國外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展探析

陳建光 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

國外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展探析

Analysis on the Emerging Technology of Foreign Satellite Optical Remote Sensor

陳建光 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

衛(wèi)星遙感利用衛(wèi)星平臺搭載光學(xué)、雷達(dá)、紅外等遙感器，獲取地球陸地、海洋和大氣的特征信息，形成圖像以及反映物質(zhì)成分的光譜信息等遙感產(chǎn)品。國外正在大力發(fā)展天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開光學(xué)成像、天基光學(xué)合成孔徑成像、天基超光譜成像等新型衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在空間、時間、光譜等不同維度的高分辨率光學(xué)探測。

1 國外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

高軌高分辨率光學(xué)成像是未來實(shí)現(xiàn)持續(xù)目標(biāo)偵察與監(jiān)視的重要途徑。目前的成像衛(wèi)星盡管已實(shí)現(xiàn)0.5m空間分辨率，但主要部署在700km以下的低地球軌道，僅能在飛經(jīng)目標(biāo)上空時才能進(jìn)行十幾分鐘“過頂”觀測，再次重訪需要1天以上。天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開光學(xué)成像、天基光學(xué)合成孔徑成像等技術(shù)可有效解決研制和部署大口徑光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，在距離地球表面約36000km的地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)高分辨率“凝視”成像，滿足對目標(biāo)連續(xù)監(jiān)視以及緊急事態(tài)響應(yīng)的需求。

高光譜分辨率成像是辨析未來戰(zhàn)場態(tài)勢的重要手段。天基超光譜成像技術(shù)可在成百上千個近似連續(xù)的光譜譜段上成像，分析出被喻為物質(zhì)“指紋”的光譜特征，辨別目標(biāo)物質(zhì)成分，進(jìn)而識別偽裝。

2 典型衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)

天基薄膜衍射成像技術(shù)開辟高軌高分辨率成像衛(wèi)星的新途徑空間分塊可展開光學(xué)成像技術(shù)推動大口徑光學(xué)系統(tǒng)的空間應(yīng)用

薄膜衍射成像技術(shù)采用衍射成像原理，利用輕質(zhì)可折疊薄膜替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)鏡片，解決高軌道（如地球靜止軌道）光學(xué)成像衛(wèi)星光學(xué)口徑的瓶頸問題。

美國“莫爾紋”項(xiàng)目地面樣機(jī)

菲涅爾波帶片（左）和光子篩（右）

天基大口徑衍射成像系統(tǒng)的概念最早是美國在1996年提出的，并在2003年成功研制和測試了一個5m口徑的原理樣機(jī)，驗(yàn)證了天基衍射成像技術(shù)的可行性。2010年后，美國開展了基于不同衍射薄膜的“莫爾紋”（MOIRE）、獵鷹衛(wèi)星-7（FalconSat-7）等項(xiàng)目，探索利用天基薄膜衍射成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)高軌高分辨率成像的技術(shù)途徑，并且取得重大突破，其他國家尚未實(shí)施類似項(xiàng)目?！澳獱柤y”項(xiàng)目采用一組透明和不透明同心圓環(huán)間隔組成的光柵薄膜（即菲涅爾波帶片），已在2014年完成5m口徑地面樣機(jī)的衍射成像試驗(yàn)，技術(shù)成熟度達(dá)到4級；獵鷹衛(wèi)星-7項(xiàng)目采用表面布滿微孔環(huán)帶陣列的光子篩薄膜，具有較高的光束聚焦性能，技術(shù)成熟度達(dá)到7級。美國計(jì)劃在2018年發(fā)射1顆立方體衛(wèi)星，開展在軌飛行試驗(yàn)。

天基薄膜衍射成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要突破兩大關(guān)鍵技術(shù)，包括高控制精度衛(wèi)星平臺和輕質(zhì)衍射薄膜技術(shù)。首先，由于衍射成像系統(tǒng)的焦距較長，高控制精度衛(wèi)星平臺應(yīng)滿足所需長支撐結(jié)構(gòu)或者雙星編隊(duì)飛行的需求。例如，部署在地球靜止軌道的20m口徑偵察衛(wèi)星，其支撐結(jié)構(gòu)長度需要達(dá)到50m。其次，輕質(zhì)衍射薄膜可大幅降低光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量和加工要求。在相同分辨率下，薄膜衍射成像系統(tǒng)的質(zhì)量僅為反射光學(xué)系統(tǒng)的1/7，且對鏡面加工精度的要求降至反射系統(tǒng)的1/2，易于批量生產(chǎn)。

天基薄膜衍射成像技術(shù)未來可應(yīng)用在高軌或者低軌成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。一是應(yīng)用于地球靜止軌道高分辨率成像偵察衛(wèi)星，美國計(jì)劃研制一顆20m口徑的偵察衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)視場10km×10km、分辨率1m、成像速率1幀/秒的地球靜止軌道連續(xù)成像；二是構(gòu)建低軌小衛(wèi)星星座，利用輕質(zhì)、小型的薄膜衍射成像系統(tǒng)獲取高分辨率圖像，“按需”向前線作戰(zhàn)人員提供可靠的持續(xù)監(jiān)視圖像。

天基薄膜衍射成像技術(shù)代表了高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的一個重要發(fā)展方向。無論是高軌衛(wèi)星還是低軌衛(wèi)星星座，都將使美軍實(shí)現(xiàn)有效的全球偵察，以及對目標(biāo)的連續(xù)、實(shí)時監(jiān)視。這種實(shí)時、近實(shí)時的高分辨率成像偵察能力將撥開“戰(zhàn)爭迷霧”，推動游戲規(guī)則的變革。

空間分塊可展開光學(xué)成像技術(shù)采用“分塊”概念，將大口徑（如3m以上）光學(xué)系統(tǒng)的主鏡分成多個尺寸較小的輕量化子鏡，經(jīng)折疊后可適應(yīng)運(yùn)載火箭對載荷尺寸的要求，入軌后展開并鎖定，按設(shè)計(jì)的排列方式拼接形成一個主鏡。

分塊拼接鏡片的設(shè)計(jì)方案最早在1977年提出，用于建造地基天文望遠(yuǎn)鏡，并在1993年首次應(yīng)用于10m口徑的“凱克”（Keck）望遠(yuǎn)鏡。其主鏡由36塊子鏡拼接而成。美國在1996年提出利用該技術(shù)研制“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST），同期也曾研制“分塊反射鏡望遠(yuǎn)鏡”偵察衛(wèi)星，但在2005年完成樣機(jī)研制后終止?？臻g分塊可展開光學(xué)成像技術(shù)主要由美國開展研究，已處于工程研制階段，“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的首次空間應(yīng)用。該望遠(yuǎn)鏡主鏡由18個六邊形子鏡拼接成一個口徑6.5m的鏡片，約為美國現(xiàn)役“鎖眼”（Keyhole，KH）偵察衛(wèi)星主鏡口徑的2倍；發(fā)射時，兩側(cè)的分塊子鏡可向后折疊，使整星包絡(luò)直徑小于4.5m，以滿足運(yùn)載火箭的整流罩尺寸要求?！罢材匪埂ろf伯空間望遠(yuǎn)鏡”盡管設(shè)計(jì)用于天文觀測，也為未來的對地成像偵察奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，如果部署在地球靜止軌道，可實(shí)現(xiàn)1.75m分辨率，且具備對目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力。受限于現(xiàn)有運(yùn)載火箭能力，大口徑的空間分塊可展開光學(xué)系統(tǒng)必須采用超輕質(zhì)分塊子鏡，以折疊狀態(tài)發(fā)射并在入軌后展開，涉及輕量化鏡片材料、鏡片面形精度、子鏡拼接、精密展開、自適應(yīng)光學(xué)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。輕量化鏡片技術(shù)是其中的關(guān)鍵。美國歷經(jīng)11年才實(shí)現(xiàn)“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”主鏡的工程研制，其輕量化鈹鏡的面密度僅為10.3kg／m2，是“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”（HST）的1/16，大幅降低了衛(wèi)星質(zhì)量。

“凱克”地基望遠(yuǎn)鏡

空間分塊可展開光學(xué)成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)系統(tǒng)空間應(yīng)用的重要途徑。該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用具備在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)1米量級高分辨率成像偵察的能力，并且可借助對地相對靜止的優(yōu)勢，使對目標(biāo)的持續(xù)偵察監(jiān)視成為可能。這種能力將能夠顯著增強(qiáng)對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力，提供實(shí)時的戰(zhàn)前戰(zhàn)后偵察和評估，有效支持戰(zhàn)術(shù)行動計(jì)劃的制定和執(zhí)行。

天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)處于方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段

天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)利用精確排列的多個小口徑光學(xué)元件或者光學(xué)系統(tǒng)，使通過各子孔徑的光束在成像傳感器上實(shí)現(xiàn)干涉成像，達(dá)到大口徑光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，且可有效避免大口徑光學(xué)系統(tǒng)的加工難度。

“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”

“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”主鏡的在軌展開過程

由3個或6個子孔徑組成的光學(xué)合成孔徑成像方案

光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)可分為斐索干涉成像和邁克爾遜干涉成像兩種類型，在20世紀(jì)80～90年代均已應(yīng)用于地基天文觀測，天基應(yīng)用仍處于方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段，美國處于全球領(lǐng)先水平，歐洲也在積極探索相關(guān)技術(shù)。

斐索干涉成像將不同子孔徑的光束匯聚后可直接形成目標(biāo)的模糊像，經(jīng)圖像恢復(fù)運(yùn)算得到清晰圖像，因此成為早期天基應(yīng)用研究的重點(diǎn)。美歐從20世紀(jì)90年代末開始陸續(xù)提出多望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)、共次鏡結(jié)構(gòu)等方案，但均未能進(jìn)入工程研制階段，如歐洲“地球靜止軌道1米分辨率”方案等。邁克爾遜干涉成像通過測量不同子孔徑光束形成的干涉信息，如振幅和相位等，經(jīng)逆傅里葉變換得到目標(biāo)圖像。由于需要測量大量的干涉信息，邁克爾遜干涉成像雖然可通過長基線獲得極高分辨率，但成像周期長達(dá)數(shù)小時，多用于對靜止目標(biāo)成像，如天文觀測。近年來，美國正在研發(fā)利用大規(guī)模微型干涉儀陣列的干涉成像系統(tǒng)，即“蜘蛛”（SPIDER，即“分塊式平面光電成像”探測器）系統(tǒng)，通過增加干涉測量基線數(shù)量，將成像周期大幅降低到數(shù)百毫秒。

基于大規(guī)模微型望遠(yuǎn)鏡陣列的“蜘蛛”成像儀

光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)的天基應(yīng)用不僅要具備相位同步、圖像恢復(fù)與增強(qiáng)、高穩(wěn)定姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)，還必須采用輕質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)。其中，斐索干涉成像可利用多個小鏡片取代單個鏡片，降低了研制難度和系統(tǒng)質(zhì)量；在邁克爾遜干涉成像方面，“蜘蛛”系統(tǒng)的核心器件光子集成電路采用微機(jī)電加工工藝制造，整個系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1%，且相同口徑情況下成像水平可提高10倍以上。該系統(tǒng)有望在未來5～10年達(dá)到實(shí)用化程度，可應(yīng)用于小型衛(wèi)星、無人機(jī)平臺等。

天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)是高分辨率衛(wèi)星光學(xué)遙感器的新發(fā)展途徑，盡管目前處于方案設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證階段，但應(yīng)用于大口徑光學(xué)系統(tǒng)的潛力巨大。該技術(shù)既可用于高軌大口徑偵察衛(wèi)星，也可用于目前正在創(chuàng)造“軌道革命”的微小衛(wèi)星，形成高分辨率低軌衛(wèi)星星座，從而為未來軍事行動提供廣泛的偵察與監(jiān)視、目標(biāo)變化監(jiān)測等戰(zhàn)術(shù)支持。

天基超光譜成像技術(shù)正在從技術(shù)試驗(yàn)轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)應(yīng)用

天基超光譜成像技術(shù)是一種在數(shù)百到數(shù)千個“連續(xù)”的光譜譜段獲取目標(biāo)區(qū)域圖像的衛(wèi)星遙感技術(shù)。由于在接近連續(xù)譜段成像，超光譜成像可獲取目標(biāo)的光譜“指紋”，從而用于辨別目標(biāo)物質(zhì)成分或者識別偽裝，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

國外在20世紀(jì)末開始探索超光譜成像技術(shù)的天基應(yīng)用，美國、歐洲、日本已陸續(xù)實(shí)施多個在軌試驗(yàn)項(xiàng)目。與多光譜成像衛(wèi)星通常僅采用幾個目標(biāo)特征譜段成像不同，超光譜成像衛(wèi)星的成像譜段可達(dá)到數(shù)百到數(shù)千個。現(xiàn)有在軌試驗(yàn)衛(wèi)星的成像譜段超過400個，主要覆蓋可見光／近紅外譜段，光譜分辨率已達(dá)到1～5nm（多光譜成像衛(wèi)星的光譜分辨率通常大于100nm）。其中，美國的戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3（TacSat-3）已驗(yàn)證了天基超光譜成像技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)支持能力，響應(yīng)時間為10～30min。目前，天基多光譜成像與超光譜成像比較技術(shù)正在從技術(shù)試驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用，美國、歐洲已開始規(guī)劃和構(gòu)建利用超光譜成像技術(shù)的商用、民用遙感衛(wèi)星系統(tǒng)。美國率先提出在2018年構(gòu)建全球首個商用超光譜成像衛(wèi)星系統(tǒng)，可通過商業(yè)采購或其他形式滿足目標(biāo)偵察、偽裝識別等軍事應(yīng)用的需求。

多光譜成像與超光譜成像比較

為實(shí)現(xiàn)數(shù)百上千的成像譜段，天基超光譜成像技術(shù)必須解決光譜分離問題。目前較先進(jìn)的分光技術(shù)是利用外加射頻使各向異性的晶體形成光柵，通過調(diào)節(jié)射頻選擇成像譜段。例如，在計(jì)算機(jī)控制下液晶可調(diào)濾波片具備400個成像譜段，且光譜分辨率達(dá)到5nm。

天基超光譜成像技術(shù)的連續(xù)光譜成像能力可獲取目標(biāo)的精細(xì)光譜特征，在軍事上可廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)環(huán)境探測、軍事裝備的偵察和偽裝識別、戰(zhàn)場上的武器（如核武器或生化武器）利用情況分析，以及確定海灘特征和水下危險物等，支持海軍近海作戰(zhàn)。結(jié)合高軌高分辨率偵察衛(wèi)星、低軌偵察衛(wèi)星星座，天基超光譜成像技術(shù)可大幅擴(kuò)展基于衛(wèi)星的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，形成在空間、時間、光譜等不同維度的全面感知。

3 總結(jié)

國外衛(wèi)星光學(xué)遙感器技術(shù)未來重點(diǎn)發(fā)展對戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)行動的支持能力，不僅要求能夠提供高分辨率衛(wèi)星圖像，并已著手改進(jìn)重訪時間和加強(qiáng)對圖像的特征分析。通過發(fā)展上述衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)，美國、歐洲等期望實(shí)現(xiàn)在全球范圍的多維度、綜合探測能力，加強(qiáng)對重點(diǎn)目標(biāo)的定位和持續(xù)監(jiān)視，強(qiáng)化對戰(zhàn)場態(tài)勢感知的“單向透明”能力，確保掌控戰(zhàn)爭進(jìn)程。