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        國(guó)外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展探析

        2017-11-22 06:20:18陳建光中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院
        國(guó)際太空 2017年10期
        關(guān)鍵詞:天基分塊高分辨率

        陳建光 (中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院)

        國(guó)外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展探析

        Analysis on the Emerging Technology of Foreign Satellite Optical Remote Sensor

        陳建光 (中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院)

        衛(wèi)星遙感利用衛(wèi)星平臺(tái)搭載光學(xué)、雷達(dá)、紅外等遙感器,獲取地球陸地、海洋和大氣的特征信息,形成圖像以及反映物質(zhì)成分的光譜信息等遙感產(chǎn)品。國(guó)外正在大力發(fā)展天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開(kāi)光學(xué)成像、天基光學(xué)合成孔徑成像、天基超光譜成像等新型衛(wèi)星遙感技術(shù),實(shí)現(xiàn)在空間、時(shí)間、光譜等不同維度的高分辨率光學(xué)探測(cè)。

        1 國(guó)外衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

        高軌高分辨率光學(xué)成像是未來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)目標(biāo)偵察與監(jiān)視的重要途徑。目前的成像衛(wèi)星盡管已實(shí)現(xiàn)0.5m空間分辨率,但主要部署在700km以下的低地球軌道,僅能在飛經(jīng)目標(biāo)上空時(shí)才能進(jìn)行十幾分鐘“過(guò)頂”觀測(cè),再次重訪需要1天以上。天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開(kāi)光學(xué)成像、天基光學(xué)合成孔徑成像等技術(shù)可有效解決研制和部署大口徑光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,在距離地球表面約36000km的地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)高分辨率“凝視”成像,滿足對(duì)目標(biāo)連續(xù)監(jiān)視以及緊急事態(tài)響應(yīng)的需求。

        高光譜分辨率成像是辨析未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的重要手段。天基超光譜成像技術(shù)可在成百上千個(gè)近似連續(xù)的光譜譜段上成像,分析出被喻為物質(zhì)“指紋”的光譜特征,辨別目標(biāo)物質(zhì)成分,進(jìn)而識(shí)別偽裝。

        2 典型衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù)

        天基薄膜衍射成像技術(shù)開(kāi)辟高軌高分辨率成像衛(wèi)星的新途徑空間分塊可展開(kāi)光學(xué)成像技術(shù)推動(dòng)大口徑光學(xué)系統(tǒng)的空間應(yīng)用

        薄膜衍射成像技術(shù)采用衍射成像原理,利用輕質(zhì)可折疊薄膜替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)鏡片,解決高軌道(如地球靜止軌道)光學(xué)成像衛(wèi)星光學(xué)口徑的瓶頸問(wèn)題。

        美國(guó)“莫爾紋”項(xiàng)目地面樣機(jī)

        菲涅爾波帶片(左)和光子篩(右)

        天基大口徑衍射成像系統(tǒng)的概念最早是美國(guó)在1996年提出的,并在2003年成功研制和測(cè)試了一個(gè)5m口徑的原理樣機(jī),驗(yàn)證了天基衍射成像技術(shù)的可行性。2010年后,美國(guó)開(kāi)展了基于不同衍射薄膜的“莫爾紋”(MOIRE)、獵鷹衛(wèi)星-7(FalconSat-7)等項(xiàng)目,探索利用天基薄膜衍射成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)高軌高分辨率成像的技術(shù)途徑,并且取得重大突破,其他國(guó)家尚未實(shí)施類(lèi)似項(xiàng)目?!澳獱柤y”項(xiàng)目采用一組透明和不透明同心圓環(huán)間隔組成的光柵薄膜(即菲涅爾波帶片),已在2014年完成5m口徑地面樣機(jī)的衍射成像試驗(yàn),技術(shù)成熟度達(dá)到4級(jí);獵鷹衛(wèi)星-7項(xiàng)目采用表面布滿微孔環(huán)帶陣列的光子篩薄膜,具有較高的光束聚焦性能,技術(shù)成熟度達(dá)到7級(jí)。美國(guó)計(jì)劃在2018年發(fā)射1顆立方體衛(wèi)星,開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)。

        天基薄膜衍射成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要突破兩大關(guān)鍵技術(shù),包括高控制精度衛(wèi)星平臺(tái)和輕質(zhì)衍射薄膜技術(shù)。首先,由于衍射成像系統(tǒng)的焦距較長(zhǎng),高控制精度衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)滿足所需長(zhǎng)支撐結(jié)構(gòu)或者雙星編隊(duì)飛行的需求。例如,部署在地球靜止軌道的20m口徑偵察衛(wèi)星,其支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度需要達(dá)到50m。其次,輕質(zhì)衍射薄膜可大幅降低光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量和加工要求。在相同分辨率下,薄膜衍射成像系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)H為反射光學(xué)系統(tǒng)的1/7,且對(duì)鏡面加工精度的要求降至反射系統(tǒng)的1/2,易于批量生產(chǎn)。

        天基薄膜衍射成像技術(shù)未來(lái)可應(yīng)用在高軌或者低軌成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。一是應(yīng)用于地球靜止軌道高分辨率成像偵察衛(wèi)星,美國(guó)計(jì)劃研制一顆20m口徑的偵察衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)10km×10km、分辨率1m、成像速率1幀/秒的地球靜止軌道連續(xù)成像;二是構(gòu)建低軌小衛(wèi)星星座,利用輕質(zhì)、小型的薄膜衍射成像系統(tǒng)獲取高分辨率圖像,“按需”向前線作戰(zhàn)人員提供可靠的持續(xù)監(jiān)視圖像。

        天基薄膜衍射成像技術(shù)代表了高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的一個(gè)重要發(fā)展方向。無(wú)論是高軌衛(wèi)星還是低軌衛(wèi)星星座,都將使美軍實(shí)現(xiàn)有效的全球偵察,以及對(duì)目標(biāo)的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視。這種實(shí)時(shí)、近實(shí)時(shí)的高分辨率成像偵察能力將撥開(kāi)“戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧”,推動(dòng)游戲規(guī)則的變革。

        空間分塊可展開(kāi)光學(xué)成像技術(shù)采用“分塊”概念,將大口徑(如3m以上)光學(xué)系統(tǒng)的主鏡分成多個(gè)尺寸較小的輕量化子鏡,經(jīng)折疊后可適應(yīng)運(yùn)載火箭對(duì)載荷尺寸的要求,入軌后展開(kāi)并鎖定,按設(shè)計(jì)的排列方式拼接形成一個(gè)主鏡。

        分塊拼接鏡片的設(shè)計(jì)方案最早在1977年提出,用于建造地基天文望遠(yuǎn)鏡,并在1993年首次應(yīng)用于10m口徑的“凱克”(Keck)望遠(yuǎn)鏡。其主鏡由36塊子鏡拼接而成。美國(guó)在1996年提出利用該技術(shù)研制“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”(JWST),同期也曾研制“分塊反射鏡望遠(yuǎn)鏡”偵察衛(wèi)星,但在2005年完成樣機(jī)研制后終止??臻g分塊可展開(kāi)光學(xué)成像技術(shù)主要由美國(guó)開(kāi)展研究,已處于工程研制階段,“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的首次空間應(yīng)用。該望遠(yuǎn)鏡主鏡由18個(gè)六邊形子鏡拼接成一個(gè)口徑6.5m的鏡片,約為美國(guó)現(xiàn)役“鎖眼”(Keyhole,KH)偵察衛(wèi)星主鏡口徑的2倍;發(fā)射時(shí),兩側(cè)的分塊子鏡可向后折疊,使整星包絡(luò)直徑小于4.5m,以滿足運(yùn)載火箭的整流罩尺寸要求。“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”盡管設(shè)計(jì)用于天文觀測(cè),也為未來(lái)的對(duì)地成像偵察奠定了技術(shù)基礎(chǔ),如果部署在地球靜止軌道,可實(shí)現(xiàn)1.75m分辨率,且具備對(duì)目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力。受限于現(xiàn)有運(yùn)載火箭能力,大口徑的空間分塊可展開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)必須采用超輕質(zhì)分塊子鏡,以折疊狀態(tài)發(fā)射并在入軌后展開(kāi),涉及輕量化鏡片材料、鏡片面形精度、子鏡拼接、精密展開(kāi)、自適應(yīng)光學(xué)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。輕量化鏡片技術(shù)是其中的關(guān)鍵。美國(guó)歷經(jīng)11年才實(shí)現(xiàn)“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”主鏡的工程研制,其輕量化鈹鏡的面密度僅為10.3kg/m2,是“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”(HST)的1/16,大幅降低了衛(wèi)星質(zhì)量。

        “凱克”地基望遠(yuǎn)鏡

        空間分塊可展開(kāi)光學(xué)成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)系統(tǒng)空間應(yīng)用的重要途徑。該項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用具備在地球靜止軌道實(shí)現(xiàn)1米量級(jí)高分辨率成像偵察的能力,并且可借助對(duì)地相對(duì)靜止的優(yōu)勢(shì),使對(duì)目標(biāo)的持續(xù)偵察監(jiān)視成為可能。這種能力將能夠顯著增強(qiáng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力,提供實(shí)時(shí)的戰(zhàn)前戰(zhàn)后偵察和評(píng)估,有效支持戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)計(jì)劃的制定和執(zhí)行。

        天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)處于方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段

        天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)利用精確排列的多個(gè)小口徑光學(xué)元件或者光學(xué)系統(tǒng),使通過(guò)各子孔徑的光束在成像傳感器上實(shí)現(xiàn)干涉成像,達(dá)到大口徑光學(xué)系統(tǒng)的分辨率,且可有效避免大口徑光學(xué)系統(tǒng)的加工難度。

        “詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”

        “詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”主鏡的在軌展開(kāi)過(guò)程

        由3個(gè)或6個(gè)子孔徑組成的光學(xué)合成孔徑成像方案

        光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)可分為斐索干涉成像和邁克爾遜干涉成像兩種類(lèi)型,在20世紀(jì)80~90年代均已應(yīng)用于地基天文觀測(cè),天基應(yīng)用仍處于方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段,美國(guó)處于全球領(lǐng)先水平,歐洲也在積極探索相關(guān)技術(shù)。

        斐索干涉成像將不同子孔徑的光束匯聚后可直接形成目標(biāo)的模糊像,經(jīng)圖像恢復(fù)運(yùn)算得到清晰圖像,因此成為早期天基應(yīng)用研究的重點(diǎn)。美歐從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始陸續(xù)提出多望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)、共次鏡結(jié)構(gòu)等方案,但均未能進(jìn)入工程研制階段,如歐洲“地球靜止軌道1米分辨率”方案等。邁克爾遜干涉成像通過(guò)測(cè)量不同子孔徑光束形成的干涉信息,如振幅和相位等,經(jīng)逆傅里葉變換得到目標(biāo)圖像。由于需要測(cè)量大量的干涉信息,邁克爾遜干涉成像雖然可通過(guò)長(zhǎng)基線獲得極高分辨率,但成像周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí),多用于對(duì)靜止目標(biāo)成像,如天文觀測(cè)。近年來(lái),美國(guó)正在研發(fā)利用大規(guī)模微型干涉儀陣列的干涉成像系統(tǒng),即“蜘蛛”(SPIDER,即“分塊式平面光電成像”探測(cè)器)系統(tǒng),通過(guò)增加干涉測(cè)量基線數(shù)量,將成像周期大幅降低到數(shù)百毫秒。

        基于大規(guī)模微型望遠(yuǎn)鏡陣列的“蜘蛛”成像儀

        光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)的天基應(yīng)用不僅要具備相位同步、圖像恢復(fù)與增強(qiáng)、高穩(wěn)定姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù),還必須采用輕質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)。其中,斐索干涉成像可利用多個(gè)小鏡片取代單個(gè)鏡片,降低了研制難度和系統(tǒng)質(zhì)量;在邁克爾遜干涉成像方面,“蜘蛛”系統(tǒng)的核心器件光子集成電路采用微機(jī)電加工工藝制造,整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1%,且相同口徑情況下成像水平可提高10倍以上。該系統(tǒng)有望在未來(lái)5~10年達(dá)到實(shí)用化程度,可應(yīng)用于小型衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)平臺(tái)等。

        天基光學(xué)合成孔徑成像技術(shù)是高分辨率衛(wèi)星光學(xué)遙感器的新發(fā)展途徑,盡管目前處于方案設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證階段,但應(yīng)用于大口徑光學(xué)系統(tǒng)的潛力巨大。該技術(shù)既可用于高軌大口徑偵察衛(wèi)星,也可用于目前正在創(chuàng)造“軌道革命”的微小衛(wèi)星,形成高分辨率低軌衛(wèi)星星座,從而為未來(lái)軍事行動(dòng)提供廣泛的偵察與監(jiān)視、目標(biāo)變化監(jiān)測(cè)等戰(zhàn)術(shù)支持。

        天基超光譜成像技術(shù)正在從技術(shù)試驗(yàn)轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)應(yīng)用

        天基超光譜成像技術(shù)是一種在數(shù)百到數(shù)千個(gè)“連續(xù)”的光譜譜段獲取目標(biāo)區(qū)域圖像的衛(wèi)星遙感技術(shù)。由于在接近連續(xù)譜段成像,超光譜成像可獲取目標(biāo)的光譜“指紋”,從而用于辨別目標(biāo)物質(zhì)成分或者識(shí)別偽裝,可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

        國(guó)外在20世紀(jì)末開(kāi)始探索超光譜成像技術(shù)的天基應(yīng)用,美國(guó)、歐洲、日本已陸續(xù)實(shí)施多個(gè)在軌試驗(yàn)項(xiàng)目。與多光譜成像衛(wèi)星通常僅采用幾個(gè)目標(biāo)特征譜段成像不同,超光譜成像衛(wèi)星的成像譜段可達(dá)到數(shù)百到數(shù)千個(gè)?,F(xiàn)有在軌試驗(yàn)衛(wèi)星的成像譜段超過(guò)400個(gè),主要覆蓋可見(jiàn)光/近紅外譜段,光譜分辨率已達(dá)到1~5nm(多光譜成像衛(wèi)星的光譜分辨率通常大于100nm)。其中,美國(guó)的戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3(TacSat-3)已驗(yàn)證了天基超光譜成像技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)支持能力,響應(yīng)時(shí)間為10~30min。目前,天基多光譜成像與超光譜成像比較技術(shù)正在從技術(shù)試驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用,美國(guó)、歐洲已開(kāi)始規(guī)劃和構(gòu)建利用超光譜成像技術(shù)的商用、民用遙感衛(wèi)星系統(tǒng)。美國(guó)率先提出在2018年構(gòu)建全球首個(gè)商用超光譜成像衛(wèi)星系統(tǒng),可通過(guò)商業(yè)采購(gòu)或其他形式滿足目標(biāo)偵察、偽裝識(shí)別等軍事應(yīng)用的需求。

        多光譜成像與超光譜成像比較

        為實(shí)現(xiàn)數(shù)百上千的成像譜段,天基超光譜成像技術(shù)必須解決光譜分離問(wèn)題。目前較先進(jìn)的分光技術(shù)是利用外加射頻使各向異性的晶體形成光柵,通過(guò)調(diào)節(jié)射頻選擇成像譜段。例如,在計(jì)算機(jī)控制下液晶可調(diào)濾波片具備400個(gè)成像譜段,且光譜分辨率達(dá)到5nm。

        天基超光譜成像技術(shù)的連續(xù)光譜成像能力可獲取目標(biāo)的精細(xì)光譜特征,在軍事上可廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)環(huán)境探測(cè)、軍事裝備的偵察和偽裝識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)上的武器(如核武器或生化武器)利用情況分析,以及確定海灘特征和水下危險(xiǎn)物等,支持海軍近海作戰(zhàn)。結(jié)合高軌高分辨率偵察衛(wèi)星、低軌偵察衛(wèi)星星座,天基超光譜成像技術(shù)可大幅擴(kuò)展基于衛(wèi)星的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力,形成在空間、時(shí)間、光譜等不同維度的全面感知。

        3 總結(jié)

        國(guó)外衛(wèi)星光學(xué)遙感器技術(shù)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的支持能力,不僅要求能夠提供高分辨率衛(wèi)星圖像,并已著手改進(jìn)重訪時(shí)間和加強(qiáng)對(duì)圖像的特征分析。通過(guò)發(fā)展上述衛(wèi)星光學(xué)遙感器前沿技術(shù),美國(guó)、歐洲等期望實(shí)現(xiàn)在全球范圍的多維度、綜合探測(cè)能力,加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的定位和持續(xù)監(jiān)視,強(qiáng)化對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的“單向透明”能力,確保掌控戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程。

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