李慶林 徐先鋒 魏志勇 袁安波 張占東 安萌 于生全

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)(3 重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060)(4 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著遙感器技術(shù)的進(jìn)步，空間遙感器相機(jī)向著多譜段、大幅寬、實(shí)時傳輸?shù)确较虿粩喟l(fā)展。獲取多個譜段的景物信息對資源普查、礦物勘測、農(nóng)作物監(jiān)測等具有極高的應(yīng)用前景。然而受現(xiàn)有成像探測器研制工藝限制，目前較為成熟的成像探測器一般不多于5個譜段，例如資源三號多光譜相機(jī)具有4個多光譜譜段[1]，資源一號01星CCD相機(jī)具有1個全色和4個多光譜譜段。要想獲取更多的譜段圖像需要增加遙感相機(jī)的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，由此引起衛(wèi)星尺寸和質(zhì)量成倍增加。為了降低衛(wèi)星尺寸和質(zhì)量，資源一號02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)主載荷——可見近紅外相機(jī)通過光路分光設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)擁有1個全色和8個多光譜譜段，提升了遙感相機(jī)譜段的數(shù)量，滿足了目前對多譜段的迫切應(yīng)用需求。

可見近紅外相機(jī)在研制過程中從四色探測器國產(chǎn)化研制入手，解決了雙通道間像元配準(zhǔn)難題、焦面設(shè)計(jì)面對調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)置、集成電路及主動控溫等多學(xué)科交叉難題，實(shí)現(xiàn)在軌相機(jī)大幅寬、譜段數(shù)量多，極大提高了國土資源普查效率。本文闡述了可見近紅外相機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與相機(jī)采用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，地面環(huán)境試驗(yàn)與性能測試結(jié)果，以及在軌測試情況。

1 相機(jī)組成及工作原理

可見近紅外相機(jī)由光機(jī)主體、視頻信號處理器、管理控制器和二次電源組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示?？梢娊t外相機(jī)模裝圖如圖2所示。

當(dāng)衛(wèi)星飛行時，可見近紅外相機(jī)采用推掃成像方式，將來自地面的信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞到到兩個通道的焦面探測器上，探測器將入射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)視頻信號處理器進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后送給數(shù)傳分系統(tǒng)和地面圖像采集處理系統(tǒng)。

可見近紅外相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 可見近紅外相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Key technical parameters of visible and near-infrared camera

續(xù) 表

2 相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 雙通道多譜段高集成焦平面技術(shù)

焦平面是相機(jī)光機(jī)主體的重要組成部分，焦面的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，對相機(jī)總體質(zhì)量和可靠性起著至關(guān)重要的作用?？梢娊t外相機(jī)譜段數(shù)多達(dá)9個，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)通道分光、多譜段成像、探測器拼接、電路板安裝、探測器散熱等功能，是焦平面設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。經(jīng)過多種方案的分析對比，綜合考慮多譜段需求和光學(xué)設(shè)計(jì)難度，最終采用雙通道焦面成像形式。相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)在焦面處通過分光鏡分光，形成兩個成像通道，兩個通道分別采用五色和四色探測器成像[2]。雙通道多譜段高集成焦平面技術(shù)能夠獲取更多的地面景物元素，通過一臺相機(jī)獲取以往兩臺相機(jī)才能獲取的景物信息，提高了單臺相機(jī)的利用率，節(jié)省了載荷成本。

由于采用雙通道組合焦面形式，焦面部分的熱控及電路組件需要高度集成。首先探測器背面采用小型組合槽道熱管耦合熱量并外接散熱面進(jìn)行散熱，因?yàn)楣牟町?，兩個焦面通道獨(dú)立控溫散熱。焦面電路組件與探測器直接插接，通過隔熱結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)其在焦面拼接結(jié)構(gòu)上的隔熱安裝。焦面熱源除了探測器還有焦面電路部分，焦面電路采取大型槽道熱管耦合熱量并外接散熱面的形式進(jìn)行散熱?？梢娊t外相機(jī)焦面拼接線陣總長達(dá)330 mm，焦面主框架及雙通道拼接基框均采用鈦合金，同時焦面主框架、拼接基框、探測器槽道熱管、焦面電路結(jié)構(gòu)件上均設(shè)有主動控溫回路，保證了相機(jī)在軌成像期間內(nèi)的圖像穩(wěn)定性?？梢娊t外相機(jī)高集成度焦平面如圖3所示。

圖3 高集成雙通道焦面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Mechanical model of dual channel focal plane assembly

2.2 自主研發(fā)國產(chǎn)多光譜探測器研制

可見近紅外相機(jī)中四色焦面通道探測器采用了自主研發(fā)的國產(chǎn)多光譜四色TDICCD器件。四色探測器研制過程中攻克了探測器流片工藝空間適應(yīng)性和可靠性、探測器性能指標(biāo)及接口的符合性、探測器多光譜濾光片的設(shè)計(jì)加工及考核驗(yàn)證[3-4]、探測器的封裝對準(zhǔn)以及探測器的拼接配準(zhǔn)等難關(guān)。

四色TDICCD探測器如圖4所示，通過各項(xiàng)測試四色探測器多項(xiàng)性能優(yōu)于同類進(jìn)口器件。四色探測器采用電荷連續(xù)轉(zhuǎn)移模式對成像系統(tǒng)進(jìn)行像移補(bǔ)償，有效提高系統(tǒng)動態(tài)傳函。自主研發(fā)探測器的“定制性”不僅節(jié)約成本，還可顯著提升遙感相機(jī)的成像質(zhì)量。

圖4 四色TDICCD實(shí)物圖Fig.4 Picture of four-multispectral TDICCD sensor

2.3 通道焦面高精度配準(zhǔn)技術(shù)

多通道成像可有效地利用光學(xué)系統(tǒng)的線視場范圍，降低光學(xué)設(shè)計(jì)難度，但同時帶來了通道間的配準(zhǔn)問題。為獲得高品質(zhì)的多譜帶融合圖像，不同通道探測器間各譜帶像元位置要求在光學(xué)空間上一一對準(zhǔn)，以保證通道間圖像的融合精度。經(jīng)分光鏡分光后的不同通道探測器分屬不同結(jié)構(gòu)組件，在不同結(jié)構(gòu)組件間實(shí)現(xiàn)探測器亞像元級的配準(zhǔn)精度非常困難。針對通道間配準(zhǔn)精度測試，研制了一款用于該相機(jī)的九譜段焦面配準(zhǔn)測試儀，配準(zhǔn)測試工作原理如圖5所示。使用平行光管對狹縫成無限遠(yuǎn)像，狹縫模擬目標(biāo)同時照明雙通道上的九個譜段，分別在四色五色探測器上成放大的狹縫像，通過灰度重心法提取狹縫像質(zhì)心位置，依據(jù)質(zhì)心位置調(diào)整焦面通道位置，實(shí)現(xiàn)通道間的高精度配準(zhǔn)。該方法能夠?qū)蓚€通道的譜段同時照明成像，在同視場下調(diào)整配準(zhǔn)，不受環(huán)境及測試轉(zhuǎn)臺等外界因素的干擾，測試穩(wěn)定性高。另外，不同于傳統(tǒng)的人眼識別判讀像元位置，為定性判讀，精度低，該測試儀基于數(shù)字圖像處理的質(zhì)心提取方法，屬定量判讀，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可見近紅外相機(jī)雙通道間的配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.3像元。

圖5 圖像配準(zhǔn)測試工作原理圖Fig.5 Principle diagram of image registration test

2.4 相機(jī)主體高剛度、高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可見近紅外相機(jī)采用三反離軸光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，相機(jī)主體結(jié)構(gòu)選用整體框架結(jié)構(gòu)形式[5-6]，材料選用鑄造鈦合金。通過有限元仿真分析[7]，相機(jī)主體結(jié)構(gòu)一階模態(tài)頻率達(dá)119.7 Hz，相機(jī)主體結(jié)構(gòu)模態(tài)如圖6所示。

為減少衛(wèi)星發(fā)射段傳遞給相機(jī)的振動載荷，相機(jī)采用阻尼隔振技術(shù)[8-9]，該方法是一種結(jié)構(gòu)簡單且又高效的隔振方法，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過隔振大大降低了相機(jī)在衛(wèi)星發(fā)射段的振動響應(yīng)，確保了相機(jī)在衛(wèi)星發(fā)射過程中的安全，保證在軌圖像質(zhì)量。

相機(jī)設(shè)計(jì)時采用與星敏感器一體化設(shè)計(jì)，提高了相機(jī)圖像的定位精度，同時相機(jī)采用精密控溫設(shè)計(jì)，確保了相機(jī)在軌過程中反射鏡具有秒級穩(wěn)定性，相機(jī)視軸與星敏感器間的角度變化小于10 s的精度。

圖6 相機(jī)主體模態(tài)圖Fig.6 First order modal simulation results of camera

圖7 阻尼隔振構(gòu)型圖Fig.7 Structure of vibration isolator

2.5 高精度相機(jī)熱控設(shè)計(jì)技術(shù)

資源一號02D衛(wèi)星運(yùn)行于太陽同步軌道，可見近紅外相機(jī)安裝在衛(wèi)星艙板外部，暴露于冷黑空間，相機(jī)表面各部分所受的輻射能量不均勻，造成其表面溫度分布不均勻和波動。由于離軸式空間相機(jī)結(jié)構(gòu)、力熱載荷非對稱的特點(diǎn)，即使整體溫度水平均勻變化，光機(jī)結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生非對稱的幾何尺寸變化，由熱引起的光學(xué)和機(jī)械誤差將導(dǎo)致相機(jī)的視軸漂移和波前畸變，嚴(yán)重時將影響成像質(zhì)量甚至無法成像。為保證相機(jī)成像質(zhì)量，需對相機(jī)主要部組件進(jìn)行高精度溫度控制[10]。

1)主要熱控措施

(1)間接輻射控溫

相機(jī)外熱流波動大的部位采用局部加裝復(fù)材保護(hù)板，如圖8所示。結(jié)合多層隔熱組件包覆及隔熱墊片設(shè)計(jì)，極大增加傳熱熱阻，減小相機(jī)結(jié)構(gòu)溫度波動。

圖8 保護(hù)板安裝示意圖Fig.8 Assembling of protection plate

(2)單回路非均勻加熱

改變單個主動控溫加熱回路熱流密度一致的常用設(shè)計(jì)，采用同一加熱回路不同電加熱器設(shè)計(jì)不同熱流密度，實(shí)現(xiàn)相機(jī)結(jié)構(gòu)非均勻加熱。結(jié)合多層隔熱組件包覆及隔熱墊片設(shè)計(jì)，在不增加相機(jī)分系統(tǒng)熱控回路資源的情況下，減小因CCD器件間歇工作帶來的焦面拼接基座溫度波動。

2)被動熱控措施

(1)相機(jī)外表面均包覆多層隔熱組件以減小軌道外熱流、空間冷黑背景、衛(wèi)星艙板及其它載荷等溫度波動對相機(jī)的熱輻射影響；

(2)采用分層隔熱墊片極大降低相機(jī)安裝位置衛(wèi)星艙板溫度波動對相機(jī)的熱傳導(dǎo)影響；

(3)通過結(jié)構(gòu)-熱控一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)與其它部組件的強(qiáng)化隔熱；

(4)采用熱管將相機(jī)電子設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱面進(jìn)行排散，以降低發(fā)熱部組件的溫度水平，減小CCD器件的暗電流，并確保各電子元器件在許可溫度范圍。

2.6 多線陣全色/多光譜TDICCD低噪聲視頻電路集成技術(shù)

由于采用雙通道九譜段成像，相機(jī)焦面電路規(guī)模龐大，從探測器輸出的模擬信號達(dá)一百多路。為了減少模擬信號的長線傳輸，電路設(shè)計(jì)上將信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分前移，形成前置的焦面電路[11]。處理完的數(shù)字信號再經(jīng)線纜傳輸至視頻處理器，這種電路設(shè)計(jì)方式大大減小了成像電路的規(guī)模，極大降低了系統(tǒng)的功耗，節(jié)省了整星資源。同時由于電路數(shù)據(jù)采用高速串行接口傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與在軌測試

3.1 環(huán)境試驗(yàn)與測試

為滿足衛(wèi)星在軌使用要求，可見近紅外相機(jī)在研制過程中進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證、功能性能測試以及外景成像試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明可見近紅外相機(jī)設(shè)計(jì)合理可靠，性能滿足指標(biāo)要求。

3.1.1 振動試驗(yàn)

為驗(yàn)證可見近紅外相機(jī)的剛度及穩(wěn)定性，在相機(jī)完成總裝后，依次進(jìn)行了準(zhǔn)鑒定級正弦振動試驗(yàn)與隨機(jī)振動試驗(yàn)，振動試驗(yàn)前后，對相機(jī)傳函、外方位元素及通道間配準(zhǔn)精度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明相機(jī)性能穩(wěn)定，驗(yàn)證了相機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1.2 真空熱試驗(yàn)

可見近紅外相機(jī)在真空罐內(nèi)進(jìn)行了模擬真空熱試驗(yàn)，真空熱試驗(yàn)各工況及試驗(yàn)前后的測試結(jié)果表明，相機(jī)熱控達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，在模擬熱真空環(huán)境中相機(jī)性能能夠滿足要求，試驗(yàn)前后對相機(jī)傳函、外方位元素及通道間精度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明相機(jī)具有良好的熱穩(wěn)定性。

3.1.3 外景成像試驗(yàn)

可見近紅外相機(jī)完成研制后，進(jìn)行了外景成像試驗(yàn)，圖9是可見近紅外相機(jī)單譜段圖像，從圖像中可以看出相機(jī)圖像清晰，圖像信息層次分明，表明相機(jī)成像質(zhì)量良好。

3.2 在軌應(yīng)用評價(jià)

2019年9月13日，資源一號02D衛(wèi)星首次在軌成像測試，獲得首批影像數(shù)據(jù)，圖10為可見近紅外相機(jī)在軌影像圖。經(jīng)過在軌測試與評價(jià)，可見近紅外相機(jī)影像清晰，層次分明，相機(jī)性能指標(biāo)滿足用戶要求。相機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)測試符合性見表2。

圖10 可見近紅外相機(jī)在軌影像圖Fig.10 Photographs taken by camera in-orbit

表2 可見近紅外相機(jī)指標(biāo)符合情況Table 2 Compliance of visible and near-infrared camera’s technical parameters

4 結(jié)束語

資源一號02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)作為新一代資源普查相機(jī)，將全面接替資源一號02C衛(wèi)星，開展國土資源1∶5萬比例尺遙感圖像數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，將服務(wù)于我國國土資源管理、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域，為國計(jì)民生的方方面面帶來深刻變革。