相機陣列在空間目標觀測中的應用綜述

曾海瑞，孫華燕，楊 彪，張廷華

（1.航天工程大學研究生院，北京101416；2.航天工程大學光電裝備系，北京101416）

1 引 言

眾所周知，隨著航天科技的發(fā)展，人類空間活動的加劇，地球軌道空間分布了大量人造目標，包括衛(wèi)星、火箭殘骸和大量碎片，這些空間目標分布在不同軌道，嚴重影響了人類的空間活動，對太空安全造成威脅［1］。因此對這些空間目標進行有效地觀測、識別，具有重要的戰(zhàn)略意義［2］?？臻g目標的觀測目前主要有兩種方法：雷達觀測和光學觀測［3］。光學觀測具有直觀性強，成本低，不受地面雜波干擾影響，能夠對空間目標進行有效搜索跟蹤的優(yōu)勢，因此多國都建立龐大的光學觀測系統(tǒng)對空間目標進行觀測。

空間目標觀測又以大視場、高探測能力、高分辨率為需求。近年來，由于大口徑光學觀測系統(tǒng)的種種限制，一些空間目標觀測項目選擇使用商用相機陣列和商業(yè)攝影鏡頭來實現(xiàn)低成本、廣域的觀測［4］。 如 FAVOR、RAPTOR、PANOPTES 和dragonfly等項目都依賴于多個帶有商業(yè)鏡頭的相機，每天晚上都可以在廣闊的天空中對空間目標進行觀測［5-8］。相對大口徑光學系統(tǒng)研制周期長、發(fā)展技術困難，成本高的缺點，相機陣列光學觀測系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、分辨率高、視場大、探測能力強的優(yōu)勢，發(fā)展迅猛［9-10］。因此基于各種應用需求，國內(nèi)外都在相機陣列系統(tǒng)上進行了大量的研究，利用相機組陣特性在各個能力等方面突破，提高性能。本文主要從大視場、高探測能力、高分辨力這三個方面對國內(nèi)外相機陣列光學系統(tǒng)在空間目標觀測中的應用現(xiàn)狀進行介紹，分析了其存在問題和發(fā)展趨勢。

為了更好地了解相機陣列在空間觀測中的廣泛應用，表1列出了近年來，國內(nèi)外運用到相機陣列系統(tǒng)且較為著名的空間觀測項目。

表1 使用商用鏡頭的相機陣列的項目列表Tab.1 list of items for the camera array using commercial lenses

2 大視場相機陣列系統(tǒng)

對于觀測系統(tǒng)的大視場需求，根據(jù)幾何光學原理，望遠鏡系統(tǒng)視場和焦距成負相關關系［11］，在不降低焦距的情況下，相機陣列系統(tǒng)采用多鏡頭多傳感器系統(tǒng)對空間不同區(qū)域進行觀測，來擴大觀測視場［12］。

2.1 基于視場拼接的大視場相機陣列系統(tǒng)

日本的青山學院大學于2010年開始進行AROMA-W項目，該項目用于對廣域天體目標的自動化光學測量［13］。該項目的成像系統(tǒng)由12臺數(shù)碼單反相機組成，包括2臺f 200 mm/F 2.8的佳能EOS5D和10臺f 100 mm/F 2.0的EOS350D相機，如圖1（a）所示，光軸指向不同，經(jīng)過視場拼接后，系統(tǒng)觀測視場達到45°×30°，極限探測星等為12（曝光時間為20 s），后端接有四臺計算機，進行數(shù)據(jù)分析與控制。每臺照相機和赤道望遠鏡都由一臺計算機控制，觀測數(shù)據(jù)分別由四臺計算機獲取，并通過局域網(wǎng)轉發(fā)到一臺分析機，分析機可以實現(xiàn)自動化的點目標提取，并與星表進行比較，以確定目標位置，從而對光學瞬變現(xiàn)象進行記錄，實現(xiàn)空間目標的檢測與跟蹤。

圖1 AROMA-W系統(tǒng)Fig.1 AROMA-Wsystem

該相機陣列系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用佳能EOS5D和350D相機的視場大小不同，按照一定的位置進行設置組合，經(jīng)過調(diào)整指向，使得重疊視場變小，可觀察視場大大增加。最后經(jīng)過有效的視場拼接，將各個相機同時觀察到的圖像拼接在一起，實現(xiàn)大視場觀測，從而可以對更多的目標進行監(jiān)視、識別。但是由于此系統(tǒng)的成像系統(tǒng)采用的是不同鏡頭，所以不同相機之間球差、像散和畸變差異較大，導致圖像差異大，使目標的數(shù)據(jù)提取比較造成困難，如光度測量。

2009年，匈牙利科學家Bakos G等人發(fā)起HATSouth監(jiān)測網(wǎng)絡［14-15］，是世界上第一個完全采用同類自動控制寬視場望遠鏡組成的全球天體監(jiān)視網(wǎng)絡，其具備整個半球的全天時監(jiān)控能力，它的相機均采用相同型號類型。該監(jiān)視網(wǎng)絡構建的主要目標是探測識別大量的長周期小半徑的太陽系外行星。HATSouth采用6組望遠鏡陣，布設在南半球的三個不同位置，每個測站布置兩組系統(tǒng)，實現(xiàn)了全經(jīng)度覆蓋。如圖2所示，單個望遠鏡陣列采用4個0.18 m口徑、f/2.8的商業(yè)天文望遠鏡，視場為 8.2°×8.2°，后端采用四個4k×4k的商業(yè)相機成像。各個站的兩組系統(tǒng)的監(jiān)視網(wǎng)絡可以實現(xiàn)2°×8.2°×8.2°立體角的連續(xù)觀測。

圖2 裝有4臺相機的HATSouth分系統(tǒng)Fig.2 HATSouth subsystem with 4 cameras

為開展地球同步軌道（GEO）空間目標監(jiān)視試驗，上海天文臺在2017年研制了具有超大視場的“地球同步軌道帶動態(tài)監(jiān)視光學系統(tǒng)樣機”［16］。系統(tǒng)樣機由4個尼康定焦鏡頭組成，分別安裝在4個赤道儀上，鏡頭口徑為143 mm，焦距為400 mm，分別配備一臺科學級 CCD相機，分辨率為3056×3056，像素尺寸為24μm。單個單元視場約為5°×5°，構成相機陣列后視場可達到10°×10°。經(jīng)過視場拼接得到大視場圖像后，通過后端數(shù)據(jù)處理技術，用相鄰幀圖像差分法去除大部分恒星虛警，利用航跡關聯(lián)確認目標，每個夜晚可觀察識別視場內(nèi)50個GEO目標，能夠同時對27顆GEO目標進行連續(xù)觀測。

基于視場拼接的大視場相機陣列系統(tǒng)主要包括前端成像系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。前端成像系統(tǒng)由不同組的多個相機構成，相機的視場大小可以不同，經(jīng)過一定的指向調(diào)整，使得視場重疊區(qū)域盡量地減??；后端處理系統(tǒng)主要包括圖像處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，關鍵技術是圖像拼接。

2.2 基于廣角鏡頭的大視場相機陣列系統(tǒng)

為了使系統(tǒng)達到更大的視場，對整個天空進行全方位觀測，在視場拼接的基礎上，人們往往使用半球形照相機，如魚眼鏡頭相機和反射式全天空相機。但是此類相機的一個重要限制是它們有效的光闌很?。?］。而洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）開發(fā)的 RAPTOR-Q系統(tǒng)［17］選擇另一種方法，使用一些小的廣角鏡頭來覆蓋所有或大部分可見的天空。該系統(tǒng)使用了5個f 24 mm/F 1.4的鏡頭，有效孔徑為17.14 mm，視場幾乎是典型的魚眼鏡頭或反射式全天空照相機的三倍。最后將圖像拼接在一起，視場可以達到180°×180°。圖3顯示了來自RAPTOR-Q系統(tǒng)的示例圖像。

圖3 RAPTOR-Q系統(tǒng)Fig.3 RAPTOR-Q system

2.3 高時間分辨率下的大視場相機陣列系統(tǒng)

為了在大視場觀察的同時，提高時間分辨率，俄羅斯的天體物理天文臺于2012年研制了MMT-6［18］項目，實現(xiàn)對空間目標進行快速廣域的測量，對于這樣的監(jiān)控，需要選擇最優(yōu)的參數(shù)集，即視場的角度大小、探測極限星等和時間分辨率。事實上，在觀測區(qū)域Ω檢測到的事件數(shù)量M與焦距F、CCD像素個數(shù)N2、像素大小u、目標直徑D、焦距F、曝光時間t以及事件持續(xù)時間T有關，關系如下所示：

式中，F(xiàn)luxmin為可檢測到物體的最小光通量。由上式可以看出，隨著曝光時間的減短，時間分辨率的提高，可檢測物體的最小光通量減小，從而可以在更大的視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多的事件?；诖嗽?，該項目通過在6路不同的望遠鏡光路系統(tǒng)中前部加入不同的顏色濾光片和偏振片，形成不同的組合，其單通道光路設計如圖4所示，設置不同曝光參數(shù)對空間目標進行圖像采集，以獲得空間目標的瞬時不同的顏色信息和偏振信息，最大視場達到30°×30°，時間分辨率達到亞秒級。

該系統(tǒng)采用模塊化設計，由一組基本單元組成，每個單元安裝6個相機，分別安裝在單獨的掛載上。單元內(nèi)的每一個相機都放置在具有遙控控制的懸架內(nèi)，因此可以獨立于其他裝置。此外，每個通道都擁有一套顏色和偏振濾光器，可以拆卸。系統(tǒng)具有不同運行方式：在單色或者白光的常規(guī)大視場觀測，提供最好的信噪比；窄小視場跟蹤觀測，所有的相機都指向同一點，即新發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)，并觀察它不同的顏色和不同的偏振信息，同時獲得所有可能的瞬態(tài)類型的信息。模式轉換預計將小于0.3 s。

圖4 MMT-6項目單通道光路設計方案Fig.4 MMT-6 project single channel optical path design scheme

為了直觀地了解不同的大視場相機陣列系統(tǒng)的區(qū)別，表2列出了不同的大視場相機陣列系統(tǒng)的性能參數(shù)。

表2 各大視場相機陣列系統(tǒng)性能參數(shù)對比Tab.2 Comparison of performance parameters of each large field camera array system

由表2可以看出，雖然以上項目的相機陣列系統(tǒng)都實現(xiàn)了視場的擴展，但是擴展的范圍以及其他的性能參數(shù)均有所差異。由于采用了廣角鏡頭，RAPTOR Q系統(tǒng)的視場最大，但是其探測能力較低；MMT系統(tǒng)的時間分辨率最高，并且探測能力較強，這主要歸功于其獨特的光路設計（在不同通道的光路中加入不同濾光器組合），但是其視場卻只能達到30°×30°。因此在大視場相機陣列系統(tǒng)中鏡頭的選擇和光路的設計尤為關鍵。

3 高探測能力相機陣列系統(tǒng)

相機陣列系統(tǒng)的高探測能力是通過高精度同步控制實現(xiàn)的，使相機陣列系統(tǒng)各子成像系統(tǒng)對同一目標區(qū)域同時成像，利用多幀圖像的交集部分，進行圖像的疊加，可以降低對目標的亮度要求，從而提高系統(tǒng)的探測能力。

美國的泛星計劃［19］，成立于2002年，目的是觀測并搜尋可能會撞向地球的小行星，其采用4架口徑1.8 m望遠鏡對準同一天區(qū)，數(shù)據(jù)將經(jīng)過對比以移除由于芯片缺陷產(chǎn)生的CCD偽影以及像素壞點和宇宙射線的影響，然后把光線輸入?yún)R總（圖像疊加），暗天體所占像元上的光電信號被疊加到4倍，相對孔徑等效于單個的3.6 m天文望遠鏡。然而CCD的噪音（熱噪音和讀出電路的噪音）數(shù)量較小，只占像元數(shù)值的極小一部分，并且具有隨機誤差特點，也即4個CCD上的噪音不會在精確對應的像元上發(fā)生相加，提高了圖像信噪比。

Dragonfly項目［8］是由美國多倫多大學主導進行的，在2016年對宇宙中表面超低亮度的星系結構進行自動化普查。該項目的成像系統(tǒng)如圖5（b）所示，由24個f 400 mm/F 2.8的佳能長焦鏡頭組成，口徑135 mm，表面涂有高性能的亞波長納米復合光學涂層，統(tǒng)一安裝在一個框架上，構成相機陣列，并包括24個科學級的商用CCD。圖5（a）系統(tǒng)成像能力相當于一個口徑0.4 m、F 1.0的折射望遠鏡，視場為2.6°×1.9°。系統(tǒng)鏡頭和相機個數(shù)最初為8個，鏡頭采集的數(shù)據(jù)由非共用的光路分別進行傳輸，對空間光度變化進行仔細跟蹤，從而減少系統(tǒng)誤差，提高背景估計和目標識別的準確性。

國內(nèi)，2008年長春光學精密機械與物理研究所王鳴浩等人利用4臺110 mm口徑望遠鏡搭建了捆綁式望遠鏡系統(tǒng)實驗平臺，提出了將多鏡筒捆綁在一起對同一空域進行觀測。通過對多路圖像進行疊加來抑制背景隨機噪聲、提高圖像的信噪比和系統(tǒng)的整體探測能力，實驗證明：圖像信噪比平均提高1.58倍，探測能力近似提高0.5個星等［20］。2009年，國防科技大學ATR實驗室［21］也利用四個小口徑的大視場望遠鏡組成一個望遠鏡束系統(tǒng)，經(jīng)過圖像配準疊加，信噪比提高1.4倍。

圖5 Dragonfly成像系統(tǒng)Fig.5 Dragonfly imaging system

航天工程大學光電工程教研室于2013年設計相機陣列光度測量系統(tǒng)［9］，能夠實現(xiàn)對空間目標的有效跟蹤測量，如圖6所示。成像系統(tǒng)由2個佳能EOS-1DC相機和2個天文相機組成，鏡頭為4個f 400 mm/F 2.8的佳能鏡頭，1DC相機的探測星等可達到11.85，天文相機可達到13.82。系統(tǒng)通過相機組陣，突破單個相機極限探測星等，探測能力提高約0.416個星等。除此之外，在觀測快速運動空間目標過程中，通過合理設置曝光時間，可在短曝光條件下達到長曝光時間的探測能力，在提高探測能力同時，避免了運動模糊。

圖6 航天工程大學相機陣列光度測量設備Fig.6 Camera array photometric equipment of space engineering university

由以上不同的高探測能力相機陣列系統(tǒng)可知，當各個相機指向空間同一目標區(qū)域時，經(jīng)過對不同相機獲取到的圖像交集部分進行疊加等處理，的確能降低目標的亮度要求，提高系統(tǒng)的探測能力，但是同時也降低了系統(tǒng)的視場，使得可同時觀測目標數(shù)量減少，因此相機陣列系統(tǒng)的選取需要在探測能力和視場大小上進行衡量。

4 高分辨率相機陣列系統(tǒng)

對于高分辨率的需求，斯坦福大學利用100個佳能相機，進行一定組陣排列，構建了高分辨相機陣列系統(tǒng)［22］，在成像不完全重合情況下，適當降低各相機之間成像重合度并增加相機個數(shù)，然后將各相機獲取的圖像進行融合，從而顯著增加成像分辨率。除了多鏡頭多傳感器系統(tǒng)，多鏡頭單傳感器陣列系統(tǒng)在空間目標觀測中應用也很廣泛，其中以合成孔徑望遠鏡為代表。根據(jù)光束組合方式不同，合成孔徑望遠鏡分為邁克爾遜型和菲索型［23］，如圖7所示。歐洲地基系統(tǒng)的旗幟甚大望遠鏡陣列（Very Large Telescope Array）［24］屬于邁克爾遜型望遠鏡，其由四個口徑為8.2 m的主望遠鏡和四個口徑為1.8 m的可移動望遠鏡組成。不同望遠鏡的光束組合在一起，然后通過干涉儀發(fā)生干涉獲取相干信息。邁克爾遜型望遠鏡利用多個鏡頭獲取多通道，將來自不同位置孔徑的光傳輸?shù)焦馐铣善魃希诔鐾嫔汐@得干涉條紋，即復相干度信息，經(jīng)傅里葉逆變換獲得目標的像。

圖7 邁克爾遜型和菲索型望遠鏡Fig.7 Michelson and fiso telescopes

美國NASA、JPL和洛克希德·馬?。ǎ↙ockheed Martin）先進技術中心［25］建立了由9個125 mm口徑獨立小望遠鏡組成的等效口徑為610 mm的多孔徑菲索型成像干涉儀實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過提取波前信息獲得相位差異的傳感技術實現(xiàn)傾斜誤差和相位誤差的控制。美國麻省理工學院（MIT）空間系統(tǒng)實驗室［26］開展了自適應偵查Golay3光學衛(wèi)星的研究工作，對子孔徑結構、子孔徑控制和多孔徑相位主動光學控制進行了研究，并已經(jīng)建造了自適應光學Golay3望遠鏡實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)是由三個口徑210 mm的獨立小望遠鏡呈正三角形排列構成的合成孔徑陣列，等效直徑600 mm，通過采用自適應控制技術實現(xiàn)波前的精密控制，達到高精度的共相成像。

5 結 論

隨著世界各國空間活動的加劇，空間目標逐日增多，因此對空間目標進行有效地監(jiān)測、識別，在太空安全中起著關鍵的作用。本文從大視場、高分辨率、高探測能力三個方向，就相機陣列光學觀測系統(tǒng)在空間目標觀測中的應用現(xiàn)狀進行介紹和分類，并對不同項目的相機陣列進行比較，分析性能參數(shù)的差異及其原因，并強調(diào)后端圖像處理的重要性。雖然相機陣列系統(tǒng)在空間目標觀測的應用廣泛，但同時也存在一些缺點，也是之后研究需要克服的困難，主要表現(xiàn)在：

1）鏡頭和傳感器之間的非一致性。各個鏡頭和傳感器由于制造工藝的問題，在光學性能上不能保持一致性。

2）分系統(tǒng)控制精度。各個分系統(tǒng)不管指向同一區(qū)域以提高探測能力，還是不同區(qū)域以增大視場，都對其指向精度提出了很高的要求。

3）相機鏡頭性能本身的局限性。相機陣列系統(tǒng)大部分選用商業(yè)鏡頭，相對專業(yè)定制的天文鏡頭，商業(yè)鏡頭的熱穩(wěn)定性、靈敏性等一些性能會有所欠缺。