星載光學遙感相機標準體系建設研究

張 樂 聶云松 曹啟鵬

（1北京空間科技信息研究所，北京，100086；2北京空間機電研究所，北京，100076；3航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京，100094）

星載光學遙感相機標準體系建設研究

張 樂1聶云松2曹啟鵬3

（1北京空間科技信息研究所，北京，100086；2北京空間機電研究所，北京，100076；3航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京，100094）

文摘：從航天工程總體的角度對星載光學遙感相機在指標體系、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品測試及試驗等方面的標準需求進行分析，在此基礎上規(guī)劃星載光學遙感相機標準體系的框架，提出標準項目清單。

光學遙感相機；遙感衛(wèi)星；標準體系。

隨著技術的發(fā)展，相機經(jīng)歷了從膠片型到傳輸型的發(fā)展歷程，目前膠片型相機已基本退出了應用領域，被傳輸型相機所全面替代。我國自1999年成功發(fā)射第一顆傳輸型遙感衛(wèi)星“資源一號”以來，已陸續(xù)發(fā)射了幾十顆各種類型的傳輸型遙感衛(wèi)星。國家也啟動了高分辨對地觀測系統(tǒng)、空間基礎設施等重大專項工程來大力發(fā)展遙感衛(wèi)星，目前我國的遙感衛(wèi)星已實現(xiàn)優(yōu)于1m的高分辨率[1]。隨著遙感衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，更高的分辨率、更大的幅寬、更多的成像通道將是星載光學遙感相機未來的發(fā)展方向。

星載光學遙感相機（簡稱相機）是安裝在衛(wèi)星平臺上對地球進行觀測的精密光學儀器，是光學遙感衛(wèi)星的有效載荷，是決定任務成敗的關鍵分系統(tǒng)。經(jīng)過近30年的發(fā)展，我國星載光學遙感相機的研制取得了巨大進步，但相比于型號研制工作，星載光學遙感相機的標準化工作相對滯后，制定的相關國家級標準和行業(yè)級標準較少，且大部分還是針對傳統(tǒng)的膠片相機。同時，國家層面的標準體系中對該領域標準涉及較少，缺少對相關標準制修訂系統(tǒng)的頂層規(guī)劃。目前我國關于相機的只有1項行業(yè)級標準和6項國家級標準，其中大部分還是針對膠片型相機，相關標準體系中也缺乏對相機標準的系統(tǒng)規(guī)劃。標準的缺乏使得用戶和研制單位在談判時沒有統(tǒng)一的交流平臺，如：采購時協(xié)商哪些指標項目、驗收時采用哪種測試方法等?？梢哉f，相比于技術發(fā)展，相機的標準化工作相對滯后。

另外，在近些年的商業(yè)遙感衛(wèi)星國際合作項目中，外方經(jīng)常拿標準來約束我方的研制過程，要求我方提供各個研制環(huán)節(jié)執(zhí)行的標準。這對星載光學遙感相機的標準化工作提出了新的要求。為更好地發(fā)揮標準指導產(chǎn)品采購、研制、驗收的引領和規(guī)范作用，促進星載光學遙感相機行業(yè)的發(fā)展，有必要開展相機標準體系建設的研究，規(guī)劃相機標準的發(fā)展藍圖。

1 標準需求分析

星載光學相機是一種復雜的系統(tǒng)級產(chǎn)品，一般由光學系統(tǒng)、焦面組件、電子學系統(tǒng)、結構與機構、熱控系統(tǒng)等功能模塊組成[2]。它還是一種定制產(chǎn)品，幾乎每臺相機都需要根據(jù)任務需求進行專門設計，不同相機由于設計方案不同，每個功能模塊在具體的物理組成上存在著一定的差異。

星載光學相機的種類較多，按成像譜段可分為紫外相機（衛(wèi)星遙感領域應用較少）、可見光相機、紅外相機等。對于不同成像譜段的相機，由于成像原理不同，它們在設計、生產(chǎn)、測試、試驗和應用等方面存在較大的差異?！翱梢姽庀鄼C”主要獲取地物反射的太陽電磁波輻射的可見光譜段信息，一般用CCD、TDICCD、CMOS作為探測器，廣泛用于偵察、測繪、資源探測、環(huán)境監(jiān)視等領域；“紅外相機”主要獲取地物反射的太陽紅外輻射及地物自身輻射的溫度、熱量信息，一般用HgCdTe作為探測器，廣泛用于偵察、預警、氣象、海洋等領域。

按成像波段數(shù)目還可分為全色相機、多光譜掃描儀、高光譜成像儀等。“全色相機”只對一個波段成像；“多光譜掃描儀”可以對多個離散波段（一般在10的量級范圍）成像，每個波段的寬度在100nm的量級范圍；“高光譜成像儀”可對多個連續(xù)波段（一般在100的量級范圍）成像，每個波段的寬度在10nm的量級范圍。全色圖像具有較高的空間分辨率，但它只是對單一波段影像的攝取，得到的是灰度圖片，無法顯示地物色彩。多光譜圖像和高光譜圖像的空間分辨率較低，但光譜信息更豐富，通過對不同波段賦予不同的RGB值可以得到彩色圖像。目前的遙感衛(wèi)星普遍同時裝載了全色相機和多光譜掃描儀，以求通過后期對同一景全色圖像和多光譜圖像的融合處理得到高分辨率的彩色圖像，從而對地物特征進行更精細的描述[3]。因此，應針對上述各類產(chǎn)品特點分析對有關標準的需求，并合理規(guī)劃標準體系、制定標準編制計劃。

1.1 指標體系

星載光學遙感相機是一種定制產(chǎn)品，由于任務需求不同，每臺相機的技術指標都存在較大的差異。另外，隨著研制技術的快速發(fā)展，即使是針對同一遙感任務的相機，其技術指標也在不斷更新，沒有必要制定產(chǎn)品規(guī)范類標準[4]。對于同一譜段的相機來說，雖然不同相機在技術指標上存在較大差異，但反映相機功能性能的指標項目是類似的，工程上將這些反映產(chǎn)品各方面特性及其相互關系的指標項目所構成的有機整體稱為指標體系。指標體系是用戶和研制方溝通的基礎，它對用戶抽象的需求進行分解，將其轉(zhuǎn)換成研制方制定研制方案的依據(jù)，對于用戶采購和相機研制具有重要意義。目前相機領域還沒有這方面的標準，建議針對可見光相機和紅外相機分別制定指標體系標準。標準中應按空間性能、輻射性能、光譜性能、幾何性能等分類[2]列出用戶和研制方共同關注的所有指標項目。同時，對每一項指標的定義及其對相機系統(tǒng)功能性能的影響程度進行說明，從而建立反映任務需求、覆蓋性能要求、體現(xiàn)約束條件的指標體系，以指導用戶和研制方完成任務分析、確定相機的技術指標、制定研制任務書。

1.2 產(chǎn)品設計

星載光學遙感相機是一種復雜的系統(tǒng)級產(chǎn)品，由多個功能模塊組成，相機的設計同樣也是一項復雜的系統(tǒng)工程。相機設計分為總體設計和模塊設計，“總體設計”包括總體方案選型、總體參數(shù)設計、光學系統(tǒng)初步設計、總體構型設計、總體指標分配、綜合分析與性能預估等內(nèi)容[2]；“模塊設計”包括光學系統(tǒng)、電子學系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等功能模塊的設計[2]。我國目前還沒有公開發(fā)布的相機設計標準，但各相機研制單位都制定了適應自身需要的企業(yè)標準。這主要是因為不同研制單位掌握的技術不同，在相機的設計和具體實現(xiàn)上存在較大差異，同時由于商業(yè)機密和專利等方面的原因，各廠商也不可能將自己的方法和經(jīng)驗在行業(yè)內(nèi)推廣。

標準是一種市場化的行為，是一個行業(yè)規(guī)范化的標志，是一個國家軟實力的體現(xiàn)。站在國家的角度，應考慮整個行業(yè)的發(fā)展；站在行業(yè)的角度，應考慮整條產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化。因此，針對相機設計制定標準（行業(yè)級以上）是非常必要的。作為國家級和行業(yè)級標準，相機的設計標準應重點關注相機系統(tǒng)及其各功能模塊的設計流程、設計原則、設計驗證、產(chǎn)品保證等與專利和具體實現(xiàn)無關的內(nèi)容，從優(yōu)化產(chǎn)品設計和提高產(chǎn)品質(zhì)量的角度規(guī)范相機的設計。建議針對可見光相機和紅外相機分別制定設計標準，并分為總體設計和模塊設計兩大類，同時在每一份標準中說明對不同類型相機（全色、多光譜、高光譜等）、不同用途相機（偵察、測繪、預警等）設計的特殊考慮。

1.3 產(chǎn)品測試及試驗

1.3.1 地面測試及試驗

地面測試及試驗[5]貫穿了產(chǎn)品的整個研制階段，是研制方對產(chǎn)品設計進行驗證的重要環(huán)節(jié)，同時也是用戶驗收的重要環(huán)節(jié)。地面測試需要對研制任務書中規(guī)定的所有性能指標進行測試，衛(wèi)星上天后無法驗證的功能性能指標都將以地面測試結果作為驗收依據(jù)。對于某些測試項目，往往可以使用多種測試方法，測試方法的選擇直接決定了測試精度，對測試結果起著至關重要的作用，需要通過標準對測試方法進行統(tǒng)一和規(guī)范。地面試驗則是為了進一步了解相機性能的一種操作手段，主要有實驗室輻射定標[6]和真空成像試驗。其中，實驗室定標主要用于對探測器進行非均勻性校正和為在軌應用過程中圖像的輻射校正提供參考數(shù)據(jù)；真空成像試驗主要用于檢驗相機在模擬空間環(huán)境條件下的成像質(zhì)量、確定相機無窮遠焦平面位置在模擬在軌條件下相對于常溫常壓條件下的變化情況。

目前，與相機地面測試及試驗相關的標準主要有GJB 1031－1990《星載可見光偵察相機通用規(guī)范》、GJB 1418－1992《星載可見光測量相機通用規(guī)范》、GJB 2501B－2004《星載攝影相機性能試驗方法》、GJB 2705－1996《星載CCD相機通用規(guī)范》、GJB 4036－2000《星載遙感儀器紅外通道輻射定標方法》和GJB 7356－2011《航天遙感器可見光波段至短波紅外波段輻射定標方法》。其中，GJB 1031、GJB 1418及GJB 2501的相關技術內(nèi)容是基于膠片相機制定的，GJB 2705和GJB 4036的相關技術內(nèi)容是基于早期傳輸型相機制定的，這5項標準發(fā)布時間較長，都已經(jīng)不能滿足目前型號研制的需要。GJB 7356主要針對可見光相機的實驗室輻射定標，該標準的技術內(nèi)容目前仍然適用。對于不同譜段的相機，其測試原理、測試儀器及設備、測試方法存在較大的差異，如可見光相機一般用積分球作為光源，紅外相機一般用黑體作為輻射源。建議針對可見光和紅外兩個譜段的相機分別制定測試標準。

同時，考慮到相機的性能指標較多，不同類型的測試項目之間相對獨立，建議按照光學特性測試（如內(nèi)方位元素、真空離焦量、空間分辨率、光譜透過率、光學系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)等的測試）、系統(tǒng)特性測試（如相機視軸與基準面夾角、系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)、系統(tǒng)光譜特性、信噪比、動態(tài)范圍等的測試）、真空成像試驗及輻射定標試驗分別制定測試及試驗標準。標準中應明確測試（試驗）原則、測試（試驗）系統(tǒng)、測試（試驗）方法及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，以指導和規(guī)范相機地面測試及試驗工作的開展。

除了與性能相關的測試及試驗外，相機還需要進行環(huán)境適應性試驗。環(huán)境適應性試驗一般包括力學試驗、熱試驗、磁試驗、電磁兼容性試驗、輻照試驗等。對于相機來說，其所采用的環(huán)境試驗方法與其他航天產(chǎn)品沒有本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)有標準可以通用，沒有必要再專門針對相機制定此類標準。

1.3.2 在軌測試

在軌測試[6]是衛(wèi)星交付用戶前的最后一個環(huán)節(jié)，也是衛(wèi)星驗收最重要的環(huán)節(jié)，需要衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、運控系統(tǒng)、應用系統(tǒng)共同參與完成。同時在軌測試結果也是用戶進行飛行結果評定的重要依據(jù)，直接關系著任務成敗。另外，對于光學遙感相機來說，受元器件老化等因素的影響，相機的響應特性會不斷變化，因此需要定期通過在軌輻射定標進行檢查[6]。輻射定標貫穿了相機在軌應用的全壽命周期，這也是遙感衛(wèi)星在軌測試與其他類型衛(wèi)星最大的區(qū)別。

經(jīng)過多顆遙感衛(wèi)星在軌測試的工程實踐，我國已經(jīng)形成了一套在軌測試工作規(guī)程，具備了標準化的基礎和條件。在軌測試的對象是整星，由于衛(wèi)星已發(fā)射升空，在軌測試只能通過衛(wèi)星回傳的遙測參數(shù)和遙感數(shù)據(jù)來檢查衛(wèi)星的工作狀態(tài)，因此在軌測試的測試項目不能覆蓋衛(wèi)星的所有技術指標。

遙感衛(wèi)星在軌測試的測試項目一般分為三大類：平臺、有效載荷和星地一體化，其中有效載荷測試和星地一體化測試都涉及相機。有效載荷測試主要針對相機自身的成像功能和性能，星地一體化指標測試主要針對由相機、衛(wèi)星平臺及地面系統(tǒng)共同確定的地面像元分辨率、成像幅寬、輻射定標精度、目標定位精度等技術指標。

從系統(tǒng)總體的角度出發(fā)，應針對整星制定在軌測試標準，但考慮到同一譜段相機可裝載于多種用途的遙感衛(wèi)星，如果僅針對整星制定標準，由于不同用戶習慣上的差異，會使得相機部分的內(nèi)容在描述上存在差異，失去了標準的意義。目前，我國還沒有關于遙感衛(wèi)星在軌測試的標準。建議專門針對不同譜段的相機制定在軌測試標準，在個別指標的測試上體現(xiàn)不同用途遙感衛(wèi)星的差異，各類遙感衛(wèi)星的在軌測試標準中關于相機的部分直接引用該標準。

表1 相機規(guī)劃標準項目清單

2 標準體系建設

以上從指標體系、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品測試及試驗等方面闡述星載光學遙感相機所需的標準，力求體現(xiàn)用戶和研制單位的標準需求，便于全面規(guī)劃相機標準體系，以指導產(chǎn)品的采購、研制及驗收，從而規(guī)范和促進行業(yè)的發(fā)展。建議的星載光學遙感相機標準體系框架如圖1所示，規(guī)劃的標準項目見表1。

綜上所述，標準需求體現(xiàn)在：指標體系——分別制定可見光相機和紅外相機指標體系標準；產(chǎn)品設計——制定產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化的相機設計行業(yè)級以上標準，針對可見光相機和紅外相機分別制定設計標準；產(chǎn)品測試及試驗——針對可見光和紅外兩個譜段的相機分別制定測試標準，專門針對不同譜段的相機制定在軌測試標準。隨著我國衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和遙感衛(wèi)星國際合作項目的深入開展，標準作為技術法規(guī)將在其中發(fā)揮越來越重要的作用。開展相機標準研究并制定一套完整的標準，一方面可以通過標準為用戶和研制方搭建交流的平臺，在統(tǒng)一雙方對相機技術指標的理解同時，還提供相機驗收的判據(jù)；另一方面還能通過標準規(guī)范相機的研制流程及相關環(huán)節(jié)，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使得企業(yè)可以把更多的經(jīng)費和精力放在技術的創(chuàng)新上。標準體系的規(guī)劃和建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要考慮型號研制的實際情況、國際合作的需求以及技術發(fā)展的趨勢；同時標準體系的規(guī)劃和建設還是一個逐步完善的過程，需要根據(jù)新技術、新產(chǎn)品、新需求的出現(xiàn)對標準體系進行修訂和優(yōu)化。本文所規(guī)劃的標準體系是基于我國相機的研制現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃提出的，希望可以作為我國星載光學遙感相機標準體系建設的參考。

［1］邱學雷．我國成功發(fā)射高分二號衛(wèi)星［J］．中國航天，2014（9）．

［2］馬文坡．航天光學遙感技術［M］．北京：中國科學技術出版社，2011．

［3］種占學．多源全色影像與多光譜影像融合技術研究［J］．河北師范大學學報，2009（3）．

［4］程旭輝．GJB0《軍用標準文件編制工作導則》實施指南［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2007．

［5］徐福祥．衛(wèi)星工程［M］．北京：中國宇航出版社，2002．

［6］陳世平．空間相機設計與試驗［M］．北京：中國宇航出版社，2003．

張樂（1985年—），男，碩士，工程師，研究方向：航天器標準化、衛(wèi)星應用標準化。

※本文源于國家軍用標準《星載可見光測繪相機規(guī)范》（計劃項目代號為16TJ008）。