馬文坡 練敏隆

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

馬文坡 練敏隆

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)具有高時(shí)間分辨率、較高空間分辨率和較大成像幅寬的特點(diǎn)。它包含可見光近紅外（VNIR）通道和中波紅外（MWIR）通道，VNIR通道有5個(gè)譜段，MWIR通道有1個(gè)譜段，具備晝夜成像能力。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)為折反射系統(tǒng)，采用分色片實(shí)現(xiàn)VNIR與MWIR譜段分離，利用旋轉(zhuǎn)濾光輪將入射VNIR輻射分成5個(gè)譜段。VNIR焦面組件采用全局電子快門CMOS面陣探測(cè)器；MWIR焦面采用HgCdTe面陣探測(cè)器，由脈沖管制冷機(jī)制冷到80K。MWIR譜段采用兩個(gè)黑體進(jìn)行星上定標(biāo)?；谟脩粜枨蠛偷厍蜢o止軌道環(huán)境開展了相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)、活動(dòng)機(jī)構(gòu)長壽命高可靠性設(shè)計(jì)。

凝視相機(jī) 旋轉(zhuǎn)濾光輪 面陣探測(cè)器 一體化設(shè)計(jì) “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

空間分辨率優(yōu)于1m的低地球軌道（LEO）光學(xué)成像遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用多年，但時(shí)間分辨率較低。例如，WorldView-3衛(wèi)星全色譜段星下點(diǎn)空間分辨率高達(dá)0.31m，星下點(diǎn)幅寬為13.1km，通過衛(wèi)星側(cè)擺平均重訪時(shí)間可達(dá)1天。地球靜止軌道（GEO）氣象衛(wèi)星具有較高的時(shí)間分辨率和較大的成像幅寬，但空間分辨率較低。例如，正在研制的歐洲第三代氣象衛(wèi)星（MTG）全地球圓盤觀測(cè)的重訪時(shí)間為10min，四分之一地球圓盤觀測(cè)的重訪時(shí)間為2.5min，可見光譜段和短波紅外譜段的星下點(diǎn)空間分辨率最高僅為500m[1-2]。為滿足同時(shí)需要高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率的對(duì)地觀測(cè)需求，中國研制和發(fā)射了運(yùn)行于地球靜止軌道上的“高分四號(hào)”衛(wèi)星。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星為世界首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，星上裝載了一臺(tái)凝視相機(jī)。利用衛(wèi)星長期駐留赤道上固定區(qū)域上空、持續(xù)提供上行和下行數(shù)據(jù)通道以及較強(qiáng)姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，凝視相機(jī)可對(duì)中國及周邊地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，可快速獲取突發(fā)事件的遙感數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要靈活調(diào)整成像積分時(shí)間。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星主要為綜合防災(zāi)減災(zāi)、氣象預(yù)報(bào)、林業(yè)監(jiān)測(cè)和地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，并可為海洋、農(nóng)業(yè)、國土、水利等行業(yè)提供遙感數(shù)據(jù)服務(wù)?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星于2015年12月29日發(fā)射，2016年1月4日開始獲取圖像，2016年6月13日投入使用。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)工作在可見光近紅外和中波紅外譜段，可見光近紅外譜段的星下點(diǎn)地面像元分辨率為 50m、幅寬為 500km×500km，中波紅外譜段的星下點(diǎn)地面像元分辨率為 400m、幅寬為400km×400km，可通過衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)“步進(jìn)與凝視”成像，進(jìn)一步擴(kuò)大觀測(cè)區(qū)域。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of the staring camera on board GF-4 satellite

2 設(shè)計(jì)概述

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的組成框圖如圖1所示，相機(jī)主體如圖2所示。其可見光近紅外與中波紅外通道既可同時(shí)成像也可分別成像，既可單次成像也可連續(xù)成像，可見光近紅外通道5個(gè)譜段既可單譜段成像也可多譜段成像?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的主要成像模式見表2。

圖1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)組成框圖Fig.1 Block diagram of the staring camera on board GF-4 satellite

圖2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)主體Fig.2 Engineering qualification model of the staring camera on board GF-4 satellite

表2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的主要成像模式Tab.2 Imaging mode of the staring camera on board GF-4 satellite

3 技術(shù)特點(diǎn)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）采用較大規(guī)模的面陣探測(cè)器，配合大口徑、長焦距光學(xué)系統(tǒng)以及高速低噪聲信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率、較高空間分辨率、較高輻射分辨率以及較大單景成像幅寬?？梢姽饨t外通道單譜段連續(xù)成像時(shí)間分辨率為5s，多譜段連續(xù)成像時(shí)間分辨率為分鐘級(jí)，中波紅外通道連續(xù)成像的時(shí)間分辨率為1s，特別適合于對(duì)動(dòng)目標(biāo)或快速變化目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視成像。經(jīng)測(cè)試，可見光近紅外通道的星下點(diǎn)地面像元分辨率優(yōu)于 50m，中波紅外通道的星下點(diǎn)地面像元分辨率優(yōu)于 400m，為目前空間分辨率最高的地球靜止軌道光學(xué)成像儀器；可見光近紅外通道的星下點(diǎn)單景成像幅寬優(yōu)于500km×500km，中波紅外通道的星下點(diǎn)單景成像幅寬優(yōu)于400km×400km；可見光近紅外譜段可實(shí)現(xiàn)的最大SNR優(yōu)于50dB，中波紅外譜段的NETD優(yōu)于0.1K（@350K）。

2）光學(xué)系統(tǒng)采用折反射系統(tǒng)，利用分色片實(shí)現(xiàn)可見光近紅外通道與中波紅外通道分離，利用旋轉(zhuǎn)濾光輪將入射可見光近紅外輻射分成5個(gè)譜段?？梢姽饨t外通道與中波紅外通道既可同時(shí)成像也可分別成像，可見光近紅外通道5個(gè)譜段分時(shí)成像，中波紅外通道可晝夜獲取圖像。

3）可見光近紅外焦面組件采用基于全局電子快門曝光方式的CMOS面陣探測(cè)器，成像時(shí)所有像元同時(shí)曝光，不存在曝光不同時(shí)引起的景內(nèi)圖像畸變。

4）中波紅外焦面采用HgCdTe面陣探測(cè)器，由脈沖管制冷機(jī)制冷到80K，脈沖管制冷機(jī)在軌連續(xù)工作。為了提高可靠性，中波紅外通道面陣探測(cè)器及制冷機(jī)均增加了冷備份。

5）探測(cè)器的積分時(shí)間準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)，可根據(jù)需要靈活設(shè)置每個(gè)譜段的積分時(shí)間，提升 SNR；還可對(duì)同一場(chǎng)景中的亮、暗目標(biāo)采用不同的積分時(shí)間成像再進(jìn)行圖像融合，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍觀測(cè)；也可對(duì)目標(biāo)多次曝光成像再進(jìn)行累加，進(jìn)一步提高SNR。

6）通過相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性以及圖像輻射品質(zhì)與幾何品質(zhì)。衛(wèi)星的星敏感器和測(cè)控天線安裝在相機(jī)上，而遮光罩的支撐段直接與衛(wèi)星平臺(tái)相連，從而避免將熱量直接傳導(dǎo)到相機(jī)結(jié)構(gòu)上。

7）針對(duì)地球靜止軌道冷熱交變周期長（24h）、熱環(huán)境惡劣、午夜前后一段時(shí)間陽光進(jìn)入相機(jī)以及相機(jī)自身散熱、溫度穩(wěn)定性和消雜光要求，通過采取相機(jī)結(jié)構(gòu)與熱控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)、遮光罩高效導(dǎo)熱與散熱設(shè)計(jì)、南輻射板與北輻射板耦合散熱設(shè)計(jì)、間接輻射熱控和消雜光設(shè)計(jì)等措施，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)高精度控溫和雜光抑制的同時(shí)，降低了對(duì)衛(wèi)星資源的需求。

8）針對(duì)地球靜止軌道凝視成像的積分時(shí)間長、對(duì)微振動(dòng)敏感，結(jié)合仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取減振與隔振措施，抑制微振動(dòng)及其對(duì)成像的影響。

9）中波紅外通道采用常溫黑體和高溫黑體進(jìn)行星上定標(biāo)，定標(biāo)頻次可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，高溫黑體的溫度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

10）為了滿足功能和性能要求，相機(jī)需要多套機(jī)構(gòu)，如旋轉(zhuǎn)濾光輪機(jī)構(gòu)、星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)和脈沖管制冷機(jī)等，圍繞在軌工作8年的壽命和可靠性要求，從設(shè)計(jì)、過程控制和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面采取措施，提升機(jī)構(gòu)的壽命和可靠性。

4 結(jié)束語

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的成像方式、外熱流變化情況、成像時(shí)陽光照射情況等與低軌衛(wèi)星相機(jī)存在較大差異，給設(shè)計(jì)和研制工作帶來巨大挑戰(zhàn)。圍繞用戶需求和地球靜止軌道成像環(huán)境條件，“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)在設(shè)計(jì)上采取了一系列措施，如相機(jī)與衛(wèi)星平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)、微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性及消雜光設(shè)計(jì)、活動(dòng)機(jī)構(gòu)長壽命高可靠性設(shè)計(jì)、高速低噪聲信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)等。

References)

[1] AMINOU D M, LAMARRE D, STARK H, et al. Meteosat Third Generation (MTG) Status of Space Segment Definition[J]. Proc. of SPIE, 2009, 7474(1): 50-73.

[2] JUST D, ROVEDA F, STEENBERGEN T, et al. Meteosat Third Generation Imager: Simulation of the Flexible Combined Imager Instrument Chain[J]. Spie Remote Sensing, 2014, 9241(1): 92410E.

[3] 高衛(wèi)軍, 孫立, 王長杰, 等.“資源三號(hào)”高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星三線陣相機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(3): 25-34.

GAO Weijun, SUN Li, WANG Changjie, et al. Design and Verification of Three-line Array Camera for ZY-3 High Resolution Stereo Mapping Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(3): 25-34.(in Chinese)

[4] LAUBIER D, ALBOUYS V, BERTHON J, et al. Feasibility Demonstration of a High Performance Compact Telescope[J]. Acta Astronautica, 2000, 2(46): 279-286.

[5] 徐慶鶴, 范立佳, 高洪濤, 等. 遙感衛(wèi)星平臺(tái)與載荷一體化構(gòu)型[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(4): 9-16.

XU Qinghe, FAN Lijia, GAO Hongtao, et al. Integrated Configuration Design of Platform and Payload for Remote Sensing Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(4): 9-16.(in Chinese)

[6] 范斌, 蔡偉軍, 張孝弘, 等. “資源三號(hào)”衛(wèi)星多光譜相機(jī)技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(3): 75-84. FAN Bin, CAI Weijun, ZHANG Xiaohong, et al. Technology of the Multi-spectral Camera of ZY-3 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(3): 75-84.(in Chinese)

[7] “高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌測(cè)試技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R]. 北京: 民政部減災(zāi)中心等, 2016.

Report of In-orbit Test Technology of GF-4 Satellite[R]. Beijing: Disaster reduction center of the Ministry of Civil Affairs, etc. 2016.(in Chinese)

[8] 吳瑋, 秦其明, 楊思全, 等. 面向減災(zāi)應(yīng)用的光學(xué)成像靜止衛(wèi)星能力分析[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 28(6): 984-993.

WU Wei, QIN Qiming, YANG Siquan, et al. Capacity Analysis of Optical Geostationary Satellite for Disaster Reduction[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2013, 28(6): 984-993. (in Chinese)

[9] 楊思全, 劉龍飛, 王磊, 等. 環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星雪災(zāi)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2011, 20(6): 145-150.

YANG Siquan, LIU Longfei, WANG Lei, et a1. Application Study on Assessment of Snow Disaster Monitoring with Satellite for Environment Disaster Reduction[J]. Journal of Natural Disasters, 201l, 20(6): 145-150. (in Chinese)

[10] 覃先林, 張子輝, 李增元. 一種利用HJ-1B紅外相機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別林火的方法[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 25(5): 700-706.

QIN Xianlin, ZHANG Zihui, LI Zengyuan. An Automatic Forest Fires Identification Method Using HJ-1B IRS Data[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(5): 700-706. (in Chinese)

[11] 閆娜娜, 吳炳方, 李強(qiáng)子, 等. HJ-1A/B衛(wèi)星在干旱應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 25(5): 675-681.

YAN Nana, WU Bingfang, LI Qiangzi, et al. HJ-1A/B Satellite Application on Drought Emergency Monitoring[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(5): 675-681. (in Chinese)

[12] 東方星. 我國高分衛(wèi)星與應(yīng)用簡析[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2015(3): 44-48.

DONG Fangxing. Analysis on Chinese Gaofen Satellites and Applications[J]. Satellite Application. 2015(3): 44-48. (in Chinese)

[13] 張曉虎, 陸風(fēng), 竇芳麗, 等. 國外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀測(cè)模式發(fā)展分析[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2016, 6(1): 124-128.

ZHANG Xiaohu, LU Feng, DOU Fangli, et al. Analysis on Observation Model of Foreign Geoststionary Meteorological Satellite[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2016, 6(1): 124-128. (in Chinese)

[14] 王殿中. 高分辨率地球同步軌道衛(wèi)星凝視成像基本模式研究[J]. 國際太空, 2015(11): 52-54.

WANG Dianzhong. Basic Model of High-Resolution GSO Satellites Staring Imaging[J]. Space International, 2015(11): 52-54. (in Chinese)

[15] 劉韜. 靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星展示海洋監(jiān)視的重大潛力[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2014(12): 70-74.

LIU Tao. High Resolution Optical GEO Satellite Demonstrate Potentials in Ocean Monitoring[J]. Satellite Application, 2014(12): 70-74. (in Chinese)

[16] 趙英時(shí). 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 104.

ZHAO Yingshi. Principle and Methodology of Analysis on Remote Sensing Applications[M]. Beijing: Science Press, 2003: 104. (in Chinese)

[17] 韓啟金, 潘志強(qiáng), 王愛春. 民用遙感衛(wèi)星載荷在軌輻射定標(biāo)與定量應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2013, 34(2): 57-65.

HAN Qijin, PAN Zhiqiang, WANG Aichun. In-orbit Radiometric Calibration and Quantitative Application for Civil Remote Sensing Satellite Payloads[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(2): 57-65. (in Chinese)

Technical Characteristics of the Staring Camera on Board GF-4 Satellite

MA Wenpo LIAN Minlong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The multispectral staring camera on board GF-4 satellite has the characteristics of high temporal resolution, higher spatial resolution and wider coverage. It includes visible and near infrared (VNIR) channel and middle wave infrared (MWIR) channel. The VNIR channel has five spectral bands, while MWIR channel has one spectral band with day and night imaging capability. Its optical system adopts a catadioptric system. A dichroic beam-splitter is utilized to separate VNIR spectral bands from MWIR spectral band, and a filter wheel assembly is used to split the in-coming VNIR radiant flux into 5 spectral bands. The VNIR focal plane assembly uses CMOS area array detector with global shutter, while the MWIR focal plane assembly uses HgCdTe area array detector cooled to 80K by pulse tube cooler. On board calibration of MWIR spectral band is achieved with two blackbodies. Integrated design of the camera and the platform, mechanical and thermal stability design of optical system, micro-vibration suppression design, long-life and high reliability design of mechanisms are conducted based on user’s requirements and geostationary earth orbit environments.

staring camera; filter wheel; area array detector; integrated design; GF-4 satellite

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0026-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.004

馬文坡，男，1967年生，1992年畢業(yè)于中國空間技術(shù)研究院，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楹教旃鈱W(xué)遙感器總體設(shè)計(jì)。E-mail：mawenpo@sina.com。

（編輯：龐冰）

2016-06-05

國家重大科技專項(xiàng)工程