微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)發(fā)展綜述

葉釗 李熹微 王超 董小靜 尹歡 曹啟鵬

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552)

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)發(fā)展綜述

葉釗1李熹微2王超1董小靜1尹歡1曹啟鵬1

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552)

闡述了微納衛(wèi)星光學(xué)載荷從單一攝像頭到應(yīng)用模式多樣的綜合系統(tǒng)的發(fā)展過程。調(diào)研了國外微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的發(fā)展現(xiàn)狀及特點，如輕小型化、緊湊化、觀測任務(wù)多樣化和視頻成像，主要表現(xiàn)在低成本商業(yè)遙感應(yīng)用，適于新技術(shù)演示驗證、光學(xué)載荷圖像產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)應(yīng)用、模塊化技術(shù)體系等方面。通過歸納總結(jié)得出以下啟示：我國微納衛(wèi)星光學(xué)載荷發(fā)展應(yīng)緊跟國際步伐，瞄準(zhǔn)低成本商業(yè)遙感方向，建立標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)體系；發(fā)展顛覆性技術(shù)(薄膜衍射成像和液晶可調(diào)光譜濾光片用于高光譜成像)，積極探索微納衛(wèi)星光學(xué)載荷研制模式的創(chuàng)新。

微納衛(wèi)星；光學(xué)載荷；薄膜衍射成像；液晶可調(diào)濾光片；視頻成像

1 引言

微納衛(wèi)星包括10～100 kg的微衛(wèi)星和1～10 kg的納衛(wèi)星。近年來，隨著計算機(jī)、新材料、微納米、微電子機(jī)械、高密度能源及空間微推進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，微納衛(wèi)星以一種全新的概念、嶄新的設(shè)計思想成為航天領(lǐng)域最活躍的研究方向，在通信、軍事、地質(zhì)勘探、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、氣象、科學(xué)實驗和深空探測等領(lǐng)域都得到了迅速發(fā)展，并且顯示出越來越好的發(fā)展前景，已成為衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

微小型化的微納衛(wèi)星技術(shù)推動光學(xué)載荷向輕小型化發(fā)展，輕小型化的光學(xué)載荷又會催生出新的低成本、低功耗、高性能的微納衛(wèi)星。越來越多的微納衛(wèi)星光學(xué)載荷采用商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)和產(chǎn)品，采用開放式體系結(jié)構(gòu)和即插即用標(biāo)準(zhǔn)，具有研制周期短、投資與營運成本低、風(fēng)險小、靈活性高等特點。微納衛(wèi)星光學(xué)載荷具有的這些發(fā)展特點，也使其能以單星低價、快速地完成多項航天任務(wù)，以多星組網(wǎng)或編隊飛行的方式完成傳統(tǒng)衛(wèi)星難以勝任的時間覆蓋要求和用戶高定制需求。

本文在調(diào)研微納衛(wèi)星光學(xué)載荷發(fā)展的基礎(chǔ)上，歸納了其發(fā)展趨勢，分析了技術(shù)特點，總結(jié)了啟示，可為我國先進(jìn)光學(xué)載荷的設(shè)計與低成本市場開發(fā)提供參考。

2 光學(xué)載荷在微納衛(wèi)星上的演變

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷在設(shè)計上突破了傳統(tǒng)的“一星多用、綜合利用”的設(shè)計思想，不追求全面，綜合、完美，主張簡化設(shè)計，采用成熟技術(shù)和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件。眾多創(chuàng)新概念大量涌現(xiàn)，利用微納衛(wèi)星進(jìn)行飛行演示驗證。光學(xué)載荷也由最初微納衛(wèi)星上的小小攝像頭，逐漸演變?yōu)楣δ軓?fù)雜、技術(shù)集成度高、應(yīng)用能力突出的系統(tǒng)設(shè)備，開始引導(dǎo)微納衛(wèi)星的總體設(shè)計和發(fā)展，創(chuàng)新概念正在向創(chuàng)新應(yīng)用轉(zhuǎn)化。同時，微納衛(wèi)星光學(xué)載荷已從單項技術(shù)向系統(tǒng)集成技術(shù)、研制生產(chǎn)和運用模式創(chuàng)新拓展，正在孕育空間體系的重大變革。

早期，微納衛(wèi)星的攝像頭用于簡單的地球觀測和星上部件的狀態(tài)監(jiān)測。隨著微電子、材料、精密機(jī)械等行業(yè)的高速發(fā)展，微納衛(wèi)星光學(xué)載荷正由攝像頭向綜合系統(tǒng)飛速發(fā)展，輕小型化的光學(xué)載荷已經(jīng)具備了部分傳統(tǒng)衛(wèi)星光學(xué)載荷的能力，如手機(jī)衛(wèi)星用于空間交會對接的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，運動相機(jī)用于在軌部件可視化監(jiān)測，輕小型對地觀測高清視頻相機(jī)等。2013年2月25日發(fā)射的全球第1個智能手機(jī)衛(wèi)星——薩瑞衛(wèi)星公司研制的STRaND-1[1-3]，(見圖1)是一個3U立方體衛(wèi)星，質(zhì)量為4.27 kg，由Google Nexus One 手機(jī)進(jìn)行控制，衛(wèi)星的光學(xué)攝像頭可對地成像，攝像頭作為演示驗證設(shè)備，完成對地對空間成像并將拍攝圖像傳回地球。

圖1 STRaND-1手機(jī)衛(wèi)星
Fig.1 Mobilephone satellite of STRaND-1

繼STRaND-1衛(wèi)星后，NASA的3個智能手機(jī)衛(wèi)星(2個PhoneSat 1.0和1個PhoneSat 2.0)在2013年4月發(fā)射升空[4]。PhoneSat項目是NASA空間技術(shù)計劃支持的小型航天器技術(shù)驗證任務(wù)，用于論證利用智能手機(jī)建造低成本、簡易衛(wèi)星的能力，智能手機(jī)衛(wèi)星能將手機(jī)拍攝的數(shù)字圖像和衛(wèi)星狀況發(fā)送回地面。后續(xù)NASA還將利用微納衛(wèi)星光學(xué)載荷開展低成本的對地觀測和進(jìn)行月球及以遠(yuǎn)空間探測的演示驗證任務(wù)。

由于質(zhì)量和體積的限制，微納衛(wèi)星還無法獲得超高分辨率的圖像(亞米級圖像，優(yōu)于0.7 m)，目前的空間分辨率在1.0～2.0 m，如美國陸軍目前開展的“隼眼”(Kestrel Eye)低成本微型偵察衛(wèi)星星座項目[5-8]，可獲得1.5～3.0 m分辨率的衛(wèi)星圖像。圖2顯示了對地觀測衛(wèi)星的質(zhì)量和分辨率的關(guān)系，目前在研和在軌的高空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星，其分辨率優(yōu)于0.5 m，整星質(zhì)量大于500 kg，還采用傳統(tǒng)光學(xué)載荷的設(shè)計和研制模式，但在微納衛(wèi)星上很難實現(xiàn)。對此，一部分科學(xué)家在光學(xué)載荷的設(shè)計上進(jìn)行創(chuàng)新，如德國柏林工業(yè)大學(xué)研制的“多布森”(Dobson)可折疊光學(xué)望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星[9]，衛(wèi)星上安裝可伸縮的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，在100千克級微衛(wèi)星上可攜帶50 cm孔徑的相機(jī)，獲得1.0 m分辨率的衛(wèi)星圖像，成本只有現(xiàn)有超高分辨率系統(tǒng)成本的1/10。為了突破微衛(wèi)星體積和質(zhì)量對空間分辨率的限制，對Dobson可展開光學(xué)衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采用可展開結(jié)構(gòu)和光學(xué)準(zhǔn)直設(shè)計，在衛(wèi)星發(fā)射階段將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡折疊，進(jìn)行觀測時再展開，見圖3。望遠(yuǎn)鏡支架展開后，二級鏡面和主鏡面相隔約1.1 m，隨后利用微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)對二級鏡面的位置進(jìn)行微調(diào)，對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行準(zhǔn)直校準(zhǔn)。為了補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的熱變形，望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)和聚焦可以在任務(wù)期間的任何時間進(jìn)行，從而保證了成像的質(zhì)量。

一些科學(xué)家還尋求在傳統(tǒng)設(shè)計上進(jìn)行改良，通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、迭代圖像算法等方法實現(xiàn)微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的高空間分辨率，表1是微納衛(wèi)星視頻載荷與傳統(tǒng)載荷的主要區(qū)別。目前，微衛(wèi)星空間分辨率最高的光學(xué)觀測衛(wèi)星是“天空衛(wèi)星”(SkySat)[10-11]，衛(wèi)星質(zhì)量約為91 kg，采用碳化硅(SiC)制造的里奇-克萊琴(R-C)反射光學(xué)成像系統(tǒng)(0.35 m成像孔徑，相對孔徑1/10.4)，搭配大面陣“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(CMOS)探測器，使用延時積分(TDI-CMOS)技術(shù)，可以拍攝全色0.9 m、多光譜2.0 m分辨率和幅寬8.0 km的靜態(tài)圖像；視頻工作時能夠提供空間分辨率1.1 m、覆蓋2 km×1.1 km、幀頻30幀/秒的視頻圖像，單次連續(xù)攝影90 s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。

圖2 衛(wèi)星質(zhì)量對空間分辨率的限制Fig.2 Restriction of mass of satellite on space revolution

圖3 Dobson可展開光學(xué)衛(wèi)星
Fig.3 Deployable optical satellite of Dobson

表1 微納衛(wèi)星視頻載荷與傳統(tǒng)光學(xué)載荷的主要區(qū)別

Table 1 Main difference between Micro-nano satellite video payload and traditional optical payload

載荷類型成像體制探測器類型圖像算法傳統(tǒng)衛(wèi)星光學(xué)載荷推掃定制的延時積分電荷耦合器件無SkySat光學(xué)載荷“框幅”式推掃商業(yè)面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體超分辨率圖像復(fù)原+數(shù)據(jù)挖掘

國外各研究機(jī)構(gòu)利用微納衛(wèi)星項目開展了大量光學(xué)載荷的技術(shù)驗證，將技術(shù)研發(fā)和業(yè)務(wù)能力開發(fā)相結(jié)合，積極探索微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的發(fā)展和應(yīng)用能力，并圍繞應(yīng)用涌現(xiàn)出眾多創(chuàng)新概念和探索項目。微納衛(wèi)星光學(xué)載荷從過去大多使用攝像頭并用于工程培訓(xùn)、技術(shù)試驗和概念驗證，到逐漸引起了軍、民、商各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，發(fā)展成為具備較高空間分辨率和具備綜合成像能力的高集成度系統(tǒng)，并使用光學(xué)載荷探索航天技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新、體系創(chuàng)新和研制模式創(chuàng)新。

3 微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷在低成本商業(yè)遙感、新技術(shù)演示應(yīng)用和模塊化技術(shù)體系等方面全面發(fā)展，本節(jié)將從COTS技術(shù)、新型成像技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新等方面，結(jié)合光學(xué)載荷在微納衛(wèi)星上的演變和具體應(yīng)用，闡述微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新。

3.1 COTS鏡頭技術(shù)

COTS技術(shù)已在微納衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用。大量COTS產(chǎn)品，如商業(yè)數(shù)碼相機(jī)鏡頭、控制電路、手機(jī)攝像頭等直接用作星上產(chǎn)品。NASA航天員在“國際空間站”使用商用相機(jī)拍攝地球，設(shè)備由35 mm的數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)(DSLR)鏡頭組成，見表2。

南瓜派(Pumpkin)公司設(shè)計的小型圖像衛(wèi)星(Miniature Imaging Spacecraft，MISC)質(zhì)量為4.5 kg，大量使用商業(yè)器件，整個光學(xué)相機(jī)全部使用商業(yè)器件。這顆3U立方體衛(wèi)星能從540 km高的圓軌道提供7.5 m空間分辨率的多光譜圖像，壽命周期為18個月，覆蓋面積為7.5×107km2。MISC的鏡頭選用典型DSLR 35 mm-f/8 (f為焦距)折返式鏡頭，焦距為500～600 mm。探測器選用商用畫幅傳感器Kodak KAI-16000 CCD，帶有RGB濾光片和4872×3248面陣，像元尺寸為7.4 μm?？紤]到衛(wèi)星發(fā)射期間MISC可能遭遇超過商業(yè)部件承受范圍的振動環(huán)境，DSLR鏡頭要盡可能少用甚至不用機(jī)械部件，以減少所受到的沖擊(如鏡頭、鏡頭孔徑光闌、單反鏡等)。MISC光學(xué)載荷指標(biāo)見表3，外形見圖4。

典型商業(yè)鏡頭微納衛(wèi)星光學(xué)載荷見表4。

表2 “國際空間站”上使用的商業(yè)數(shù)碼相機(jī)

表3 MISC光學(xué)載荷指標(biāo)

圖4 MISC外形
Fig.4 Appearance of MISC

表4 典型商業(yè)鏡頭微納衛(wèi)星光學(xué)載荷

Table 4 Optical payload of typical commercial lens on Micro-nano satellite

微納衛(wèi)星主要載荷光學(xué)系統(tǒng)主要指標(biāo) 印度尼西亞國家航空航天研究局(LAPAN)的LAPAN-TUBSat 高清晰度DXC-990P型民用攝像機(jī) 尼康公司制造的1m焦距、f/11相對孔徑的折射望遠(yuǎn)鏡 分辨率為6.0m,幅寬為3.5km 低分辨率攝像機(jī) 50mm焦距鏡頭,德國Kappa公司研制 分辨率為200.0m,幅寬為81.0km LAPAN-A2 全商業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)Space-CamC4000 德國西塔系統(tǒng)電子股份有限公司(ThetaSystemElektronikGmbHofGr?benzell)制造的鏡頭,焦距為600mm 分辨率為6.0m,幅寬為12.0km 加拿大、澳大利亞、波蘭聯(lián)合研制的“亮星目標(biāo)探測者”(BRIght-starTargetExplorer,BRITE)天文衛(wèi)星 星相機(jī) 尼康公司生產(chǎn)的5鏡片透射式光學(xué)系統(tǒng),孔徑為30mm,視場角為24° 分辨率為26.5(″)/pixel 大學(xué)衛(wèi)星-5(UniSat-5) 數(shù)字成像載荷(DIP)碎片監(jiān)視相機(jī),ElphelNC353L-369網(wǎng)絡(luò)相機(jī) 光學(xué)系統(tǒng)孔徑為127mm,焦距為1270mm,光學(xué)系統(tǒng)長度為330mm,總質(zhì)量為2722g — 地外行星觀測衛(wèi)星(Exoplanet-Sat) 商業(yè)CMOS相機(jī) 相機(jī)孔徑為85mm,f/1.4(DSLR蔡司鏡頭),長度為62mm,質(zhì)量為570g 分辨率為43.7(″)/pixel 低軌羽流測量和元素識別衛(wèi)星(COPPER) 低成本商業(yè)紅外相機(jī) 美國Goleta公司生產(chǎn)的FLIRTaucamera320,f/1.0 分辨率為50.0(″)/pixel

3.2 新型成像技術(shù)

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)創(chuàng)新主要是以現(xiàn)有的高新技術(shù)為依托，通過創(chuàng)新的設(shè)計思想和研制模式用于低成本的光學(xué)載荷，使新技術(shù)和新概念能及時快速地應(yīng)用于微納衛(wèi)星中。按照傳統(tǒng)光學(xué)載荷體制分析，衛(wèi)星空間分辨率每提高1倍，需要光學(xué)成像系統(tǒng)的質(zhì)量和體積增加8～10倍。由于質(zhì)量和體積的限制，微納衛(wèi)星無法獲得超高分辨率的圖像。開放式大眾創(chuàng)新環(huán)境促使航天領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)呈現(xiàn)出高度的活力，發(fā)展出多種新型成像探測系統(tǒng)，如薄膜衍射光學(xué)系統(tǒng)、集陣探測系統(tǒng)、液晶可調(diào)濾光片(LCTF)光譜調(diào)制技術(shù)等。這些技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，有望成為突破高品質(zhì)遙感的顛覆性技術(shù)。

3.2.1 薄膜衍射系統(tǒng)

美國空軍學(xué)院(AFA)獵鷹衛(wèi)星-7(FalconSat-7，見圖5)[12-14]，原計劃在2014年發(fā)射(后推遲)，衛(wèi)星尺寸約為30 cm×10 cm×10 cm，軌道高度為450 km，對地觀測分辨率為1.8 m。該衛(wèi)星可視為美國國防部先進(jìn)研究計劃局(DARPA)薄膜光學(xué)成像器實時開發(fā)(Membrane Optic Imager Real-Time Exploitation，MOIRE)項目的初步演示驗證(MOIRE項目擬在地球同步軌道通過20 m直徑的衍射薄膜實現(xiàn)高分辨率對地成像，衛(wèi)星載荷為基于衍射薄膜的光子篩望遠(yuǎn)鏡)。FalconSat-7光子篩望遠(yuǎn)鏡中心波長為656.28 nm，占用約1.5U的體積，光子篩及光學(xué)部分的主要設(shè)計指標(biāo)見表5。

圖5 FalconSat-7衛(wèi)星外形
Fig.5 Appearance of FalconSat-7

FalconSat-7光子篩望遠(yuǎn)鏡已成功在波音727飛機(jī)上進(jìn)行了微重力狀態(tài)下的衍射薄膜展開試驗，該試驗成功有力支撐了衍射光學(xué)成像技術(shù)。與傳統(tǒng)的反射式光學(xué)系統(tǒng)相比，薄膜衍射成像技術(shù)具有獨特的技術(shù)特點：①使用薄膜材料能減小光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量，在實現(xiàn)相同分辨率的前提下，薄膜衍射光學(xué)成像系統(tǒng)質(zhì)量僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1/7，從而大幅降低了整星質(zhì)量；②可采取發(fā)射時折疊、入軌后展開的方式，易于實現(xiàn)天基超大光學(xué)口徑；③薄膜衍射鏡,面形精度要求比傳統(tǒng)反射鏡降低1/2～2/3，制造難度也相應(yīng)降低，并且薄膜鏡易于復(fù)制和批量化生產(chǎn)，能大幅降低光學(xué)載荷的開發(fā)成本。

表5 光子篩及光學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)

3.2.2 高光譜成像技術(shù)

高光譜成像儀的光譜范圍寬、譜段多、光譜分辨率高，成像質(zhì)量好。高質(zhì)量的高光譜成像儀波段寬度可以達(dá)到納米量級，從可見光到近紅外，譜段數(shù)可以達(dá)到幾十至幾百個，更寬的譜段范圍和更高的光譜分辨率可以為遙感探測提供更加豐富的空間與光譜信息，增加資源探測的研究依據(jù)。隨著光學(xué)設(shè)計、光電探測器、光柵等光學(xué)元件的檢測與加工技術(shù)的不斷完善，空間遙感高光譜成像已經(jīng)邁入微納衛(wèi)星應(yīng)用階段。

2014年7月2日，日本先進(jìn)陸地遙感微衛(wèi)星Rising-2成功拍攝了地面高分辨率圖像[15]。該衛(wèi)星由日本東北大學(xué)和北海道大學(xué)聯(lián)合研制，質(zhì)量為43 kg。衛(wèi)星上搭載1臺“高精度望遠(yuǎn)鏡”(HPT)，能以5.0 m的空間分辨率拍攝彩色照片，創(chuàng)造了50千克級星載高光譜成像分辨率的紀(jì)錄，見圖6。

HPT帶有LCTF光譜調(diào)制，并使用了新型零膨脹無孔(Zero Expansion Pore-Free，ZPF)鏡面。HPT使用的卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)長為38 cm，相機(jī)孔徑D為10 cm，焦距f為1 m(f/D=10)，總質(zhì)量約為3 kg。使用4片CCD器件，其中3片主要獲得RGB圖像，波長范圍400～650 nm，1片獲得高光譜圖像，波長范圍650～1000 nm，波長間隔10 nm。這4片CCD靈敏度高達(dá)ISO8000，曝光時間為1/4000 s。HPT的主鏡和次鏡均使用ZPF陶瓷，并采用嶄新的研磨技術(shù)。整個光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量小，且具有極高的抗振性能(相比于傳統(tǒng)鏡片)。LCTF比地面使用的設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，由液晶多層組成，光譜波段最窄5 nm，中心波長在10 ms內(nèi)可以進(jìn)行大于300 nm的改變。HPT可以在700 km的軌道高度得到5 m分辨率的圖像，1景影像3.3 km×2.5 km，高光譜圖像的空間分辨率5.0～50.0 m可選，主要觀測對象為地球表面和積雨云。

典型微納衛(wèi)星高光譜載荷如表6所示。

圖6 Rising-2衛(wèi)星光學(xué)載荷
Fig.6 Optical payloads on Rising-2 satellite

表6 微納衛(wèi)星高光譜載荷

Table 6 Hyperspectral payloads on Micro-nano satellite

微納衛(wèi)星主要載荷光學(xué)系統(tǒng)分光方式主要指標(biāo) 可見短波紅外高光譜和激光數(shù)據(jù)通信驗證(TAIKI)衛(wèi)星 HSC-3,可見光和近紅外(VNIR)高光譜成像儀 卡塞格倫系統(tǒng),光學(xué)孔徑為200mm 光柵分光 波長范圍為400～1000nm,光譜分辨率為10nm(61個譜段),空間分辨率為30m,幅寬為20.6km,信噪比超過300,量化位數(shù)為10bit,質(zhì)量小于10kg 阿爾托大學(xué)-1(Aalto-1)衛(wèi)星 阿爾托大學(xué)光譜儀(AaSI) 投射式光學(xué)系統(tǒng),長65mm,最大孔徑為40mm 法布里-珀羅(Fabry-Perot)可調(diào)濾波器和壓力微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)驅(qū)動裝置 500～900nm波段,6(超過60個譜段)～20nm光譜分辨率,空間分辨率為240m 植被圖譜儀(Phyto-Mapper)衛(wèi)星 高光譜成像儀 離軸三反(TMA)光學(xué)系統(tǒng),焦距為90mm,f/D=5 Offner光柵分光 波長范圍400～1000nm,光譜分辨率為10nm(61個譜段),空間分辨率為48m,幅寬為50km,信噪比超過300,質(zhì)量小于5kg

3.3 視頻技術(shù)

與傳統(tǒng)對地觀測衛(wèi)星相比，視頻對地觀測衛(wèi)星(通常使用面陣探測器)能夠?qū)δ骋粎^(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測，以視頻錄像的方式獲得更多的目標(biāo)動態(tài)變化信息，特別適于對動態(tài)目標(biāo)的高時間分辨率觀測。視頻數(shù)據(jù)量比靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)量大得多，需要衛(wèi)星具備高速處理能力和數(shù)據(jù)下傳能力。微納衛(wèi)星視頻載荷當(dāng)前能達(dá)到的分辨率已能滿足對動態(tài)大型目標(biāo)(如艦船)探測的需求。微納衛(wèi)星中比較有代表性的視頻衛(wèi)星有LAPAN-TUBSat、LAPAN-A2和SkySat衛(wèi)星星座。

3.3.1 LAPAN系列衛(wèi)星

LAPAN-TUBSat和LAPAN-A2的視頻載荷[16]使用了大量的商業(yè)器件，這些器件均經(jīng)過了嚴(yán)格的環(huán)境試驗篩選。整星設(shè)計時遵循最簡原則(Keep It Simple,Stupid，KISS)。

LAPAN-TUBSat質(zhì)量為56 kg，采用高度為635 km的太陽同步軌道，設(shè)計壽命2年，于2007年1月成功發(fā)射，目前超期服役。有效載荷包括1臺高分辨率攝像機(jī)和1臺低分辨率攝像機(jī)。圖7為LAPAN-TUBSat衛(wèi)星實物圖及其高分辨率攝像機(jī)HRVI6。HRVI6主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用攝像機(jī)和尼康公司制造的1 m焦距、f/11相對孔徑的折射望遠(yuǎn)鏡組成，空間分辨率為6.0 m，幅寬為3.5 km，包括支撐結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為7.8 kg。DXC-990P是可換鏡頭式3 CCD攝像機(jī)，每塊CCD為752×582像素，合430萬像元，像元尺寸為7 μm。通過棱鏡將紅綠藍(lán)(RGB)三原色光匯聚到3個CCD上，畫質(zhì)比單CCD攝像機(jī)更好。同時，該攝像機(jī)的Exwave孔狀積累二極管(HAD)技術(shù)適于光照強(qiáng)度大范圍變化的場合使用。攝像機(jī)能夠自動控制增益、白平衡和快門速度，快門速度最高為10 s(快門范圍10～6 s)，用于補(bǔ)償由于云反射造成的過度曝光。

圖7 LAPAN-TUBSat和HRVI6攝像機(jī)
Fig.7 LAPAN-TUBSat and HRVI6 video camera

LAPAN-A2的視頻載荷是全商業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)SpaceCam C4000，由德國西塔系統(tǒng)電子股份有限公司制造，光學(xué)系統(tǒng)焦距為600 mm，采用比利時CMOS成像探測器公司(CMOSIS)生產(chǎn)的400萬像素(2048×2048)CMOS面陣探測器，可以生成彩色RGB視頻，像元尺寸為5.5 μm，數(shù)字量化為12 bit。LAPAN-A2在高650 km、傾角8°的圓軌道上可以實現(xiàn)12.0 km×12.0 km覆蓋、6.0 m空間分辨率的全色圖像。SpaceCam C4000采用可換鏡頭設(shè)計，如果搭配焦距600 mm、孔徑300 mm的鏡頭，在630 km的軌道高度上可以實現(xiàn)優(yōu)于1.0 m空間分辨率的全色圖像。

LAPAN系列衛(wèi)星使用商業(yè)攝像機(jī)，攝像機(jī)自身沒有多幀圖像的像移補(bǔ)償功能，為了保證視頻圖像的正?？捎?，需要LAPAN衛(wèi)星利用敏捷能力提升視頻觀測能力。其觀測模式分為凝視成像、區(qū)域掃描和定點跟蹤，見圖8，其拍攝圖像見圖9。

注：T0，T1，T2分別表示衛(wèi)星不同的在軌飛行時刻。T0時刻衛(wèi)星對地推掃；T1到T2時刻，衛(wèi)星通過姿態(tài)機(jī)動實現(xiàn)凝視成像或定點跟蹤。
圖8 LAPAN-TUBSat成像模式
Fig.8 LAPAN-TUBSat imaging mode

圖9 LAPAN-TUBSat拍攝的圖像
Fig.9 LAPAN-TUBSat image

3.3.2 SkySat

SkySat成像系統(tǒng)的焦平面由3塊CMOS探測器拼接而成(見圖10)，每塊550萬像素。由于空間視頻拍攝對探測器積分時間和信號讀出時間限制嚴(yán)格，且要求實現(xiàn)足夠的信噪比，傳統(tǒng)的線陣探測器已難以滿足這些要求。因此，SkySat選用了基于地面TDI技術(shù)的CMOS面陣探測器，成像時采用“畫幅式推掃”，探測器所覆蓋的場景被多次成像，然后通過地面進(jìn)行圖像處理，從而實現(xiàn)基于地面處理的時間延遲積分(即數(shù)字TDI技術(shù))。因此，SkySat運用錯位排列拼接面陣和先進(jìn)地面圖像處理等技術(shù)，實現(xiàn)了視頻拍攝能力。同時，為了實現(xiàn)連續(xù)觀測，SkySat具有俯仰、滾動、偏航3個方向的高敏捷機(jī)動能力，通過整星機(jī)動實現(xiàn)圖像運動補(bǔ)償，加強(qiáng)“凝視”效果。圖11為SkySat機(jī)動拍攝視頻示意。

圖10 由3塊CMOS探測器交錯拼接的SkySat焦平面
Fig.10 Focal plane composed by interleaving assembly of 3 CMOS detectors on SkySat

圖11 SkySat機(jī)動拍攝視頻示意
Fig.11 SkySat video with maneuver

4 微納衛(wèi)星光學(xué)載荷技術(shù)發(fā)展啟示

根據(jù)不同目標(biāo)的任務(wù)需求，微納衛(wèi)星的光學(xué)載荷呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展態(tài)勢。從共性看，主要有以下幾方面的發(fā)展啟示。

1)儲備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、COTS體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

微納衛(wèi)星常常需要大規(guī)模部署，以星座組網(wǎng)方式對地持續(xù)觀測，作為微納衛(wèi)星核心的光學(xué)載荷，需要批量化研制，多載荷并行測試。從單載荷定制研制過渡到批量生產(chǎn)，更加強(qiáng)調(diào)低成本、短周期，以及高效靈活和快速技術(shù)更新。標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、COTS體系設(shè)計、即插即用等技術(shù)，都是微納衛(wèi)星光學(xué)載荷快速發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

大量COTS器件的應(yīng)用，極大降低了微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的研發(fā)門檻，像手機(jī)衛(wèi)星等大學(xué)衛(wèi)星與應(yīng)用衛(wèi)星差距被大幅縮小。基于COTS器件，任何人都有可能開發(fā)出自己的光學(xué)遙感衛(wèi)星(如MISC)，并且軟件自主設(shè)計的靈活性更高；手機(jī)觀測衛(wèi)星，應(yīng)用手機(jī)觀測定位的衛(wèi)星間對接模塊已經(jīng)得到應(yīng)用。

光學(xué)載荷趨向于集成化、小型化、模塊化和多功能化，以減小質(zhì)量、降低成本、節(jié)省燃料、延長整星壽命。大量新材料、新工藝及3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使光學(xué)載荷的體積、質(zhì)量越來越小，成像能力越來越強(qiáng)。為了應(yīng)對緊張的星內(nèi)空間，長焦距、大口徑成像系統(tǒng)的設(shè)計日益緊湊化；許多光學(xué)載荷都包含多個通道觀測能力，或者光譜儀和相機(jī)集成為一體，或者視頻成像兼顧靜態(tài)成像。此外，盡可能多地使用成熟器件，只在關(guān)鍵技術(shù)方面使用新器件或新方案，減少研制費用，降低風(fēng)險。

2)發(fā)展顛覆性技術(shù)，積極探索微納衛(wèi)星光學(xué)載荷研制模式的創(chuàng)新

微納衛(wèi)星光學(xué)遙感雖然現(xiàn)在發(fā)展迅速，但與較大衛(wèi)星的空間分辨率、幅寬、壽命等性能相比，沒有優(yōu)勢，在主流遙感領(lǐng)域不是很受用戶青睞，因此需要技術(shù)和運營方式的不斷創(chuàng)新。為了實現(xiàn)觀測的時效性和分辨率越來越高的要求，微納衛(wèi)星采用顛覆性技術(shù)，如薄膜光子篩衍射成像技術(shù)可以大大減少現(xiàn)有光學(xué)載荷的質(zhì)量，并保證具有高空間分辨率，折疊鏡頭的輕小型高分光學(xué)載荷同樣能夠兼顧質(zhì)量和分辨率，而楔形濾光片式高光譜儀則使微納衛(wèi)星具備了高光譜觀測的能力，這些技術(shù)的逐漸成熟和工程化，勢必會引領(lǐng)并逐漸改變主流市場的需求。此外，依靠低成本研制的高分辨率微納衛(wèi)星，通過組網(wǎng)增大對地觀測覆蓋面積和縮短重訪周期，以不斷更新替代的方式實現(xiàn)長時間的在軌觀測，或者使用視頻成像體制連續(xù)跟蹤目標(biāo)。

3)反向促進(jìn)微納衛(wèi)星平臺技術(shù)發(fā)展

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的不斷發(fā)展，反向促進(jìn)了微納衛(wèi)星平臺技術(shù)的發(fā)展。例如，視頻成像技術(shù)對微納衛(wèi)星平臺提出了更高的要求。為了使視頻成像載荷的光軸始終對準(zhǔn)地面目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)須要實時調(diào)整星體姿態(tài)，克服衛(wèi)星的軌道運動、姿態(tài)運動和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的目標(biāo)不斷偏離光軸的影響，其平臺的敏捷能力必須達(dá)到1(°)/s。為了具備高頻成像能力(即每秒數(shù)次成像的能力)，視頻成像載荷多裝備面陣探測器，以在一定時間內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)觀測。視頻數(shù)據(jù)量比靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)量大得多，需要微納衛(wèi)星平臺具備高速處理能力和數(shù)據(jù)下傳能力。這些技術(shù)在微納衛(wèi)星上的驗證和使用，還可以進(jìn)一步推動整個衛(wèi)星研制的升級。

5 結(jié)束語

本文介紹了國外新型微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的發(fā)展特點，包括COTS鏡頭的星上應(yīng)用，薄膜衍射型成像方式在微納衛(wèi)星上的驗證，輕小型化高光譜儀的發(fā)展，以及微納視頻衛(wèi)星視頻載荷的發(fā)展。目前，國外在微納衛(wèi)星光學(xué)載荷方向已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、COTS應(yīng)用體系，通過微納光學(xué)載荷進(jìn)行新型成像體制的驗證，以及深度結(jié)合用戶需求而快速發(fā)展起來的微納光學(xué)衛(wèi)星群。而我國微納衛(wèi)星光學(xué)載荷研制理念、研制流程、硬件選用標(biāo)準(zhǔn)、商用現(xiàn)貨選用等方面仍停留在大衛(wèi)星小型化的模式上。在借鑒國外微納衛(wèi)星光學(xué)載荷創(chuàng)新研制模式的基礎(chǔ)上，應(yīng)緊緊把握航天轉(zhuǎn)型發(fā)展方向，開展對新型研制生產(chǎn)模式的積極探索，創(chuàng)新發(fā)展理念，優(yōu)化組織管理和研制流程，積極探索適于微納衛(wèi)星的光學(xué)載荷研制模式，充分發(fā)揮商業(yè)現(xiàn)貨低成本、快速、靈活的特點，充分利用微納衛(wèi)星的特點加強(qiáng)新成像方式的在軌應(yīng)用，適應(yīng)未來航天技術(shù)快速發(fā)展的需要。

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(編輯：夏光)

Survey of Technological Development of Optical Payload for Micro-nano Satellite

YE Zhao1LI Xiwei2WANG Chao1DONG Xiaojing1YIN Huan1CAO Qipeng1

(1 DFH Satellite Co., Ltd.,Beijing 100094,China)(2 Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Huabei Oilfield Company,Petro China,Renqiu，Hebei 062552,China)

This paper describes the development process of the Micro-nano satellite optical payload from single camera to flexible integrated system. The present developing situation and characteristics of Micro-nano satellite optical payload are investigated,for instance, miniaturization,compactness,diversified observation,and video imaging. These are manifested in new technology verification and demonstration,optical payload image product network application, technology of wildly used COTS (commercial off the shelf),modular technical system,and so on. The paper draws the following revelation：keeping optical payload of Micro-nano satellite in China with the international development,aiming at the direction of commercial remote sensing at low cost,establishing standardized and modular production technology system,developing disruptive technologies such as thin-film diffraction imaging and tunable optical filtering for imaging using liquid crystals,and actively exploring innovative development mode on optical payload of Micro-nano satellite.

Micro-nano satellite；optical payload；thin-film diffraction imaging；liquid crystals tunable filtering；video imaging

2016-02-22；

2016-11-11

國家重大科技專項工程

葉釗，男，博士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星圖像輻射質(zhì)量和航天器總體設(shè)計。Email：njst@qq.com。

V447

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.019