邱民樸 馬文坡

空間紅外推掃成像系統(tǒng)探測器光學拼接方法

邱民樸1,2馬文坡1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

高分辨率、大視場成像是空間光學遙感器發(fā)展的重要方向之一；針對紅外成像系統(tǒng)的特點，文章提出了一種基于像方遠心光路主光學系統(tǒng)與物方遠心光路中繼透鏡組相結合，在主光學系統(tǒng)像面處通過反射鏡分視場實現(xiàn)多探測器組件光學拼接的方法；在此基礎上對影響成像系統(tǒng)可實現(xiàn)性的關鍵問題進行了分析，并給出了解決途徑；最后針對大幅寬成像應用需求，給出了光學拼接實現(xiàn)推掃成像的實例。

紅外探測器 推掃成像 光學拼接 反射鏡調焦 空間遙感

0 引言

在國民經(jīng)濟建設和國防領域，高分辨率紅外遙感圖像發(fā)揮著非常重要的作用，其典型應用包括資源調查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災害評估等領域。星載或機載對地紅外成像系統(tǒng)在獲取地面目標圖像方面具有快速、高效以及信息量大等諸多優(yōu)點，成為各國關注的重點。

空間分辨率、輻射分辨率和成像幅寬是體現(xiàn)紅外成像系統(tǒng)性能的三個核心技術指標。隨著技術發(fā)展，采用長線陣紅外探測器實現(xiàn)推掃成像方式是提高輻射分辨率、降低遙感器體積和質量的重要技術途徑；應用于陸地資源探測、海洋和環(huán)境監(jiān)測等領域的多種紅外光學遙感器，在特定的空間分辨率下，為了實現(xiàn)大幅寬推掃成像，所需的線陣紅外探測器在數(shù)千個像元規(guī)模，而目前常見的紅外線陣器件模塊一般為1024像元，需要多片拼接來滿足成像幅寬需求。

對于可見光成像系統(tǒng)，國內(nèi)外已有多篇相關文獻描述了通過光學拼接實現(xiàn)長線陣推掃成像的方法和途徑[1-7]，但對于紅外成像系統(tǒng)而言，由于受探測器—杜瓦—制冷機一體式結構限定、光學系統(tǒng)后截距較短等約束條件，使得通過光學拼接方法擴大紅外探測器規(guī)模的難度大幅增加。

本文針對紅外光學系統(tǒng)以及探測器—杜瓦組件的特點，以規(guī)模為1024個像元的線陣紅外探測器組件為例，提出了一種像方遠心光路的主光學系統(tǒng)配合物方遠心中繼透鏡組實現(xiàn)多片線陣紅外探測器組件光學拼接的方案；成像系統(tǒng)像質優(yōu)良且冷屏效率可達100%；在無需對現(xiàn)有的探測器—杜瓦—制冷機組件進行任何改動的情況下，即可實現(xiàn)擴大成像系統(tǒng)幅寬的目的。

1 光學拼接技術簡介

1.1 可見光焦面光學拼接

光學拼接是利用光學方法，將成像光學系統(tǒng)的視場分割到不同的空間位置，用多塊焦面接收；再通過圖像處理的方法把多塊焦面獲取的圖像進行拼接，從而等效為連續(xù)、完整的長線陣成像，實現(xiàn)擴大成像系統(tǒng)幅寬的目的。

從實際應用角度來講，為了達到較好的成像品質、減少后期圖像處理難度，要求光學拼接實現(xiàn)長線陣探測器的方法具有視場無縫、無漸暈，幾何關系固定而且結構形式簡單、可靠等特點[8-14]。

圖1為法國PLEIADES衛(wèi)星HR相機采用的光學拼接方案示意[5]，首先利用折轉反射鏡把主焦面分為全色和多光譜兩部分，然后分別通過分割反射鏡把線視場分為5段，從而把5片6 000（多光譜1 500）像元線陣焦面拼接為30 000（多光譜7500）像元的長線陣焦面組件。

圖1 法國PLEIADES衛(wèi)星HR相機焦面光學拼接方案示意

1.2 紅外光學系統(tǒng)的特點

紅外成像系統(tǒng)，特別是紅外光學系統(tǒng)及紅外探測器組件與可見光成像系統(tǒng)的不同點主要體現(xiàn)在以下兩個方面[15-17]。

（1）冷屏與杜瓦限制

出于抑制背景雜散輻射以及探測器制冷等方面的需要，紅外探測器一般是以焦平面—杜瓦—制冷機組件（IDDC）的形式應用于紅外成像系統(tǒng)。

紅外焦平面、杜瓦、冷屏之間的幾何關系如圖2所示：焦平面封裝于杜瓦里面，且杜瓦的體積遠大于紅外焦面的尺寸；冷屏的開口以及到焦平面的距離決定了成像光束的最大錐角；冷屏與焦平面平行且與各自中心的連線垂直，決定了探測器組件的中心軸必須與光學系統(tǒng)光軸重合，即探測器組件的位置既不能平移也不能傾斜，否則將引起光學離焦和漸暈。

冷屏與杜瓦對光學系統(tǒng)出瞳的幾何約束是造成紅外探測器組件光學拼接困難的最直接因素。

圖2 探測器–杜瓦組件結構示意

（2）光學系統(tǒng)后截距影響

受衍射效應的影響，為了提高空間分辨率和輻射分辨率，紅外成像系統(tǒng)的數(shù)較小，一般在1~4之間，使得成像光束的錐角增大，光學系統(tǒng)后截距一般小于可見光系統(tǒng)。

而通常情況下，光學系統(tǒng)的數(shù)越大，后截距越長，越有利于探測器的拼接。

2 紅外探測器光學拼接原理

2.1 拼接原理

基于前文所介紹的紅外光學系統(tǒng)及探測器組件特點，本文提出了一種光學拼接實現(xiàn)長線陣紅外探測器推掃成像的方法：整個光學系統(tǒng)采用二次成像結構形式，由一個像方遠心的主光學系統(tǒng)和多個（本文以3個為例）完全相同的物方遠心中繼透鏡組組合而成；首先利用平面反射鏡把主光學系統(tǒng)的線視場分為3段，左右兩邊分別向上/向下反射，中間部分直接透過，然后分別直接進入相應的中繼透鏡組成像；在主光學系統(tǒng)與中繼透鏡組之間，光學系統(tǒng)各個視場的主光線都與光軸平行，因此對于3路中繼透鏡組而言，相應的入射光束具有旋轉對稱性；通過合理分配主光學系統(tǒng)與中繼透鏡組之間的參數(shù)，可以使組合系統(tǒng)焦距滿足要求，并且3個中繼成像透鏡組的出瞳與探測器組件冷屏完全匹配。

圖3為3個紅外探測器組件光學拼接實現(xiàn)長線陣的光學系統(tǒng)示意，其中圖3（a）為探測器光學拼接系統(tǒng)的俯視圖，圖3（b）為拼接系統(tǒng)的側視圖。

（a）俯視圖（a）Vertical view（b）側視圖（b）End view

2.2 二次成像光學系統(tǒng)的參數(shù)分配

圖4為一個典型的二次成像系統(tǒng)光路，由主光學系統(tǒng)和中繼光學系統(tǒng)兩部分組成；探測器組件的冷屏位于像面前一定距離，中繼光學系統(tǒng)的作用在于：把主光學系統(tǒng)所成的一次像成像到探測器組件的焦平面處，并把主光學系統(tǒng)的出瞳成像到探測器組件的冷屏處，最終通過二次成像使得光學系統(tǒng)的焦距滿足要求，并且實現(xiàn)出瞳與探測器組件的冷屏完全匹配。

圖4 二次成像系統(tǒng)組成

組合光學系統(tǒng)的后截距f表示為

主光學系統(tǒng)的出瞳與組合光學系統(tǒng)的出瞳′之間的關系可以表示為

實際上因為本文所提出的光學拼接方法的特殊要求，在具體設計過程只要主光學系統(tǒng)為像方遠心光路，組合光學系統(tǒng)的孔徑光闌設在中繼光學系統(tǒng)的像方焦點處，則式（3）自動成立。

3 探測器拼接光學系統(tǒng)調焦方法

對于空間光學遙感系統(tǒng)，發(fā)射時的振動、沖擊以及在軌工作時的氣壓、溫度等環(huán)境因素，均會引起相機焦面偏離理想的成像面，因此在軌運行期間一般需要進行焦面調整，以保證良好的成像品質。

鑒于非遠心光路在反射鏡移動過程中，不同視場的主光線與探測器冷屏的夾角會發(fā)生改變，不能實現(xiàn)調焦功能，故本文提出了像方遠心主光學系統(tǒng)配合物方遠心中繼透鏡組實現(xiàn)長線陣推掃成像的系統(tǒng)方案。由于遠心光路的主光線與光軸平行，可在拼接光路前面增加一塊平面反射鏡，通過調整反射鏡在光軸方向的位置，即可實現(xiàn)焦面位置的調整。

遠心光路反射鏡調焦的原理如圖5所示，平面反射鏡位于主光學系統(tǒng)與中繼光學系統(tǒng)之間的遠心光路中間，即各視場的主光線均與光軸平行，此時沿光軸方向調節(jié)反射鏡的位置，即可前后調整光學焦面的位置，而各視場的主光線與探測器組件的方向不變，所以能保證相應視場的光線進入探測器杜瓦。

圖5 反射鏡調焦方案示意

4 探測器光學拼接實例

根據(jù)前文光學拼接實現(xiàn)長線陣紅外探測器推掃成像的方法，結合2.2節(jié)光學系統(tǒng)參數(shù)分配方法以及可能的空間紅外成像系統(tǒng)應用需求，本節(jié)給出具體的實現(xiàn)結果。

4.1 光學系統(tǒng)設計結果

針對如表1所列的空間應用需求，采用離軸三反的主光學系統(tǒng)（孔徑光闌設置在次鏡上），形成像方遠心光路，與物方遠心的透射式中繼成像系統(tǒng)組合，實現(xiàn)紅外線陣器件的光學拼接。

表1 空間紅外成像系統(tǒng)主要參數(shù)

Tab.1 Requirements of space infrared imaging system

以3路探測器組件光學拼接為例，圖6給出了滿足表1指標要求的光學系統(tǒng)拼接光路，分別由一個像方遠心離軸三反主光學系統(tǒng)（視場角3.6°）、主光學焦面處的視場分割反射鏡組件以及3路物方遠心光路中繼透鏡組（視場角1.2°）組成；視場分割反射鏡把通過3路中繼透鏡組的光線分別反射到不同方向。

圖6 紅外探測器光學拼接系統(tǒng)光路

圖7為探測器拼接光學系統(tǒng)的MTF曲線，從圖中可以看出，設計的MTF值達到了光學衍射極限，而且各視場的像質一致性較好。

圖7 紅外探測器光學拼接系統(tǒng)光學MTF曲線

圖8為通過光學拼接實現(xiàn)長線陣紅外推掃成像的光學系統(tǒng)調焦光路，從圖中可以看出，通過采用上述光學拼接方法，3個中繼透鏡組之間有較大的空間、互不干涉，可以較好的實現(xiàn)3個拼接光路以及調焦反射鏡之間空間布局。

圖8 紅外探測器光學拼接成像系統(tǒng)反射鏡調焦光路

綜上所述，采用像方遠心光路的離軸三反主光學系統(tǒng)與物方遠心的中繼透鏡組配合，通過在主光學焦面處合理分割主成像視場，可以實現(xiàn)多個紅外探測器組件拼接，能夠較好的滿足長線陣推掃成像的應用需求。

參加光學拼接的3路中繼透鏡組的參數(shù)完全一致，所以簡化了系統(tǒng)的設計難度；而且由于中繼透鏡組的直徑較小，使得拼接系統(tǒng)的布局較為緊湊，可實現(xiàn)性高。

4.2 公差分析

對于光學拼接實現(xiàn)長線陣的光學系統(tǒng)方案，中繼透鏡組本身的公差及多路中繼透鏡組之間的一致性是影響工程可行性的關鍵因素。

以中繼透鏡組1為例，表2給出了平移、傾斜等誤差對光學系統(tǒng)焦距、離焦量以及光學系統(tǒng)MTF的影響分析結果。

通過分析可以看出，中繼透鏡組整體沿著、、軸向的平移、繞、軸的傾斜等誤差對光學系統(tǒng)成像性能（MTF）以及3個拼接光路之間的不一致性（焦距）影響很小，通過焦面位置調整基本可以補償，說明這種光學拼接實現(xiàn)長線陣紅外探測器推掃成像的方法合理可行。

表2 紅外探測器光學拼接方案中繼透鏡組公差分析

Tab.2 Tolerance of relay lens for optical butting system

5 結束語

通過分析紅外成像光學系統(tǒng)以及探測器組件的特點，基于目前可獲得的紅外線陣探測器規(guī)模，本文針對性的提出一種光學方法實現(xiàn)長線陣紅外探測器組件的拼接，可實現(xiàn)較大視場的推掃成像。

經(jīng)公差分析，紅外線陣探測器組件光學拼接技術對中繼透鏡組的位置誤差不敏感；無需對現(xiàn)有的紅外探測器組件進行任何修改便可實現(xiàn)，本方法既能滿足多種應用對長線陣紅外探測器組件的迫切需求，也能用于擴展成像系統(tǒng)的視場和紅外探測器組件的備份（不需要切換機構等活動部件），或者通過兩個探測器組件并排錯開0.5個像元間隔放置實現(xiàn)穿軌方向的過采樣成像等多種應用。

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Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems

QIU Minpu1,2MA Wenpo1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

High resolution and large FOV represent the developing trends of space optical imaging systems, Considering the characters of infrared optical systems, a new optical butting concept with low cost and technical risk is presented in this paper, which offers the promise of butting smaller arrays into long linear detector assemblies. The design method of optical butting is described, and a hypothetical system is demonstrated as well.

infrared detector; pushbroom imaging systems; optical butting; refocusing; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2019)06-0051-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.007

邱民樸，男，1979年生，2012年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業(yè)博士學位，研究員。研究方向為空間光學遙感成像技術。E-mail：qiumpu@163.com。

2019-05-08

國家重大科技專項工程

邱民樸, 馬文坡. 空間紅外推掃成像系統(tǒng)探測器光學拼接方法[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(6): 51-58.

QIU Minpu, MA Wenpo. Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 51-58. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）