(jí)。

美國(guó)在膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)

（1）項(xiàng)目組織形式多元化

利用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)大口徑空間光學(xué)系統(tǒng)是由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在1996年提出并開展研究的，由于該實(shí)驗(yàn)室具有較強(qiáng)的微細(xì)加工能力，在衍射光學(xué)元件加工、拼接衍射光學(xué)元件試驗(yàn)等方面取得了一定研究成果。然而由于該系統(tǒng)涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)室獨(dú)自開展研究工作，只涉及到光學(xué)和微細(xì)加工領(lǐng)域，無法覆蓋所有關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。并且缺乏任務(wù)總體規(guī)劃，組織形式單一，2003-2010年，該項(xiàng)目并未取得突破進(jìn)展，仍然停留在衍射光學(xué)元件加工層面。

2010年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”計(jì)劃，從頂層規(guī)劃了地球靜止軌道膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展。由于膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，因此，由鮑爾宇航公司牽頭并聯(lián)合多家單位共同開展研究，各家單位專注于自身優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域開展相關(guān)技術(shù)的深入攻關(guān)，使該項(xiàng)目得到快速推進(jìn)。其中，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室只承擔(dān)膜基衍射光學(xué)元件研制工作，集中力量開展加工技術(shù)攻關(guān)，2年內(nèi)就取得關(guān)鍵突破。目前該項(xiàng)目經(jīng)過4年攻關(guān)，已完成系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，正在開展飛行試驗(yàn)產(chǎn)品研制。對(duì)于涉及多領(lǐng)域的地球靜止軌道膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)研究，多元的項(xiàng)目組織形式可以快速推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

（2）系統(tǒng)單平臺(tái)化

衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的長(zhǎng)度，主要取決于衍射光學(xué)主鏡的焦距長(zhǎng)短，同衍射光學(xué)元件的加工能力直接相關(guān)。基于當(dāng)時(shí)所采用的濕法刻蝕加工工藝，最初由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的“眼鏡”計(jì)劃中的系統(tǒng)長(zhǎng)度約2～3km，因此需要采用雙平臺(tái)構(gòu)型方案。這種構(gòu)型方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)長(zhǎng)、主鏡研制難度低、編隊(duì)飛行。

上述雙平臺(tái)方案需要采用編隊(duì)飛行策略，實(shí)現(xiàn)難度較大。2010年，干法刻蝕加工工藝的發(fā)展使得最小環(huán)帶寬度的加工水平大幅提高，可以在一定程度上縮短衍射光學(xué)主鏡焦距。因此，“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”項(xiàng)目在前期“眼鏡”項(xiàng)目研究基礎(chǔ)上提出了單平臺(tái)構(gòu)型方案，該方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)短、主鏡研制難度大、雙平臺(tái)桁架支撐。

系統(tǒng)長(zhǎng)度縮短，采用桁架結(jié)構(gòu)支撐，無需編隊(duì)飛行，實(shí)現(xiàn)難度大幅降低，并且系統(tǒng)可單次發(fā)射入軌。膜基衍射光學(xué)主鏡采用干法刻蝕加工工藝，提升了主鏡研制水平。相比于雙平臺(tái)構(gòu)型方案，單平臺(tái)系統(tǒng)更具可行性。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局先期開展的“光子篩”系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖

（3）衍射主鏡發(fā)展成菲涅爾形式

2009年，在“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”項(xiàng)目立項(xiàng)階段，曾采用振幅型光子篩形式衍射光學(xué)元件開展技術(shù)驗(yàn)證，但衍射效率只有0.35%，理論衍射效率約16%，而相位型光子篩的理論衍射效率會(huì)有所提升，但同樣難以滿足應(yīng)用需求。

2010年，由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加工并測(cè)試了口徑800mm的離軸圓環(huán)非拼接菲涅爾形式的衍射光學(xué)元件，臺(tái)階級(jí)數(shù)為2級(jí)，衍射效率達(dá)到35%，如果提高加工工藝水平，衍射效率還可以得到大幅提升。因此，隨著微細(xì)加工水平的提升，未來將采用菲涅爾形式的衍射光學(xué)元件作為地球靜止軌道1m分辨率膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)主鏡。

（4）衍射微結(jié)構(gòu)多臺(tái)階化

“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”項(xiàng)目在2012年加工了2臺(tái)階微結(jié)構(gòu)的膜基衍射光學(xué)元件，衍射效率達(dá)到33%，但是聚焦能量相對(duì)較低，仍然達(dá)不到NIIRS 3.5的成像質(zhì)量要求。并且會(huì)產(chǎn)生較大的背景光，影響成像質(zhì)量。

通過改進(jìn)加工工藝，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2014年成功在4μm寬度上上加工了4臺(tái)階微結(jié)構(gòu)，最小加工線寬1μm，使衍射效率提升至約60%，滿足了成像要求。并且使衍射光學(xué)主鏡F數(shù)降低至3.2，大大縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度。

由此分析，膜基衍射光學(xué)元件單個(gè)周期上加工的臺(tái)階微結(jié)構(gòu)數(shù)越多，衍射效率越高，并且至少要加工4臺(tái)階微結(jié)構(gòu)，才能使其衍射效率滿足成像要求。隨著微細(xì)加工水平的提升，多臺(tái)階化是膜基衍射光學(xué)元件的發(fā)展趨勢(shì)。

（5）膜基衍射光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)圓形化

“薄膜光學(xué)成像器實(shí)時(shí)開發(fā)”項(xiàng)目在2012年采用梯形薄膜支撐結(jié)構(gòu)開展試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試，由于結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致膜基衍射光學(xué)元件表面受力不均，對(duì)面形影響很大。

2014年，通過仿真分析，改用圓環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)，消除表面受力不均的影響，大大提升了膜基衍射光學(xué)元件面形精度。

由于膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)的巨大應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)多家單位開展了研究，研究重點(diǎn)主要是膜基衍射光學(xué)元件加工技術(shù)，目前已有相關(guān)成果。但是在空間光學(xué)級(jí)薄膜材料、微細(xì)加工工藝、系統(tǒng)集成測(cè)試等方面仍與國(guó)外有較大差距。在這些領(lǐng)域，可以充分借鑒國(guó)外發(fā)展思路及研究成果，推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。

4臺(tái)階膜基衍射光學(xué)元件示意圖

10m飛行試驗(yàn)樣機(jī)部分組件示意圖

3 膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)

膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)是基于衍射光學(xué)成像技術(shù)原理，以平面形膜基衍射光學(xué)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)透射或反射式光學(xué)元件，作為巨型口徑光學(xué)成像系統(tǒng)主鏡的新型光學(xué)成像系統(tǒng)。

衍射光學(xué)元件具有獨(dú)特的色散特點(diǎn)，色散只與波長(zhǎng)有關(guān)，工作譜段越寬，色散距離就越大，這是與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)之間存在的最大不同，也是導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大幅增加的關(guān)鍵。系統(tǒng)必須具備寬譜段色差校正功能，才能滿足成像要求。

膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)組成主要包括膜基衍射光學(xué)主鏡、后端成像子系統(tǒng)以及探測(cè)子系統(tǒng)，各部分功能為：

1）膜基衍射光學(xué)主鏡為拼接巨型口徑（≥20m）膜基衍射光學(xué)元件，作用是收集并會(huì)聚光線。

2）后端成像子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)寬譜段色差校正及再成像功能。其中，中繼模塊為傳統(tǒng)透鏡/反射鏡組，作用是將主鏡收集的光線重新聚焦于校正鏡表面的相應(yīng)點(diǎn)；校正模塊為小口徑衍射光學(xué)元件，作用是消除主鏡的色散，使成像系統(tǒng)具有較寬的光譜范圍；聚焦模塊為傳統(tǒng)透鏡/反射鏡組，作用是將經(jīng)過色差校正后的光線重新聚焦成像。

3）探測(cè)子系統(tǒng)的作用是光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

由于這種巨型口徑光學(xué)成像系統(tǒng)的主鏡采用平面薄膜衍射光學(xué)元件，將帶來一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有能夠解決地球靜止軌道1m分辨率成像系統(tǒng)研制遇到的顛覆性問題的潛力，主要體現(xiàn)在：

1）采用平面薄膜基底，實(shí)現(xiàn)超低面密度。膜基衍射光學(xué)主鏡可加工在厚度小于50μm的薄膜基底上，面密度小于0.05kg/m2，從而極大降低系統(tǒng)質(zhì)量。

2）面形公差寬松。相比反射式系統(tǒng)，衍射光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)公差要求更寬松。例如對(duì)于F#=8的系統(tǒng)，衍射主鏡面形公差是反射式系統(tǒng)約1000倍，將傳統(tǒng)反射式系統(tǒng)10～20nm的面形精度要求降低到10～20μm。

3）易實(shí)現(xiàn)巨型口徑。膜基衍射光學(xué)主鏡可以分塊加工，易拼接形成巨型口徑（≥20m），且拼接精度要求較低，同時(shí)可采用地面收攏、在軌展開方式滿足發(fā)射運(yùn)載包絡(luò)要求。

4 膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

面向地球靜止軌道1m分辨率對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用的膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，由于受衍射光學(xué)成像原理、薄膜材料、大型剛?cè)狁詈峡臻g結(jié)構(gòu)等問題制約，要實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道應(yīng)用，需要針對(duì)多個(gè)領(lǐng)域的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，主要包括以下幾個(gè)方面。

膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)總體技術(shù)

地球靜止軌道1m分辨率膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)作為大型空間設(shè)施，系統(tǒng)復(fù)雜度高，需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)以解決構(gòu)型選擇、資源能源分配、對(duì)地觀測(cè)策略等問題，指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，需要開展載荷-平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)攻關(guān)，以滿足巨型口徑膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的在軌應(yīng)用。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，梳理對(duì)各分系統(tǒng)的需求，建立指標(biāo)需求體系，指導(dǎo)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

此外，由于衍射光學(xué)元件的特殊色散特點(diǎn)，突破具有寬譜段色差校正能力的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵問題。

膜基衍射光學(xué)主鏡技術(shù)

主要包括空間光學(xué)級(jí)薄膜材料及薄膜制備、衍射微結(jié)構(gòu)加工、主鏡折疊展開與在軌調(diào)整三個(gè)方面。

1）用于光學(xué)成像的膜基衍射光學(xué)元件基底材料，必須能夠克服發(fā)射環(huán)境、地球靜止軌道輻照環(huán)境、地球靜止軌道熱環(huán)境等的影響，需要在材料的工作譜段、透過率、厚度均勻性、表面光潔度、雙折射率、熱膨脹系數(shù)、空間環(huán)境耐受性、力學(xué)強(qiáng)度等多項(xiàng)性能指標(biāo)上進(jìn)行提升。

2）衍射微結(jié)構(gòu)的加工難易通常與系統(tǒng)長(zhǎng)度、衍射效率有關(guān)，為縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度、提升衍射效率，要求衍射微結(jié)構(gòu)的加工能力達(dá)到亞微米，同時(shí)要滿足大尺寸以及離軸微結(jié)構(gòu)的加工要求。目前加工能力尚不滿足，需要針對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)加工開展攻關(guān)。

3）地球靜止軌道1m分辨率膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)主鏡口徑約20m，為滿足發(fā)射條件，必須采取“折疊發(fā)射-入軌展開”的方式實(shí)施，折疊展開方式的選擇要充分平衡發(fā)射尺寸與展開復(fù)雜度的矛盾。此外，由于主鏡口徑巨大，展開精度難以達(dá)到光學(xué)成像要求，需要為子鏡配置微調(diào)機(jī)構(gòu)，制定自適應(yīng)像質(zhì)閉環(huán)校正方案。

大型可展開伸展臂支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)

單平臺(tái)構(gòu)型是膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)型的發(fā)展趨勢(shì)，而伸展臂支撐結(jié)構(gòu)是單平臺(tái)構(gòu)型中用于連接主鏡與后端成像系統(tǒng)的重要組件。主鏡沿光軸方向的收攏和展開、主鏡的徑向收攏展開以及展開后的支撐都是由伸展臂支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，伸展臂支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的折疊展開功能及穩(wěn)定成像發(fā)揮至關(guān)重要的作用，是重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。相關(guān)研究?jī)?nèi)容包括：①大伸縮比可展開支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)；②高精度展開執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)；③鎖定機(jī)構(gòu)技術(shù)；④伸展臂結(jié)構(gòu)空間特性在軌測(cè)量技術(shù)。

在軌高精度控制技術(shù)

地球靜止軌道1m分辨率膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)作為大型空間結(jié)構(gòu)體，在軌工作時(shí)存在多模式、多目標(biāo)、大慣量、大撓性的特點(diǎn)，在軌高精度控制是該系統(tǒng)的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。由于系統(tǒng)涉及到入軌展開、指向機(jī)動(dòng)、受擾恢復(fù)等多種復(fù)雜在軌動(dòng)作，因此，控制技術(shù)需要解決在軌展開過程控制、在軌動(dòng)作下高精度控制問題。

5 小結(jié)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道1m分辨率成像的一種重要、可行技術(shù)途徑。鑒于地球靜止軌道1m分辨率對(duì)地成像的巨大應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)應(yīng)盡快開展膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)研究，尤其是在微細(xì)加工、大型空間結(jié)構(gòu)體控制等方面，提升基礎(chǔ)能力，為實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道1m分辨率膜基衍射光學(xué)成像系統(tǒng)提供創(chuàng)新解決方案。同時(shí)，探索該項(xiàng)技術(shù)在天文觀測(cè)、激光雷達(dá)以及空間太陽能收集等領(lǐng)域的應(yīng)用，充分發(fā)揮膜基衍射光學(xué)成像技術(shù)的特殊優(yōu)勢(shì)。

Development and Application of GEO Membrane Based Diffraction Optical Imaging System