光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中的應(yīng)用研究

曲陽 曹顯瑩

[摘 要] 首先，對光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)進行了基本的介紹，包括光學(xué)穩(wěn)像圖像穩(wěn)定的理論基礎(chǔ)、成像的基本原理以及目前的發(fā)展情況。繼而探討光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中的一些具體應(yīng)用，主要包括用于衛(wèi)星間通信的激光穩(wěn)瞄光學(xué)系統(tǒng)、穩(wěn)像航空以及航天相機。通過研究探討可以得出，空間通信在很多方面可以運用到光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)。

[關(guān) 鍵 詞] 光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)；空間通信；圖像穩(wěn)定

[中圖分類號] V443 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0113-01

近年來，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)正在從靜態(tài)成像向動態(tài)成像過渡，這適應(yīng)當(dāng)今空間通信技術(shù)的需要，使光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)越來越成為近年來光學(xué)專家的主要研究對象，同時，光學(xué)專家研究的重點還在于穩(wěn)像航天以及穩(wěn)像航空相機成像的問題。但是，目前航空航天相機在通信中的應(yīng)用主要是搭載在高速運動的載體上，載體高速運動會干擾相機的分辨率，使相機的成像不穩(wěn)定，降低航天航空相機的識別能力，特別是航空航天在運用光學(xué)技術(shù)成像時，當(dāng)相機的放大倍率放得越大，干擾作用越強。所以，對光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的研究對空間通信非常有意義。

一、光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的介紹

科學(xué)技術(shù)的快速進步，為穩(wěn)像技術(shù)提供了技術(shù)前提條件，各種穩(wěn)像技術(shù)相繼問世，其中，光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)是圖像穩(wěn)定技術(shù)中的一項重要技術(shù)，與機械穩(wěn)像技術(shù)、電子穩(wěn)像技術(shù)構(gòu)成三大圖像穩(wěn)定技術(shù)。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)原理主要是借助穩(wěn)定機構(gòu)的穩(wěn)定作用，進而對整個光學(xué)儀器進行穩(wěn)定或者只對光學(xué)儀器中的重要部件進行穩(wěn)定。比如，當(dāng)搭載高速運動的航天航空相機在成像受到干擾時，就可以矯正光學(xué)儀器成像，使其不受干擾，從而獲得清晰穩(wěn)定的圖像，以滿足科研的需要[1]。

光學(xué)穩(wěn)像根據(jù)不同的參考系其穩(wěn)像有所不同，在空間穩(wěn)像上主要分為絕對空間穩(wěn)像以及相對空間穩(wěn)像，光學(xué)儀器中光學(xué)穩(wěn)像裝置也有很多種，在空間通信中常用的有折射部件以及光纖維式的。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中比機械穩(wěn)像技術(shù)適合，主要體現(xiàn)在穩(wěn)像的系統(tǒng)上，機械穩(wěn)像系統(tǒng)首先要求被穩(wěn)定的部分必須是一個整體，同時體積大，并且質(zhì)量同樣要大，但是光學(xué)穩(wěn)像只是針對光學(xué)系統(tǒng)的整體或某個部件進行穩(wěn)定，被穩(wěn)定的部分可以很小，質(zhì)量也可以很輕，很滿足空間通信的需求。因此，可以簡單地說，穩(wěn)像技術(shù)的研究如果取得良好的成果必然推動空間通信的發(fā)展，所以，本課題就光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間的具體應(yīng)用進行研究具有十分重要的意義[2]。

二、運用于衛(wèi)星間通信的激光穩(wěn)瞄光學(xué)系統(tǒng)

美國是最先將光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)運用于激光通信系統(tǒng)的國家，早在1981年，美國在白沙導(dǎo)彈靶場進行了一項實驗，主要內(nèi)容就是完善激光通信系統(tǒng)，使其能好地與空中的飛機進行通信并且取得了較好的成果，之后，各國加大對空間通信的研究，已經(jīng)發(fā)展到衛(wèi)星間的通信。衛(wèi)星間的通信首先要解決的重要問題之一就是距離的問題，這對衛(wèi)星的激光發(fā)射系統(tǒng)要求非常高，因為當(dāng)激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射光束時由于衛(wèi)星的高速運動而導(dǎo)致光束偏離了原來預(yù)定的軌道，從而造成衛(wèi)星間通信失敗。而運用光學(xué)穩(wěn)像系統(tǒng)能很好地解決上述問題，光學(xué)穩(wěn)像系統(tǒng)所發(fā)的光束是穩(wěn)定的激光束，光的發(fā)散角非常小，故而衛(wèi)星間可以穩(wěn)定地通信，因此，光學(xué)穩(wěn)像系統(tǒng)也被稱為激光穩(wěn)瞄系統(tǒng)[3]。激光穩(wěn)瞄系統(tǒng)有基準(zhǔn)式穩(wěn)瞄系統(tǒng)和隨動式穩(wěn)瞄系統(tǒng)，主要針對基準(zhǔn)式穩(wěn)瞄系統(tǒng)進行研究。對基準(zhǔn)式穩(wěn)瞄光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)物出現(xiàn)在超遠(yuǎn)距離時，透鏡上的像方節(jié)點與等效節(jié)點就會移動，當(dāng)兩者重合時，透鏡就會跟隨載體進行移動，此時像點的運動就是等效節(jié)點的運動，當(dāng)接收器的位移與物鏡后的光學(xué)元件后像節(jié)點位移一樣，那么，基準(zhǔn)式穩(wěn)瞄光學(xué)系統(tǒng)就可以做到穩(wěn)像。

三、穩(wěn)像航空和航天相機

近年來，光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中的一個主要體現(xiàn)就是穩(wěn)像航空和穩(wěn)像航天相機方面，促進了空間通信的發(fā)展，大大提高了航空航天相機的成像穩(wěn)定性，拍攝了許多非常有用的成品，為空間通信的建設(shè)提供了強有力的保證。航空相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)與航天相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)在相對穩(wěn)像原理上不同，對航空相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)而言，其在穩(wěn)像原理上是設(shè)定地面目標(biāo)是靜止的，忽略地球的自轉(zhuǎn)，其反射鏡是四塊平面反射鏡按照一定的規(guī)則順序擺放而組成的，并且目標(biāo)成像一直都是處于接收器的中心上，從而實現(xiàn)了相對穩(wěn)像，而對航天相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)而言，其在穩(wěn)像原理上設(shè)定考慮了地球的自轉(zhuǎn)，當(dāng)航天相機進行拍攝時，相機的底片與其本身的底邊框會有一個相對的運動，繼而保證接收器能穩(wěn)定地接收到物像，從而實現(xiàn)相對穩(wěn)像[4]。

總之，近年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，促使光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中占的比重越來越高，運用于衛(wèi)星間通信的激光穩(wěn)瞄光學(xué)系統(tǒng)、航空相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)以及航天相機穩(wěn)像光學(xué)系統(tǒng)相繼問世，光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信中的應(yīng)用，必然推動空間通信向著更高一步發(fā)展。為促使國內(nèi)空間通信技術(shù)可以更加穩(wěn)定地發(fā)展，還需要在后續(xù)工作中對光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)持續(xù)改善。

參考文獻：

[1]周慶才，王志堅，王春艷.光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)在空間通信及航空、航天中應(yīng)用的探討[J].空間科學(xué)學(xué)報，2004，24（1）：74-80.

[2]李浩洋，劉兆軍，徐彭梅.淺談空間光學(xué)遙感器穩(wěn)像技術(shù)[J].航天返回與遙感，2010，31（6）：52-57.

[3]周慶才，王志堅，王春艷.基于穩(wěn)像理論的空間光學(xué)遙感像移補償?shù)姆治雠c計算[J].光學(xué)學(xué)報，2004，24（3）：413-417.

[4]王得寶，顧宏斌，高振興，等.基于灰度投影的航空航天穩(wěn)像技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014，45（12）：66-68.