楊秉新 曹東晶

（北京空間機電研究所，北京 100190）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（民用部分）”的重要項目，于2014年8月19日發(fā)射成功。衛(wèi)星上裝載有北京空間機電研究所自主研發(fā)的兩臺高分辨率輕小型相機，相機全色譜段（PAN）分辨率為0.8m，多光譜譜段（MS）分辨率為3.2m，兩臺相機拼接后的幅寬為45.7km。目前衛(wèi)星已完成在軌測試，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，并已交付使用。這標(biāo)志著我國民用遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米“高分時代”。圖1為GF-2衛(wèi)星相機拍攝的北京和上海影像。

圖1 GF-2衛(wèi)星相機拍攝的影像Fig. 1 The images captured by GF-2 satellite camera

隨著衛(wèi)星相機分辨率的提高，相機的焦距增長、口徑增大，研制難度和成本增加，費效比問題更加突出。按傳統(tǒng)設(shè)計，相機靜態(tài)傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）需要達(dá)到0.2。經(jīng)計算，GF-2衛(wèi)星相機口徑（D）需要達(dá)到0.78m才可能滿足分辨率及MTF=0.2的要求。在衛(wèi)星平臺對相機體積和質(zhì)量的嚴(yán)格限制下，該相機的研制面臨較大的技術(shù)難度和較長的周期。為實現(xiàn)相機的高分辨率并滿足衛(wèi)星平臺的約束條件，GF-2衛(wèi)星相機進(jìn)行了多項技術(shù)創(chuàng)新，為我國高分辨率衛(wèi)星相機研發(fā)探索了新的技術(shù)途徑。

本文將重點介紹 GF-2衛(wèi)星相機在總體方案、光學(xué)系統(tǒng)、光機結(jié)構(gòu)、高速低噪聲電子學(xué)線路、精密熱控、重力卸載裝調(diào)等方面的技術(shù)創(chuàng)新及由該相機的研制得到的啟示。

1 衛(wèi)星相機概述

1.1 相機主要參數(shù)

GF-2衛(wèi)星相機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 相機主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the camera

1.2 相機特點

GF-2衛(wèi)星相機的光學(xué)系統(tǒng)采用折疊式Korsch系統(tǒng)，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、幾何精度穩(wěn)定。利用新材料及輕量化技術(shù)實現(xiàn)光機結(jié)構(gòu)的輕型化，單臺相機鏡頭質(zhì)量為150kg。相機與衛(wèi)星平臺采用一體化設(shè)計，星敏感器安裝在相機的光機主體結(jié)構(gòu)上，減少了中間環(huán)節(jié)，有利于提高衛(wèi)星定位精度。相機與衛(wèi)星一體化仿真圖如圖2所示。在動力學(xué)耦合分析基礎(chǔ)上，相機與衛(wèi)星平臺的支撐采用了隔振及隔熱的卸載支架，減小了環(huán)境對相機成像品質(zhì)的影響。采用“間接輻射熱控”方法實現(xiàn)精密熱控，鏡頭溫度水平在軌全周期優(yōu)于（20±0.3）℃，徑向溫度差優(yōu)于0.2℃。

圖2 相機與衛(wèi)星一體化仿真圖Fig. 2 Simulation map of satellite and cameras

1.3 主要性能比較

美國從20世紀(jì)末至今三代民用衛(wèi)星相機、法國Pleiades-HR衛(wèi)星相機以及GF-2相機的主要性能對比見表2。從表中可以看出：中國GF-2衛(wèi)星相機分辨率與美國第一代IKONOS-2相機和法國Pleiades-HR相機水平相當(dāng)，但與美國第二、三代的衛(wèi)星相機還有較大的差距；GF-2衛(wèi)星相機的幅寬優(yōu)于美國和法國衛(wèi)星相機。

表2 相機主要性能比較Tab. 2 Comparison of camera main performances

2 相機技術(shù)創(chuàng)新

2.1 總體優(yōu)化選取相機的F數(shù)

通過星地一體化設(shè)計，確定相機采用適中的MTF和高的信噪比（SNR）[1]，通過地面圖像處理進(jìn)行像質(zhì)復(fù)原與提升，實現(xiàn)相機高分辨率和高圖像品質(zhì)

GF-2衛(wèi)星相機在國內(nèi)首次采用λF/P（λ為中心波長，F(xiàn)為鏡頭F數(shù)，P為CCD器件像元尺寸）接近1的設(shè)計理念[2]，優(yōu)選相機的F數(shù)。在λF/P=1時，相機光學(xué)系統(tǒng)的截止頻與CCD采樣頻率相等，圖像混疊將減少。取λ=0.65μm（相機的平均波長），P=10μm時，經(jīng)計算，當(dāng)滿足λF/P=1的條件時，F(xiàn)=15，鏡頭全色譜段在fN（Nyquist）頻率處的MTF=0.12。若按傳統(tǒng)設(shè)計理念，全色譜段要求fN處MTF =0.2，計算得到F=10。表3列出了利用傳統(tǒng)理念和λF/P=1理念計算得到的相機參數(shù)。由表3可以看出，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計，相機口徑減小了32%，這樣，相機的質(zhì)量將大幅減小。

表3 傳統(tǒng)理念和λF/P=1理念計算得到的相機參數(shù)Fig. 3 Camera parameters with traditional concept and λF/P=1 concept

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，在λF/P=1條件下，相機的MTF有所下降。圖3為λF/P、MTF和混疊信息的關(guān)系。由圖3可知，適當(dāng)?shù)臏p小MTF，可減小圖像的混疊；λF/P越小，相機的MTF越高，混疊面積越大，混疊也越嚴(yán)重，圖像噪聲增加[3]。

為了提高全色譜段靜態(tài) MTF=0.12時的圖像品質(zhì)，可以通過地面圖像傳遞函數(shù)補償（modulation transfer function compensation，MTFC）技術(shù)提高圖像MTF。全鏈路成像仿真分析的結(jié)論表明：采用MTFC新方法，在提高M(jìn)TF時，圖像噪聲增加很?。划?dāng)光學(xué)系統(tǒng)取F=15、全色譜段的靜態(tài)MTF=0.12時，原始圖像經(jīng)過MTFC處理后，MTF可達(dá)到0.2；經(jīng)過MTFC處理的圖像邊緣更清晰，有利目視判讀，目視圖像噪聲無變化。相機光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 λF/P、MTF和混疊信息的關(guān)系Fig. 3 Relationship between λF/P, MTF and aliasing information

圖4 相機光學(xué)系統(tǒng) Fig. 4 Optical system of the camera

根據(jù)上述設(shè)計理念，設(shè)計時相機全譜段的靜態(tài) MTF=0.12（fN=50對線/mm），F(xiàn)=15，相機在實驗室測試時靜態(tài)MTF接近0.15，與法國Pleiades-HR相機靜態(tài)MTF=0.13（fN=38.5對線/mm）相當(dāng)。衛(wèi)星在軌測試時，相機動態(tài)MTF全色譜段在fN處，沿軌道方向為0.097 3，垂直軌道方向為0.109 1，平均約0.1，經(jīng)過MTFC處理后圖像良好，滿足設(shè)計要求。

2.2 光學(xué)優(yōu)化設(shè)計擴大視場角

GF-2衛(wèi)星相機的光學(xué)系統(tǒng)采用Korsch系統(tǒng)，長度為1 000mm，寬550mm，高800 mm，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。光學(xué)系統(tǒng)的視場角達(dá)到2.1°，擴大了橫向幅寬，并超過了美國和法國同類相機光學(xué)系統(tǒng)的視場角。

2.3 光機結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機的鏡筒首次采用陶瓷基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymers，CFRP）。表4列出了航天相機常用結(jié)構(gòu)材料Invar、TC4、ZTC4和CFRP材料的主要性能參數(shù)，由表4可以看出，CFRP性能優(yōu)異、穩(wěn)定性高，可以保證主鏡和次鏡的力學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

表4 幾種材料的性能參數(shù)Tab. 4 Performance parameters of several materials

GF-2衛(wèi)星相機首次采用整體柔性阻尼技術(shù)，通過三組BiPod阻尼支撐桿實現(xiàn)相機與衛(wèi)星平臺在三個支撐上連接，解決了在軌衛(wèi)星平臺連接面熱變形對相機的影響，隔振頻率為30Hz。在這種情況下，支撐桁架頻點處加速度響應(yīng)放大率小于 3，隨機均方根加速度在三個方向上分別衰減至原來的 36%、35%、82%，為光機主體提供了良好的動力學(xué)環(huán)境。另外，次鏡正弦加速度響應(yīng)放大為18.4倍（無阻尼措施仿真結(jié)果為52倍），隨機均方根加速度放大僅1.89倍。

經(jīng)試驗驗證，該支撐結(jié)構(gòu)對頻率大于100Hz的微振動有良好隔振效果，可減少微振動對像質(zhì)的影響，并減少衛(wèi)星主動段振動對相機的影響，提高相機的可靠性。

2.4 高速低噪聲電子學(xué)線路創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機首次采用2Gbit/s的高速數(shù)傳接口，保證海量遙感數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。另外，該相機還采用電源濾波、阻尼匹配、優(yōu)化布局等措施將視頻電子學(xué)焦平面的噪聲降至 1mV（RMS），使相機最大信噪比達(dá)到了316。

2.5 高精度熱控創(chuàng)新

GF-2衛(wèi)星相機采用“間接輻射熱控”方法來實現(xiàn)鏡頭溫度水平優(yōu)于(20±0.3)℃，徑向溫度差優(yōu)于±0.2℃。這一數(shù)據(jù)是我國目前在軌運行相機的最高水平。為確保良好圖像品質(zhì)，GF-2衛(wèi)星相機還采用新型槽道熱管和補償加熱技術(shù)，將TDICCD溫度范圍穩(wěn)定維持在±2℃，有效抑制了電路噪聲，確保焦平面的幾何尺寸穩(wěn)定。

2.6 重力卸載裝調(diào)

在 GF-2衛(wèi)星相機的裝調(diào)中，首次采用吊索配重解決水平裝調(diào)檢測的重力卸載難題，在地面近似模擬相機失重工作狀態(tài)，確保在軌圖像品質(zhì)。

3 啟示

GF-2衛(wèi)星相機研制成功，取得了多項創(chuàng)新成果，為我國高分辨率相機研發(fā)探索了新的技術(shù)途徑，有以下主要啟示：

（1）采用λF/P≥1設(shè)計參數(shù)優(yōu)化相機設(shè)計是可行的

相機采用小相對孔徑（大F數(shù)）、全色譜段靜態(tài)MTF取0.12～0.15（fN處）是合理可行的，這樣設(shè)計出的相機體積小，質(zhì)量比傳統(tǒng)取MTF=0.2減少約32%，實現(xiàn)了相機輕小型化和高分辨率，使我國高分辨率對地觀測相機達(dá)到世界先進(jìn)水平。

貫徹天地一體化設(shè)計理念和成像鏈路仿真分析優(yōu)化相機設(shè)計參數(shù)，結(jié)合運用地面MTFC技術(shù)，可以保證圖像品質(zhì)達(dá)到用戶的要求。

（2）提高相機信噪比，保證圖像品質(zhì)

通過優(yōu)化視頻電子線路，可以實現(xiàn)噪聲1mv（RMS）；通過運用新型槽道熱管對TDICCD散熱，可以進(jìn)一步降低電路的噪聲，提高相機的信噪比。

（3）高精度熱控是必須的

高分辨率衛(wèi)星相機采用全反式光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡對溫度波動非常敏感。溫度的波動將影響反射鏡面型精度，降低圖像品質(zhì)，因此必須采用新技術(shù)提高熱控精度，實現(xiàn)鏡頭的高精度熱控，為相機獲取高質(zhì)量圖像提供可靠保障。

References)

[1]楊秉新. TDICCD相機的信噪比研究[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(2): 22-24.YANG Bingxin. Study on Static MTF of TDICCD Camera[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2005, 26(2): 22-24. (in Chinese)

[2]Fiete R D. Image Quality and λFN/P for Remote Sensing Systems[J]. Optical Engineering, 1999, 38(7): 1229-1240.

[3]Holst G C. CCD Array Cameras and Displays[M]. Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE Optical Engineering Press, 1998.

[4]楊秉新. 關(guān)于TDICCD相機靜態(tài)傳遞函數(shù)的研究[J]. 航天返回與遙感, 2004, 25(3): 22-24.YANG Bingxin. Study of S/N Ratio of TDICCD Camera[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2004, 25(3): 22-24. (in Chinese)

[5]陳世平. 景物和成像條件對遙感圖像品質(zhì)的影響[J]. 航天返回與遙感, 2010, 31(1): 1-10.CHEN Shiping. The Effects on Remote Sensing Image Quality from Scenes and Imaging Conditions[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2010, 31(1): 1-10.(in Chinese)

[6]陳強, 戴奇燕, 夏德深. 基于MTF理論的遙感圖像復(fù)原[J].中國圖像圖形學(xué)報, 2006, 11(9): 1299-1305.CHEN Qiang, DAI Qiyan, XIA Deshen. Restoration of Remote Sensing Images Based on MTF Theory[J]. Journal of Image and Graphics, 2006, 11(9): 1299-1304. (in Chinese)

[7]Andrews H C, Hunt B R. Digital Image Restoration[M]. Englewood Cliffs, New Jersey. USA: Prentice-Hall, 1977.

[8]葛平, 王密, 潘俊, 等. 高分辨率TDI-CCD成像數(shù)據(jù)的自適應(yīng)MTF圖像復(fù)原處理研究[J]. 國土資源遙感, 2010, 87(4):23-28.GE Ping, WANG Mi, PAN Jun, etal. A Study of Adaptive MTF Restoration of High Resolution TDI-CCD Image Data[J].Remote Sensing for Land amp; Resources, 2010, 87(4): 23-28. (in Chinese)

[9]Hunt B R. The Application of Constrained Least Squares Estimations to Image Restoration by Digital Computer[J]. IEEE Transactions on Computer, 1973, 22(9): 805-812.