胡 君,王 棟,孫天宇

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,各國(guó)充分利用太空對(duì)地、對(duì)天觀測(cè)沒有國(guó)界的條件,發(fā)展航天光學(xué)成像遙感器。航天光學(xué)成像遙感器是利用記錄圖像信息的成像傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)的,按儀器類型通?？煞譃?3類,成像相機(jī)、光譜儀和輻射計(jì)。成像相機(jī)包括畫幅相機(jī) (在曝光時(shí)間內(nèi)把膠片或面陣 CCD沿著軌道方向按像移速度移動(dòng),使像和探測(cè)器相對(duì)靜止)、成像全景相機(jī)(相機(jī)的瞬時(shí)視場(chǎng)平行于飛行方向的一條像面前的狹縫,相機(jī)沿垂直于航線方向擺動(dòng),掃描沿穿軌方向的地物,形成很寬的地面覆蓋區(qū))、推掃成像相機(jī) (鏡頭直接對(duì)地,在鏡頭的像面上放置線陣CCD或 TD ICCD探測(cè)器,線陣的方向垂直于飛行方向);光譜儀包括濾光片分光儀、光柵光譜儀、干涉光譜儀、成像光譜儀,是成像相機(jī)和光譜儀相機(jī)結(jié)合的遙感儀器;輻射計(jì)是用于探測(cè)各種空間輻射源輻射功率的光電探測(cè)器,常見輻射計(jì)多用絕對(duì)黑體構(gòu)成,通過測(cè)量全光譜波段的光波能量,檢測(cè)太陽輻射照度。航天光學(xué)成像遙感器的地面分辨率依據(jù)不同相機(jī)種類和在軌高度而不盡相同,目前相機(jī)對(duì)地分辨率為 0.1～5 m,從發(fā)展趨勢(shì)看,不同譜段、不同軌道高度的光學(xué)成像遙感器分辨率還在逐年大幅度提高。

光學(xué)成像遙感器作為飛行器上對(duì)目標(biāo)遙感觀測(cè)和探測(cè)的重要載荷,通常搭載在航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船和空間站等太空飛行器上,在軌高度為 150～1 600 000 km,常用的有:(a)地球同步軌道衛(wèi)星,這種軌道的傾角為零,在地球赤道上空35 786 km,即衛(wèi)星在地球赤道上空以圓形軌道繞地球與地球自轉(zhuǎn)同速旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面一個(gè)區(qū)域的連續(xù)監(jiān)測(cè);(b)極軌軌道衛(wèi)星,此類衛(wèi)星繞地球或其它天體衛(wèi)星的南北極飛行,極地軌道是傾角為 90°的軌道,在這條軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星每圈都要經(jīng)過地球兩極上空,可以俯視整個(gè)地球表面,主要用于氣象和資源觀測(cè),借用地球自轉(zhuǎn)的特點(diǎn),對(duì)全球感興趣的目標(biāo)進(jìn)行各種波段的探測(cè);(c)太陽同步軌道衛(wèi)星,這種飛行器的軌道平面和太陽始終保持相對(duì)固定的取向,其軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同,旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度,軌道傾角接近 90°,因?yàn)樾l(wèi)星要在兩極附近通過,又稱之為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。這種軌道能保持太陽與軌道構(gòu)成的角度一定,能有效地使用太陽能電池帆板。

由于航天光學(xué)成像遙感器應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用目的不同,所需的搭載飛行平臺(tái)也不同,而不同的搭載平臺(tái)環(huán)境差別很大,對(duì)航天光學(xué)成像遙感器的性能、功能和壽命的影響也很大。在空間飛行的飛行器又稱為航天器,包括衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站和航天飛機(jī)。其中:(a)衛(wèi)星是指圍繞一顆行星軌道并按閉合軌道做周期性運(yùn)行的天然天體,人造衛(wèi)星是發(fā)射到太空中,搭載航天光學(xué)成像遙感器像天然衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其它行星運(yùn)行的太空飛行載具,如火箭、航天飛機(jī)等。(b)宇宙飛船是一種運(yùn)送航天員、貨物到達(dá)太空,并安全返回的一次性使用的航天器,它能基本保證航天員在太空短期生活,并進(jìn)行一定的工作,航天光學(xué)成像遙感器通常搭載在留軌倉(cāng)內(nèi)。(c)空間站又稱航天站、太空站、軌道站,是一種在近地軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和生活的載人航天器。(d)航天飛機(jī) (又稱為太空梭或太空穿梭機(jī))是可重復(fù)使用的、往返于太空和地面之間的航天器;結(jié)合了飛機(jī)與航天器的性質(zhì),它既能代表運(yùn)載火箭把人造衛(wèi)星等航天器送入太空,又能像載人飛船那樣在軌道上運(yùn)行,還能像飛機(jī)那樣在大氣層中滑翔著陸。

近幾年來,光學(xué)成像遙感器的應(yīng)用能力、應(yīng)用水平與飛行器的設(shè)計(jì)非常密切,如空間站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是體積比較大,在軌道飛行時(shí)間較長(zhǎng),有多種功能,能開展的太空科研項(xiàng)目多而廣。空間站的基本組成是以載人密封生活艙為主體,輔以工作實(shí)驗(yàn)艙、科學(xué)儀器艙等。當(dāng)空間站發(fā)生故障時(shí)可以在太空中維修、換件,延長(zhǎng)航天器的壽命。因?yàn)榭臻g站能長(zhǎng)期 (數(shù)十年)飛行,可保證太空科研工作的連續(xù)性和深入性,對(duì)提高科研質(zhì)量和延長(zhǎng)光學(xué)成像遙感器的工作壽命有重要作用。

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展,現(xiàn)代的光學(xué)成像遙感器從單一功能、單一波 (光譜)段和單一種類發(fā)展為較小型光學(xué)成像遙感器,又演變成為星載一體化的小型光學(xué)成像遙感器;較大型光學(xué)成像遙感器則發(fā)展為多光譜、多種類、全光譜譜段的對(duì)天、地大型光學(xué)成像遙感器,通常搭載在空間站、宇宙飛船等大型飛行器上。目前這兩類光學(xué)成像遙感器已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)成像遙感器的主流和發(fā)展趨勢(shì)。性能上逐步向大口徑、寬覆蓋、高分辨率、智能化和自動(dòng)識(shí)別等方向發(fā)展,功能上則逐步走向多功能、多種類和多譜段的發(fā)展方向。由于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和實(shí)現(xiàn)手段的不斷更新,光學(xué)成像遙感器發(fā)展速度非?？?應(yīng)用前景非常廣,已經(jīng)成為各國(guó)高科技發(fā)展的主流和主要方向。

2 光學(xué)成像遙感器的應(yīng)用

2.1 對(duì)地觀測(cè)成像

(1)軍事偵察

航天光學(xué)遙感器起源于軍事應(yīng)用,偵察相機(jī)的研制水平代表了航天光學(xué)遙感載荷的最高水平。1960年,美國(guó)的鎖眼 1(KH-1)普查型偵察衛(wèi)星成功發(fā)射,標(biāo)志著這一技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的開始,開創(chuàng)了航天光學(xué)遙感事業(yè)。在偵察相機(jī)領(lǐng)域,美國(guó)的技術(shù)水平最好,此外俄羅斯、法國(guó)、以色列也具有相當(dāng)?shù)乃?我國(guó)通過積極投入也已經(jīng)大大縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

美國(guó)偵察相機(jī)從 KH-1發(fā)展到了 KH-12,目前在軌服役偵察相機(jī)主要是搭載于 KH-12偵察衛(wèi)星上的相機(jī)。KH-12衛(wèi)星 (見圖1)直徑為3.8 m,長(zhǎng)為 15 m,重約 10 t(燃料約為 5～7 t),單星造價(jià)約 10億美元,從 1992年起累計(jì)發(fā)射 5顆。KH-12偵察相機(jī)的可見光分辨率為 0.1～0.15 m,紅外分辨率為 0.6～1 m。1 d可飛越目標(biāo)區(qū)域 2次,具有側(cè)擺成像功能,能對(duì)飛行軌跡東西兩側(cè)區(qū)域成像[1]。另外其多顆衛(wèi)星處于互補(bǔ)的軌道上,地面重復(fù)周期為 4 d。由于衛(wèi)星是成對(duì)運(yùn)行,可運(yùn)行在晝夜軌道平面、晨昏軌道平面和這兩者之間的 57°傾角軌道,所以實(shí)際的重復(fù)周期為 2 d[2]。利用多個(gè)軌道平面的衛(wèi)星互相配合,不但可實(shí)現(xiàn)立體成像,還能在給定的天數(shù)內(nèi)擴(kuò)大偵察目標(biāo)的數(shù)目,并可利用互補(bǔ)性,在某一目標(biāo)遇到直射光反射時(shí)保證目標(biāo)的成像質(zhì)量。

圖1 美國(guó) KH-12型鎖眼偵察衛(wèi)星Fig.1 KH-12 reconnaissance satellite model from U.S.

在 KH-12基礎(chǔ)上,美國(guó)陸續(xù)提出了下一代成像偵察系統(tǒng) KH-13。KH-13又稱為 8X衛(wèi)星,質(zhì)量為 20 t,分辨率為 0.1～0.15 m,幅寬為 50 km,是KH-12視場(chǎng)寬度的 8倍,同時(shí)攜帶光學(xué)偵察設(shè)備和合成孔徑雷達(dá),在保證成像分辨率的同時(shí)提高了地面的覆蓋寬度[3]。

(2)立體測(cè)繪

測(cè)繪相機(jī)主要是為繪制地圖服務(wù)的,通常是由一臺(tái)或多臺(tái) CCD相機(jī)組成。測(cè)繪對(duì)衛(wèi)星的幾何特性要求高,對(duì)輻射特性要求低。衛(wèi)星的幾何特性主要表現(xiàn)為地面分辨率和地面定位。地面分辨率主要決定于相機(jī),地面定位精度則取決于軌道控制與測(cè)定、姿態(tài)精度與穩(wěn)定度以及相機(jī)的觀測(cè)模式等[4]。

測(cè)繪相機(jī)按照相機(jī)組合方式及攝影測(cè)量原理不同,可分為 3類立體測(cè)量相機(jī)[5]。

第 1類為單線陣相機(jī)工作模式。其典型代表為法國(guó) SPOT1-4系列星上的相機(jī),它是通過相鄰接軌道傾斜觀測(cè)形成重疊立體對(duì)來實(shí)現(xiàn)立體測(cè)繪制圖取得三維數(shù)據(jù)的。德國(guó)和以色列小衛(wèi)星的線陣式推掃式相機(jī)則以沿飛行方向的前后擺動(dòng)來形成重疊立體對(duì),在兩個(gè)重疊圖像的形成周期上優(yōu)于前者。另外,高分辨率遙感衛(wèi)星,例如美國(guó)的Ikonos,Quickbird和 OrbView衛(wèi)星,以色列的EROS-B衛(wèi)星以及韓國(guó)的 Kompsat衛(wèi)星等,均采用單線陣相機(jī)做前、后或左、右搖擺來獲取立體影像。

第 2類為星載雙線陣測(cè)量相機(jī)工作模式。它由兩個(gè)具有一定交會(huì)角的線陣式相機(jī)組成,其優(yōu)點(diǎn)是獲取立體對(duì)時(shí)不需要衛(wèi)星指向擺動(dòng)。如SPOT-5衛(wèi)星,提高了立體影像獲取效率,可沿軌道實(shí)時(shí)獲取立體影像,地面分辨率為 5 m,地面覆蓋寬度達(dá)到 120 km,其測(cè)量的相對(duì)平面精度為10～15 m,高程精度為 10 m。

第 3類為星載三線陣相機(jī),其構(gòu)成與前 2類不同,它具有從攝取的圖像出發(fā)重構(gòu)外方位元素的特點(diǎn)[6]。代表性有效載荷或衛(wèi)星主要包括:德國(guó)在航天飛機(jī)、空間站和火星探測(cè)中采用的MOMS系列三線陣測(cè)繪相機(jī)。1993年,德國(guó)發(fā)射的MOMS-2衛(wèi)星搭載三線陣 CCD相機(jī),從理論上解決了攝站外方位元素的重構(gòu)問題,大大提高了線陣掃描攝影測(cè)量的精度。日本為繪制 1∶25 000比例尺地圖,研制并發(fā)射了先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星(ALOS),該衛(wèi)星配備了目前世界上公開報(bào)道的最先進(jìn)的三線陣 CCD立體測(cè)繪相機(jī) (PR IS M),可以實(shí)現(xiàn)全球無控制測(cè)圖。

(3)資源探測(cè)

國(guó)外的資源探測(cè)主要采用各種高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星完成。1999年 9月 24日成功發(fā)射的Ikonos-2衛(wèi)星,是第 1顆 1 m分辨率的民用對(duì)地成像衛(wèi)星。Ikonos-2的整星重量只有 817 kg,而星下點(diǎn)的全色分辨率為 0.82 m,成像幅寬為 11 km,俯仰、側(cè)擺姿態(tài)機(jī)動(dòng)幅度為 ±50°,最大回轉(zhuǎn)速度為 4(°)/s,重訪周期 ＜3 d。Ikonos-2特有的軸對(duì)稱、剛性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),較好地支持了整星機(jī)動(dòng)、敏捷的成像能力,支持立體成像,借助姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力,采用單顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)短至 1 d的重返周期。

Pleiades-1是歐洲第 1顆 1 m分辨率的商用光學(xué)遙感衛(wèi)星,整星結(jié)構(gòu)采用了與 Ikonos類似的剛性化結(jié)構(gòu),但在設(shè)計(jì)中引入了更多的最新技術(shù),如采用“光纖陀螺 +星敏感器”的控制系統(tǒng)方案,使控制力矩陀螺支持達(dá)到更加快捷的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力;采用 DOR IS接收機(jī),提供較高精度的定軌與測(cè)姿數(shù)據(jù)。Pleiades-1作為與 Ikonos-2同一級(jí)別的衛(wèi)星,其全色分辨率達(dá)到了 0.7 m,成像幅寬達(dá)到 20 km;整星能以 ±40°傾角前、后視成像,具有三維立體成像的能力,重訪周期 ＜1 d;利用地面控制點(diǎn),能夠獲得 1 m的定位精度。表1列舉了目前國(guó)外著名的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的部分性能[7]。

表1 國(guó)外著名的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的性能指標(biāo)Tab.1 Specifica ions of overseas high resolution commercial satellites

中國(guó)第一顆資源衛(wèi)星—中巴資源 1號(hào)衛(wèi)星于1999年發(fā)射,2000年～2004年間陸續(xù)發(fā)射了資源 2號(hào) 01～03星,這些衛(wèi)星已廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、海洋、環(huán)保、國(guó)土資源、城市規(guī)劃及災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。到 2007年 7月,資源 1號(hào)的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了 100多萬景,相當(dāng)于覆蓋了中國(guó)全部領(lǐng)土 100多遍,根據(jù)這些數(shù)據(jù)編制了 1∶500 000西南天山地區(qū)遙感地質(zhì)圖和遙感找礦預(yù)測(cè)圖,在西南天山地區(qū)預(yù)測(cè)了 4處金、銅礦的找礦靶區(qū),并在吉根找礦區(qū)內(nèi)找到了 5條金、銅礦化體。另外還編制了 1∶250 000塔里木河流域淺層地下水分布遙感解譯圖和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感解譯圖[8,9]。

(4)預(yù)警相機(jī)

預(yù)警相機(jī)主要有紅外和紫外預(yù)警兩大類。紅外預(yù)警的特點(diǎn)是[10]:采用被動(dòng)工作方式,即只通過接受目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射來探測(cè)和跟蹤目標(biāo),抗電子干擾能力強(qiáng),作用距離遠(yuǎn),可在地球同步軌道上有效探測(cè)地球表面的導(dǎo)彈和火箭發(fā)射活動(dòng);工作于超真空、深低溫環(huán)境的系統(tǒng),溫度靈敏性比其他紅外系統(tǒng)更高。以美國(guó)兩顆太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng) (STSS)衛(wèi)星為例,這兩顆衛(wèi)星運(yùn)行在地球上空1 350 km的近地軌道,用以跟蹤和監(jiān)視全球發(fā)射的導(dǎo)彈,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射活動(dòng),然后在飛行的助推階段、中段和末段跟蹤導(dǎo)彈及其彈頭[11]。

同紅外預(yù)警相比,紫外預(yù)警具有虛警率低、不需低溫冷卻、不掃描、預(yù)警器體積小且重量輕等特點(diǎn)。紫外型導(dǎo)彈臨近預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)歷了概略式和成像式兩代革新,成像式系統(tǒng)在國(guó)外已占據(jù)主導(dǎo)。20世紀(jì) 80年代末,美國(guó)推出世界上第一臺(tái)紫外型導(dǎo)彈臨近預(yù)警系統(tǒng) AAR-47后,德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、以色列和南非等國(guó)也紛紛投入到這一研究領(lǐng)域。至今國(guó)外已推出了 10多種型號(hào),其中美國(guó)的AAR-54系統(tǒng)由凝視型、大視場(chǎng)、高分辨率的紫外探測(cè)器和先進(jìn)的航空電子電路構(gòu)成,具有水平360°、俯仰 70°的視場(chǎng)范圍 ,角分辨率為 1°,目標(biāo)截獲時(shí)間約為 2 s[12]。

(5)氣象探測(cè)

氣象衛(wèi)星通過多通道高分辨率掃描輻射計(jì)、紅外光譜儀和微波輻射計(jì)等觀測(cè)地球,獲取氣象資料,遙感和監(jiān)測(cè)地球環(huán)境,其可分為極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星兩種,可不受地理?xiàng)l件、自然環(huán)境及國(guó)家區(qū)域行政疆界的限制,實(shí)現(xiàn)快速、長(zhǎng)期、連續(xù)、全球、全天候、全天時(shí)和多方位的觀測(cè)[13,14]。

國(guó)際上氣象探測(cè)衛(wèi)星以美國(guó)、歐洲、俄羅斯為代表,如美國(guó)的國(guó)家極軌環(huán)境探測(cè)衛(wèi)星系列(NPOESS)、地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列(GOES);歐洲的 Meteosat氣象衛(wèi)星、Metop氣象衛(wèi)星、Envisat環(huán)境衛(wèi)星;俄羅斯的流星 (Meteor)極軌氣象衛(wèi)星系列、電子-L(Elektron-L)靜止軌道氣象衛(wèi)星等。

還有一些專項(xiàng)的大氣探測(cè)應(yīng)用衛(wèi)星[15],如NASA的高層大氣研究衛(wèi)星 (UARS)是第一顆專門用于研究大氣平流層的衛(wèi)星,它提供了關(guān)于上層大氣能量輸入、風(fēng)及化學(xué)組成的完整觀測(cè)數(shù)據(jù),使人類對(duì)高層大氣的能量、化學(xué)過程及動(dòng)力學(xué)過程有了深入了解。1997年,NASA發(fā)射的“熱帶雨量監(jiān)測(cè)”(TRMM)衛(wèi)星,主要用于熱帶地區(qū)降雨量的測(cè)量。

從 20世紀(jì) 70年代起,中國(guó)開始研制氣象衛(wèi)星。1988年 9月 7日成功發(fā)射了中國(guó)第一顆極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云 1號(hào) A星,它采用三軸穩(wěn)定方式,是中國(guó)第一顆傳輸型遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星裝有2臺(tái) 5通道可見光和紅外掃描輻射儀,掃描寬度達(dá) 3 000 km。在太空獲得了高質(zhì)量云圖照片,捕捉到鋒面云系、冷渦云系、溫帶氣旋、暴雨云團(tuán)、赤道輻射帶、熱帶云圖和臺(tái)風(fēng)等天氣系統(tǒng)的圖像。2008年 5月,中國(guó)第二代首顆極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云3號(hào) A星上天,攜帶了 8類 11臺(tái)共計(jì) 90多種探測(cè)通道的探測(cè)儀器,測(cè)試譜段從紫外線、可見光、紅外線一直到微波頻段,在功能和技術(shù)上比第一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云 1號(hào)向前跨進(jìn)了一大步。

2.2 天文遙感成像

(1)太空望遠(yuǎn)鏡

太空望遠(yuǎn)鏡由于運(yùn)行于地球大氣層之上,可以獲得地基望遠(yuǎn)鏡所無法比擬的優(yōu)勢(shì)—成像不受大氣湍流的擾動(dòng)影響,視相度絕佳,無大氣散射造成的背景光,因此為高分辨率地觀測(cè)其他行星、恒星打開了一扇新的窗口。

太空望遠(yuǎn)鏡中首屈一指的當(dāng)屬 Hubble望遠(yuǎn)鏡。1990年,NASA和 ESA合作通過航天飛機(jī)將Hubble望遠(yuǎn)鏡送入距地面 569 km的軌道,在近20年的服役過程中拍攝回了大量珍貴的照片,同時(shí)也為其它天基觀測(cè)設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。Hubble望遠(yuǎn)鏡采用模塊化設(shè)計(jì),裝備了相機(jī)、光譜儀和精密制導(dǎo)傳感器等多種設(shè)備,并且實(shí)現(xiàn)了多次的在軌更新維護(hù)。其鏡片表面鍍純鋁 (厚0.076μm)和鎂氟化物 (厚 0.025μm),可以有效地反射可見光、紅外光、紫外光,使得觀測(cè)譜段從紫外波段一直延伸到紅外波段。

詹姆斯-韋布空間望遠(yuǎn)鏡 (JWST)作為 Hubble太空望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)機(jī),計(jì)劃于 2014年發(fā)射,是位于拉格朗日第二點(diǎn)的紅外線空間望遠(yuǎn)鏡,距離地球背向太陽 1.5×109m處的空間。JWST采用主鏡輕量化設(shè)計(jì),主反射鏡由鈹制成,口徑達(dá)到6.5 m,面積為 Hubble太空望遠(yuǎn)鏡的 5倍以上,而質(zhì)量為 6.2 t,約為 Hubble空間望遠(yuǎn)鏡的二分之一。其光譜譜段以紅外為主,波長(zhǎng) 600～5 000 nm,裝備了 3個(gè)光學(xué)探測(cè)載荷:中紅外攝像機(jī)和光譜儀M I R I、近紅外攝相機(jī) N IRCam、以及近紅外光譜儀 N I RSpec。JWST另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是空間可展開技術(shù),因?yàn)樗闹麋R的直徑比發(fā)射它用的火箭更大,為便于發(fā)射,主鏡被分割成18塊六角形的鏡片,發(fā)射時(shí)折疊放置,發(fā)射后在高精度的微型電機(jī)和波前傳感器的控制下展開。

表2列出了目前在軌運(yùn)行和即將發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡的基本參數(shù)。

表2 在軌和即將發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡參數(shù)Tab.2 Specifica ions of pace telescopes on orbits and launching

(2)外太空探測(cè)相機(jī)

根據(jù) 2000年發(fā)布的《中國(guó)的航天》白皮書中的定義,國(guó)內(nèi)目前將對(duì)地球以外天體開展的空間探測(cè)活動(dòng)稱為深空探測(cè)。

從 1958年 8月 17日美國(guó)發(fā)射第一個(gè)月球探測(cè)器先驅(qū)者 0號(hào)開始,人類邁向太陽系的深空探測(cè)活動(dòng)已有近 50年的歷史了。據(jù)統(tǒng)計(jì),人類已發(fā)射過的向月球以遠(yuǎn)的太陽系天體開展的深空探測(cè)活動(dòng)超過 200次。在深空探測(cè)任務(wù)中,以探測(cè)月球?yàn)橹魅蝿?wù)的次數(shù)最多,超過探測(cè)任務(wù)的一半,其次是金星和火星[16]。

已發(fā)射的國(guó)內(nèi)外的繞月探測(cè)衛(wèi)星[17],如美國(guó)于 1994年發(fā)射了 Clementine繞月探測(cè)衛(wèi)星,它的相機(jī)地元分辨率為 108 m,獲得了極區(qū)圖像。歐洲于 2003年 9月發(fā)射 Smart-I探月衛(wèi)星。日本于2007年 7月 15日發(fā)射“月亮女神”探月衛(wèi)星(KaGuYa)[18],搭載了 14種科學(xué)設(shè)備,包括地形攝像機(jī)、X射線熒光光譜儀,月球磁強(qiáng)計(jì)、光譜廓線儀、多波段成像儀、高清晰電視攝像機(jī)、激光測(cè)高儀、月球雷達(dá)探測(cè)器等;目前“月亮女神”已經(jīng)拍攝到高清晰的“地出地落”照片,并將有關(guān)數(shù)據(jù)制作成了月球立體動(dòng)畫,用雷達(dá)聲納成功地對(duì)月球?qū)舆M(jìn)行了探測(cè)。印度于 2008年 10月 22日發(fā)射了“月球一號(hào)”探月衛(wèi)星,其主要目標(biāo)在可見光、近紅外、低能 X射線和高能 X射線范圍內(nèi)對(duì)月球進(jìn)行高分辨率遙感觀測(cè),制作了分辨率為5～10 m的高清晰三維月球表面地形圖。中國(guó)于2007年 10月 24日發(fā)射嫦娥一號(hào)衛(wèi)星,搭載探測(cè)載荷包括 CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)、成像光譜儀、X/γ譜儀、高能粒子探測(cè)器、太陽風(fēng)粒子探測(cè)器、微波雷達(dá)等。

3 光學(xué)成像遙感器的發(fā)展

3.1 高性能的光學(xué)遙感器

航天偵察相機(jī)的主要性能指標(biāo)是相機(jī)的地面像元分辨率、地面攝像的覆蓋寬度和光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量,即光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)的質(zhì)量。在不影響飛行器在軌高度的情況下,提高地面像元分辨率、增大地面攝像的覆蓋寬度和提高M(jìn)TF的質(zhì)量,是目前及未來研究的主要課題和航天光學(xué)遙感器研究的發(fā)展方向。

(1)地面像元分辨率

現(xiàn)代高分辨率地球成像商業(yè)衛(wèi)星,如美國(guó)的Digital Globe公司和 GeoEye公司研發(fā)的相機(jī)拍攝的地球表面圖像的地面分辨率均優(yōu)于 1 m,最高達(dá)到了 0.41 m,目前正在研發(fā) 0.25 m地面分辨率的地球成像商業(yè)衛(wèi)星。而美國(guó) KH-12偵察相機(jī)的可見光分辨率更是高達(dá) 0.1～0.15 m,紅外分辨率達(dá) 0.6～1 m的水平。當(dāng)今世界,科技發(fā)展日新月異,平均 3～5年就更新一代衛(wèi)星,每一顆新一代衛(wèi)星就比前一代衛(wèi)星在技術(shù)性能指標(biāo)上有明顯的提高并有較好的繼承性。

空間航天相機(jī)分辨力用地面攝像像元分辨率表達(dá),如當(dāng)?shù)孛娣直媛蕿?1 m時(shí),航天 CCD相機(jī)一個(gè)像元尺寸對(duì)應(yīng)地面寬度應(yīng)為 1 m,通常要分辨黑白等間隔的 1 p1,需要兩個(gè)像元分別對(duì)應(yīng)一黑一白線,即航天 CCD相機(jī)地面像元分辨率相當(dāng)于膠片相機(jī)地面照相分辨力的二分之一。航天CCD相機(jī)達(dá)到規(guī)定的地面像元分辨力,要求航天CCD相機(jī)地面采樣間隔距離滿足規(guī)定值要求。地面采樣距離G與軌道高度、CCD像元尺寸和相機(jī)焦距見下式[21,22]:

式中H為軌道高度,f為相機(jī)焦距,a為 CCD相機(jī)的像元尺寸。由式 (1)可知,軌道高度越低并且 CCD像元越小,尺寸越小,地面采樣距離越小。當(dāng)軌道高度H和 CCD像元尺寸a確定后,焦距f越長(zhǎng),相機(jī)瞬時(shí)視場(chǎng)越小,地面采樣距離越小,分辨力越高。除此以外,地面采樣距離G的大小和好壞,還涉及到 CCD相機(jī) MTF、信噪比 (SNR)和相機(jī)的結(jié)構(gòu)等。綜上所述,高性能的光學(xué)遙感器與這 3個(gè)參數(shù) (H,a,f)直接相關(guān),這 3個(gè)參數(shù)與CCD性能、相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、電子學(xué)控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)和飛行器的姿態(tài)等相關(guān)。當(dāng)然,地面分辨率代表了航天光學(xué)遙感器的總體性能,如何提高這 3個(gè)參數(shù)的性能指標(biāo),是提高航天光學(xué)遙感器的總體性能的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)地面覆蓋面寬

航天相機(jī)地面覆蓋寬度越寬,地面采樣間距越小,相機(jī)成像所得到的信息量越大,地面覆蓋面的指標(biāo)越好。美國(guó) KH-13又稱為 8X衛(wèi)星,分辨率為 0.1～0.15 m,但幅寬達(dá)到 50 km,是 KH-12視場(chǎng)寬度的 8倍。在無反射鏡偏擺掃描的航天相機(jī)中,航天相機(jī) CCD相機(jī)地面覆蓋寬度等于 CCD拼接后總的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的地面覆蓋寬度,CCD拼接后總的長(zhǎng)度與地面覆蓋寬度的比例關(guān)系與H有直接的關(guān)系。H越高地面覆蓋寬度越寬,依據(jù)式(1),H越高越易損失航天相機(jī)地面分辨力。顯然,根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)和任務(wù)需要,在設(shè)計(jì)航天光學(xué)遙感器的過程中,需要解決好 CCD相機(jī)地面覆蓋寬度與較高的地面分辨率之間的矛盾,盡量在不影響地面分辨率的同時(shí),提高地面覆蓋寬度。因此,在航天光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)方案中,為提高 CCD相機(jī)地面覆蓋寬度,應(yīng)增加偏擺掃描的功能,使地面覆蓋度等于反射鏡偏擺角度所對(duì)應(yīng)的地面覆蓋寬度。如美國(guó) 1992年以后發(fā)射的 KH-12偵察相機(jī)就具有側(cè)擺成像功能,能對(duì)飛行軌跡東西兩側(cè)區(qū)域成像[19]。這種設(shè)計(jì)方法,由于需要增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)件,使用 CCD推掃積分實(shí)時(shí)變換等相關(guān)技術(shù)、像移補(bǔ)償實(shí)時(shí)計(jì)算方法和復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),會(huì)使航天光學(xué)遙感器系統(tǒng)總體復(fù)雜度加大,可能引起相機(jī)壽命縮短和總體可靠度下降。解決好這些矛盾是發(fā)展航天光學(xué)遙感器關(guān)鍵性技術(shù)問題,也是航天光學(xué)遙感器未來發(fā)展需要研究的主要議題。

(3)較高成像質(zhì)量

航天相機(jī)的性能好壞,很重要的一點(diǎn)取決于相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。成像質(zhì)量主要與系統(tǒng)的像差大小有關(guān)[20],可以利用空間幾何的方法,通過大量的光路追跡計(jì)算來評(píng)價(jià),如繪制點(diǎn)列圖或各種像差特征曲線等。由于衍射現(xiàn)象的存在,還可以采取基于衍射理論評(píng)價(jià)方法,繪制實(shí)際成像波面或光學(xué)傳遞函數(shù)曲線等。這些方法在實(shí)踐過程中均存在有優(yōu)缺點(diǎn),往往需要綜合多種評(píng)價(jià)方法。與其它方法比較,利用光學(xué)傳遞函數(shù)來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是一種比較好的方法,該方法把物體看作由各種頻率的譜組成,即把物體的光場(chǎng)分布函數(shù)展開成傅里葉基數(shù)或傅里葉積分的形式。由于光學(xué)傳遞函數(shù)與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān),又與光學(xué)系統(tǒng)衍射效果有關(guān),用光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量,既可以取得可靠的效果,又可以客觀地給出光學(xué)成像質(zhì)量。

光學(xué)傳遞函數(shù)反映光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體不同頻率成分的傳遞能力。通常利用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線的積分值來評(píng)價(jià)成像質(zhì)量,在理論上,像點(diǎn)的中心點(diǎn)亮度值等于MTF曲線所圍的面積,MTF所圍的面積越大,表明光學(xué)系統(tǒng)傳遞的信息量越多,光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好,圖像越清晰[17]。對(duì)于航天相機(jī),通常采用 MTF或?qū)Ρ葌鬟f函數(shù) CTF來表征相機(jī)空間頻率的響應(yīng)函數(shù),MTF表示對(duì)正弦波的響應(yīng),CTF表示對(duì)方波的響應(yīng)[19]。航天相機(jī)在不同環(huán)境下的MTF分析方法如下:

(1)航天相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)傳遞函數(shù)[19]主要由光學(xué)系統(tǒng)的 MTF和 CCD幾何尺寸決定的MTF乘積確定。MTF光學(xué)由光學(xué)設(shè)計(jì)的MTF設(shè)計(jì)和加工裝調(diào)引起的MTF加工乘積確定;(2)航天相機(jī)的動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)是指相機(jī)在軌攝像時(shí)的傳遞函數(shù),主要由相機(jī)靜態(tài)傳遞函數(shù)、TD ICCD推掃成像傳遞函數(shù)及環(huán)境條件的傳遞函數(shù)等確定;(3)TD ICCD推掃成像傳遞函數(shù)分為沿飛行方向的傳遞函數(shù) (CCD積分時(shí),CCD接收器引起的MTF和 TD I時(shí)間延遲積分與像移)和沿垂直飛行方向的傳遞函數(shù) (偏流角誤差引起);(4)環(huán)境條件對(duì)相機(jī)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)的影響因素主要有大氣MTF、溫度MTF和震動(dòng) MTF,大氣 MTF影響是由大氣向上散射的背景產(chǎn)生,大氣抖動(dòng)的影響可以忽略不計(jì);(5)針對(duì)不同的目標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的像的調(diào)制度分析。

總之,航天相機(jī)要達(dá)到規(guī)定的光學(xué)設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù),需要充分利用 MTF曲線、MTF曲線的積分值及在不同環(huán)境下的MTF分析方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和成像質(zhì)量評(píng)價(jià),克服在各種環(huán)境下對(duì)成像效果的影響,不斷提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時(shí)必須在設(shè)計(jì)中對(duì)光學(xué)系統(tǒng)留有足夠大的相對(duì)孔徑,使得光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限的傳遞函數(shù)達(dá)到要求的值。

3.2 綜合光學(xué)成像遙感器

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展,航天光學(xué)成像遙感器的發(fā)展已經(jīng)超出人們預(yù)想范疇,平均 2～3年就會(huì)有一次創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)推出。近幾年,在衛(wèi)星與載荷 (航天光學(xué)成像遙感器等)一體化、全光譜段航天光學(xué)成像遙感器和對(duì)天對(duì)地一體化結(jié)構(gòu)等綜合光學(xué)成像遙感器方面均有較大發(fā)展,特別是多光譜譜段的光學(xué)成像遙感器已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,當(dāng)前,在軌運(yùn)行的光學(xué)成像遙感器中屬于這類光學(xué)成像遙感器的已經(jīng)占有較大比例。

(1)模塊化多光譜譜段

隨著航天技術(shù)特別是載人航天技術(shù)的高速發(fā)展,為了在太空做更多科學(xué)試驗(yàn)、更方便更有效地探索宇宙空間秘密和探測(cè)地球物理科學(xué),各國(guó)的科技人員不斷研究更加先進(jìn)的、滿足在太空工作和生活需要的綜合光學(xué)成像遙感器,以探索天地間的奧秘。多 (全)光譜段航天光學(xué)成像遙感器是目前的主要發(fā)展方向。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家及地區(qū),在該項(xiàng)領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的科學(xué)進(jìn)展。如:哈勃空間望遠(yuǎn)鏡 (Hubble Space Telescope),它是一個(gè)典型模塊化結(jié)構(gòu)天文望遠(yuǎn)鏡,涵蓋紫外線、可見光、近紅外線等譜段 (115～2 500 nm),屬于多光譜段航天天文光學(xué)成像遙感器,用于對(duì)天文的科學(xué)研究。該望遠(yuǎn)鏡成功地彌補(bǔ)了天文觀測(cè)、天文物理探索的不足,解決了天文學(xué)家在地面無法解決的許多天文學(xué)的基本問題,幫助人類對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。哈勃望遠(yuǎn)鏡的主要參數(shù)見表3,當(dāng)前包括的光學(xué)成像遙感器和探測(cè)儀器有ACS,STIS,FGS,N ICMOS,WFC3和 COS。其中ACS(Advanced Camera for Surveys)是先進(jìn)的測(cè)量照相機(jī),波長(zhǎng)范圍從紫外線到可見光到近紅外線,視場(chǎng)角是 WFPC2的 2倍,由 3個(gè)子儀器組成;WFC(W ide Field Camera)為可見光和近紅外線相機(jī);HRC(High Resolution Camera)為高檔相機(jī),可拍攝由銀河系中央發(fā)出并穿過黑洞的光線照片;另外還包括一個(gè)日冕觀測(cè)儀。STIS為照相機(jī)/攝譜儀 (Space Telescope Imaging Spectrograph),波長(zhǎng)范圍從近紅外線到紫外線;FGS為精密導(dǎo)向傳感器 (Fine Guidance Sensor)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的導(dǎo)引系統(tǒng),它的 3個(gè)精細(xì)導(dǎo)星傳感器主要用于保持望遠(yuǎn)鏡指向的準(zhǔn)確性,但也能用于天體的準(zhǔn)確測(cè)量,測(cè)量精度為 0.000 3″;N I CMOS為近紅外照相機(jī)/多目標(biāo)分光計(jì) (Near Infrared Camera and Multi-object Spectrometer);COS為天文光譜儀(CosmicOrigins Spectrograph),包括一個(gè)深紫外線通道 (FUV),一個(gè)近紅外線通道 (N I R);WFC3是廣角照相機(jī),包括一個(gè)紫外線和可見光通道(UV IS),一個(gè)近紅外線通道 (N IR)。詳見表4。

表3 Hubble空間望遠(yuǎn)鏡主要參數(shù)Tab.3 Pr imary parameters of Hubble space telescope

表4 哈勃望遠(yuǎn)鏡上的光學(xué)成像遙感器Tab.4 Optical image remote sensors in Hubble space telescope

由 6臺(tái)光學(xué)儀器組成的 Hubble空間望遠(yuǎn)鏡,除主光學(xué)系統(tǒng)外,還包括光學(xué)成像遙感器設(shè)備和對(duì)天各種光譜探測(cè)儀器,這些設(shè)備可隨時(shí)由宇航員更換,形成了模塊化結(jié)構(gòu),延長(zhǎng)了服務(wù)周期,可不斷地提高空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)性能和功能。Hubble空間望遠(yuǎn)鏡雖然僅作為天文望遠(yuǎn)鏡,但仍然涵蓋了較寬的光譜譜段。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)嫦娥一號(hào)衛(wèi)星雖然是一臺(tái) CCD立體相機(jī),但包含了激光高度計(jì)和成像光譜儀等多臺(tái)儀器,構(gòu)成了嫦娥一號(hào)立體相機(jī)系統(tǒng)。

對(duì)地的綜合光學(xué)遙感器研究?jī)?nèi)容包括紫外成像、超高分辨率可見光成像、甚高分辨率紅外成像、甚高可見光-紅外超光譜成像、激光雷達(dá)回波探測(cè)和 THz大氣譜線觀測(cè)等綜合多光譜光學(xué)遙感器,目前這些空間成像儀、光譜儀和探測(cè)儀已經(jīng)成為各國(guó)的主要研究?jī)?nèi)容。

(2)天地一體結(jié)構(gòu)

空間現(xiàn)代光學(xué)遙感器已經(jīng)成為地球物理研究、空間科學(xué)研究及銀河系研究的重要輔助手段,同時(shí)通過衛(wèi)星等各種載體,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海洋監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、地礦探測(cè)和軍事偵察等方面。近幾年,國(guó)內(nèi)把天地一體化結(jié)構(gòu)的綜合光學(xué)遙感器研究列入議事日程,這種結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng),由于其功能強(qiáng)大、光機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾乎全光學(xué)譜段范圍、搭載的儀器設(shè)備種類較多,形成了光學(xué)成像遙感系統(tǒng)綜合平臺(tái)。通常該平臺(tái)需要搭載在大型衛(wèi)星或飛行器上,如空間站和航天飛機(jī)等。這種主光學(xué)系統(tǒng)共享結(jié)構(gòu),可以考慮兩種方案:一種是對(duì)天、對(duì)地通過的光機(jī)結(jié)構(gòu)直接分離;另一種是通過二維轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)天、對(duì)地轉(zhuǎn)換。由于該平臺(tái)需要在統(tǒng)一的主光學(xué)系統(tǒng)下進(jìn)行分光,可分割出10多個(gè)光學(xué)通道 (如對(duì)天、對(duì)地的紫外成像、可見光成像、紅外成像、可見光 -紅外超光譜成像、激光雷達(dá)回波探測(cè)和 THz大氣譜線觀測(cè)等),覆蓋了幾乎所有光譜譜段,實(shí)現(xiàn)起來非常困難。這種系統(tǒng),目前國(guó)內(nèi)外仍處于研究階段,其優(yōu)點(diǎn)在于:(a)利于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和參數(shù)自動(dòng)調(diào)整技術(shù)的應(yīng)用研究和開展,利于應(yīng)用不同的光譜譜段成像儀器和探測(cè)系統(tǒng)索取所需的信息和數(shù)據(jù),進(jìn)行自動(dòng)分析、自動(dòng)圖像數(shù)據(jù)處理和識(shí)別,達(dá)到光學(xué)遙感器工作的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整的目標(biāo);(b)便于航天員有選擇地使用儀器設(shè)備和拍攝時(shí)機(jī),對(duì)感興趣的目標(biāo)采用最佳通道儀器或多個(gè)通道進(jìn)行并行工作,達(dá)到快捷、準(zhǔn)確獲取信息和目標(biāo);(c)有利于探索空間對(duì)地、對(duì)天觀測(cè)一些共性技術(shù)問題;(d)有利于大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的模塊化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和精確指向等技術(shù)問題。其缺點(diǎn)是,由于結(jié)構(gòu)龐大,可搭載的航天器受限制,不利于大面積推廣。

3.3 智能型光學(xué)成像遙感器

智能型光學(xué)成像遙感器主要包括自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包括地面景物識(shí)別、相機(jī)工作條件認(rèn)證和拍攝環(huán)境的確認(rèn)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)涉及人工智能理論、控制理論和圖像學(xué)多個(gè)研究領(lǐng)域,涵蓋多光譜成像、分布式成像、圖像處理、模式識(shí)別、光譜分析和成像分辨率等多項(xiàng)技術(shù),融入了進(jìn)化計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及多種智能處理方法。在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別過程中,需要依據(jù)地面目標(biāo)、空間環(huán)境和工作條件等不同情況,給出理論模型或算法,可以自動(dòng)識(shí)別出地物、空中浮遮物及它們所處的地點(diǎn)和類別,并能實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。參數(shù)調(diào)整自適應(yīng)技術(shù)包括適應(yīng)外部光照條件,自動(dòng)完成調(diào)整調(diào)光參數(shù);根據(jù)圖像內(nèi)容,結(jié)合圖像的清晰度評(píng)價(jià),自適應(yīng)調(diào)整焦面位置;根據(jù)外部條件變化重新實(shí)現(xiàn)在軌的參數(shù)標(biāo)定。

(1)在軌目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

隨著遙感圖像的精度提高,其數(shù)據(jù)量不斷增加,有限的存儲(chǔ)空間和衛(wèi)星傳輸帶寬與大量遙感圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理間的矛盾日益突出。發(fā)展在軌目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是緩解該矛盾的重要手段。

對(duì)于不同的使用者,在海量的遙感圖像中,并不是所有數(shù)據(jù)都含有需要的信息量,即數(shù)據(jù)量不等同于信息量,因此可根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用目的識(shí)別出有價(jià)值的數(shù)據(jù)子集,即感興趣區(qū)域,對(duì)其進(jìn)行不同的處理后,提供給不同的使用者。

感興趣區(qū)在軌目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是一個(gè)綜合性、智能化、多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,該技術(shù)涉及目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、多光譜成像、紅外成像、激光雷達(dá)、分布式成像和圖像處理等多項(xiàng)技術(shù)。

從第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功起,人們就開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星遙感圖像的識(shí)別研究。最初是利用人機(jī)交互方式從遙感圖像中獲取有關(guān)地學(xué)信息。這種方法的實(shí)質(zhì)仍然是遙感圖像目視判讀,它依賴于圖像解譯人員的解譯經(jīng)驗(yàn)與水平。20世紀(jì) 80年代,主要是利用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法進(jìn)行遙感圖像識(shí)別。20世紀(jì) 90年代提出了利用專家知識(shí)進(jìn)行圖像分析。21世紀(jì)初,越來越多的數(shù)據(jù)處理方法被綜合應(yīng)用到遙感圖像識(shí)別中,融入了進(jìn)化計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類和容差粗糙集等多種智能處理方法。雖然利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別難度較大,但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,借助圖像處理、模式識(shí)別和其他相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的不斷推陳出新,該領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。圖2為融合后的IKONOS衛(wèi)星識(shí)別的鐵礦圖像。

圖2 IKONOS衛(wèi)星識(shí)別鐵礦的圖像Fig.2 Recognition of iron ore using IKONOS satellite

目前大多數(shù)空間相機(jī)是多光譜的,同一片CCD上含有多個(gè)波段,多個(gè)波段可以同步采集圖像,形成的多光譜圖像比單一波段或全色譜段圖像更有價(jià)值。

多光譜可以有效地提高空間相機(jī)全天候觀測(cè)能力,而且,由于不同類型的地物對(duì)光譜反射和吸收特性不同,通過多光譜空間相機(jī)可以更好地對(duì)地物進(jìn)行識(shí)別?？梢姽狻⒔t外和短波紅外譜段(0.4～3μm)的遙感器測(cè)量的是地面和大氣及云反射或發(fā)射的輻射量。中波紅外譜段 (3～5μm)是太陽反射到熱輻射的過渡區(qū),大于5μm時(shí),地球自身發(fā)射熱輻射占主導(dǎo),由于不直接依賴太陽源,長(zhǎng)波紅外、微波譜段 (＞5μm)遙感器不僅可以在夜間采集圖像,也可以在白天采集圖像。

多分辨率成像技術(shù)如圖3所示,為一個(gè)分布式的多分辨率成像系統(tǒng)。當(dāng)無目標(biāo)時(shí),成像系統(tǒng)用多臺(tái)相機(jī)組合 (低分辨率狀態(tài))普查觀測(cè)場(chǎng)景;當(dāng)發(fā)現(xiàn)感興趣目標(biāo)時(shí),成像系統(tǒng)調(diào)整成用一臺(tái)或多臺(tái)適用當(dāng)時(shí)環(huán)境的高分辨率詳查相機(jī) (同時(shí))觀測(cè)場(chǎng)景。這種分布式綜合結(jié)構(gòu)通過普查和詳查相結(jié)合的方式,大大提高了成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo),特別是感興趣區(qū)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別能力。

圖3 多分辨率成像系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch ofmulti-resolution image system

目前,1顆衛(wèi)星或飛行器也可以搭載多臺(tái)、多功能相機(jī),比如三線陣相機(jī)就是由正視相機(jī)、前視相機(jī)和后視相機(jī)組成的。正視相機(jī)的視軸垂直于地面,前視、后視相機(jī)的視軸與正視相機(jī)的視軸之間成一定夾角,3個(gè)相機(jī)的線陣 CCD的方向互相平行,并垂直于飛行方向。通過圖像配準(zhǔn)、拼接和融合技術(shù)可以形成大視場(chǎng)角的遙感圖像,用類似于圖3分布式成像系統(tǒng)普查和詳查相結(jié)合的方式,可以更有效地實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)對(duì)感興趣區(qū)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別。

(2)在軌自動(dòng)參數(shù)調(diào)整技術(shù)

自動(dòng)參數(shù)調(diào)整技術(shù)是空間相機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,包括自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)調(diào)偏流和自動(dòng)調(diào)光等,目前在軌實(shí)時(shí)調(diào)偏流與調(diào)光理論上在國(guó)內(nèi)已有所進(jìn)展,而在軌的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)是自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的難點(diǎn),目前尚未突破。

調(diào)焦系統(tǒng)是空間相機(jī)的重要組成部分,是決定空間相機(jī)成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵組件?？臻g相機(jī)所處的運(yùn)載和運(yùn)行環(huán)境 (如沖擊、過載、振動(dòng)、壓力及溫度等)非常復(fù)雜,對(duì)環(huán)境變化和溫度波動(dòng)的影響比較敏感。由于環(huán)境的變化,相機(jī)焦面將產(chǎn)生不同程度的離焦,為保證相機(jī)在比較復(fù)雜的環(huán)境下的成像質(zhì)量,需對(duì)相機(jī)變化的像面加以校正,因此設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)是十分必要的。我國(guó)航天相機(jī)研究起步較晚,早期的相機(jī)功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,多數(shù)相機(jī)不具備自動(dòng)調(diào)焦功能。近年來,國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了在軌地面注入調(diào)焦,同時(shí)在地面應(yīng)用長(zhǎng)焦距相機(jī)動(dòng)態(tài)照相分辨力檢測(cè)目標(biāo)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、飛行器模擬裝置、平行光管和圖像高速采集及存儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn) (非全部性能)動(dòng)態(tài)調(diào)焦,標(biāo)志著我國(guó)空間相機(jī)在軌調(diào)焦技術(shù)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。近年來出現(xiàn)了許多調(diào)焦機(jī)構(gòu)和調(diào)焦方法,主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種,主動(dòng)式如三角測(cè)距、紅外測(cè)距和超聲測(cè)距;被動(dòng)式主要依靠圖像分析的辦法。然而,多數(shù)自動(dòng)調(diào)整方法并不適合于航天相機(jī)線陣、高速和場(chǎng)景時(shí)變的特點(diǎn),目前在實(shí)際中使用的方法仍然是反復(fù)地地面人工判讀和重復(fù)地注入干預(yù),調(diào)整的時(shí)效性較差,隨著探測(cè)分辨率的不斷提升,相機(jī)的焦距越來越長(zhǎng),整機(jī)結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境影響越來越敏感,焦面位置的一個(gè)微小變化可能造成成像質(zhì)量的迅速減低,即便此變化未出焦深范圍,但傳遞函數(shù)已經(jīng)降低很多了,因此非實(shí)時(shí)性調(diào)整可能越來越不能滿足任務(wù)的要求,自動(dòng)、精準(zhǔn)的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)成為一種重要的研究方向。

4 現(xiàn)代光學(xué)成像遙感器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)反射鏡結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

目前國(guó)外的地基大口徑設(shè)計(jì)最大已達(dá)到10 m,國(guó)內(nèi)也成功實(shí)現(xiàn)了 6 m量級(jí) (LAMOST);國(guó)外的天基的大口徑僅實(shí)現(xiàn) 6 m量級(jí),可見天基大口徑設(shè)計(jì)更為困難。在天基條件下,飛行器所能承載的設(shè)備重量是有限的,這就要求在不影響性能的前提下,一方面尋找更為合理的新型高分子碳纖維復(fù)合材料,如 CFRC材料等,另一方面對(duì)鏡體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行更為嚴(yán)格的輕量化。傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)采用蜂窩夾心結(jié)構(gòu)[23],蜂窩單元幾何形狀對(duì)反射鏡剛度和減重率的影響的研究吸引了許多研究人員,但是目前尚無統(tǒng)一的結(jié)論。

(2)主動(dòng)光學(xué)波前探測(cè)技術(shù)

隨著探測(cè)口徑進(jìn)一步的增大,天基條件下更為輕薄的主鏡設(shè)計(jì)以及空間可展開設(shè)計(jì)使得采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)成為趨勢(shì)和必然,比如主鏡 6.5 m的 JWST使用了主動(dòng)光學(xué)技術(shù)以保證高精度的面型。主動(dòng)光學(xué)的難點(diǎn)是波前探測(cè)技術(shù),比如經(jīng)典的干涉測(cè)量技術(shù)和比較前沿的圖像處理技術(shù) (如PR和 PD技術(shù))[24],但這些檢測(cè)手段的輸入對(duì)象均為星點(diǎn)目標(biāo),使用范圍比較受限,對(duì)地觀測(cè)時(shí),自然景物輸入下的檢測(cè)技術(shù)尚不成熟,需要研究人員進(jìn)一步探索。

(3)THz—新的光譜探測(cè)范圍的挑戰(zhàn)

為了獲取更多的目標(biāo)景物有用信息,除了需要遙感系統(tǒng)有更高的空間分辨率外,更寬譜段范圍、更高光譜分辨率、輻射分辨率越來越被關(guān)注,從多角度、多側(cè)面的獲得信息成為航天遙感器探測(cè)技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展著眼點(diǎn)。

航天遙感器的工作譜段雖然覆蓋了從微波到γ射線幾乎整個(gè)電磁波譜段范圍,但目前的應(yīng)用主要還集中在紅外、可見到紫外探測(cè)這一個(gè)波段,從遠(yuǎn)紅外到亞毫米波這一波段的開發(fā)由于技術(shù)原因基本上處于空白,這一波段被稱為 THz波段。THz衛(wèi)星太空成像和在天文方面的應(yīng)用剛剛起步,通過連續(xù)波 THz成像技術(shù),利用 THz波的穿透特性,建立 THz連續(xù)波成像系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)與光學(xué)成像技術(shù)有一定互補(bǔ)性的 THz成像技術(shù)。

隨著 THz應(yīng)用的廣泛開展,對(duì) THz波探測(cè)器的靈敏度和頻率分辨率等性能也提出了越來越高的要求,而 THz輻射源的低輸出功率和 THz頻率范圍內(nèi)較高的熱輻射背景噪聲等因素對(duì)探測(cè)造成較大的影響,另外 THz技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室向航天工程探測(cè)方向的轉(zhuǎn)化也存在諸多的難題[25],等待著研究人員去解決。

(4)高精度控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)天基遙感器的跟蹤和凝視性能,要求空間相機(jī)具有極高的指向精度和控制精度,以Hubble望遠(yuǎn)鏡為例,其控制指向精度達(dá)到了0.01″,24 h凝視時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度達(dá)到 0.007″,超過了許多地基設(shè)備的性能,因此對(duì)于控制手段和控制策略提出了更高的要求,其中復(fù)合軸控制技術(shù)和精確導(dǎo)星技術(shù)是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

(5)在軌智能處理技術(shù)

最主要的一個(gè)前沿技術(shù)是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)通過模擬人對(duì)遙感圖像的生理視覺邏輯心理等多層次的認(rèn)知過程,探求其內(nèi)在規(guī)律和認(rèn)知模型,以空間信息認(rèn)知理論和空間要素關(guān)系模型為基礎(chǔ),分析目標(biāo)圖像的顏色、形狀、紋理和光譜等特征,實(shí)現(xiàn)圖像的智能解譯和自動(dòng)識(shí)別。智能處理是綜合了智能計(jì)算理論、知識(shí)工程、專家系統(tǒng)等多學(xué)科交叉知識(shí)共性的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)束語

航天光學(xué)成像遙感器包括了軍事偵察相機(jī),立體測(cè)繪相機(jī),氣象、海洋觀測(cè)相機(jī),陸地資源勘測(cè)相機(jī),空間天文和深空目標(biāo)探測(cè)相機(jī)等空間光學(xué)遙感器,目前美國(guó)在該領(lǐng)域領(lǐng)先于其它國(guó)家和地區(qū),代表了空間探測(cè)技術(shù)應(yīng)用的最高水平。圍繞如何利用好無國(guó)籍的太空,各國(guó)紛紛加大投資力度,特別是科學(xué)技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū),對(duì)現(xiàn)代航天光學(xué)成像遙感器的研制、發(fā)展提出了更高的目標(biāo)。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外飛行器、光學(xué)成像遙感器和探測(cè)器應(yīng)用情況的描述和分析,提出地面目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、多光譜多分辨率設(shè)計(jì)技術(shù)、智能控制技術(shù)、天地一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、高分辨率寬覆蓋高圖像質(zhì)量技術(shù)和大口徑的工藝處理技術(shù)是空間探測(cè)技術(shù)未來主要應(yīng)用與研究方向。列舉了大口徑設(shè)計(jì)、新型 THz波段探測(cè)、高精度控制和智能處理等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的要求,意在為航天光學(xué)成像遙感器的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支持和引導(dǎo)。

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