童衛(wèi)明，李昊謙，聶云松，馬軍，閆秀榮，邢輝，高長春，王保華，孫啟揚(yáng)，蔡帥，郝中洋，李巖

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

1 引言

2021年12月26日，5 米光學(xué)02 星（又稱“資源一號(hào)”02E 衛(wèi)星）在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，衛(wèi)星上共裝載可見近紅外相機(jī)、高光譜相機(jī)和熱紅外相機(jī)3臺(tái)光學(xué)遙感載荷，能夠?yàn)橛脩籼峁? m 全色/10 m多光譜、30 m 高光譜和16 m 熱紅外影像。目前衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行，已完成在軌測(cè)試并交付用戶。

熱紅外相機(jī)主要收集目標(biāo)的熱輻射信息，可全天時(shí)工作，已廣泛應(yīng)用于陸地資源、環(huán)境減災(zāi)、目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域。提高熱紅外相機(jī)的空間分辨率，可以增強(qiáng)目標(biāo)的識(shí)別能力；提高探測(cè)靈敏度，可以識(shí)別目標(biāo)內(nèi)部更小的溫度差異，增強(qiáng)目標(biāo)細(xì)節(jié)獲取能力（李曉曼等，2021）；提高探測(cè)幅寬，單軌成像可以獲取更大范圍的熱紅外影像，減小重訪周期，提高觀測(cè)效率。目前國內(nèi)外典型航天熱紅外相機(jī)分辨率、靈敏度、幅寬等指標(biāo)如表1所示（Tonooka等，2005；Barsi等，2014；劉銀年等，2009；趙艷華等，2018；劉莉等，2019；白照廣等，2021；陳凡勝等，2021）。大幅寬和高分辨率通常很難兼顧，同時(shí)對(duì)噪聲等效溫差NETD（Noise Equivalent Temperature Difference）指標(biāo)的要求越來越高。裝載在5 米光學(xué)02 星上的熱紅外相機(jī)，采用8192 元長線陣長波紅外探測(cè)器推掃成像，能夠獲取7.7—10.5 μm 譜段熱紅外影像，星下點(diǎn)地面像元分辨率GSD（Ground Sampling Distance）優(yōu)于16 m，NETD 小于0.1 K@300 K，幅寬大于115 km，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度和大幅寬觀測(cè)，同時(shí)能夠和可見近紅外相機(jī)及高光譜相機(jī)協(xié)同觀測(cè)，為相關(guān)國土資源的調(diào)查、監(jiān)測(cè)、監(jiān)管和產(chǎn)能監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供國產(chǎn)數(shù)據(jù)支持。

表1 典型航天熱紅外相機(jī)指標(biāo)參數(shù)Table 1 Typical space thermal infrared cameras parameters

2 相機(jī)分系統(tǒng)描述

2.1 技術(shù)指標(biāo)

5 米光學(xué)02 星工作在778 km 的太陽同步軌道，軌道傾角98.5°，星上裝載的熱紅外相機(jī)對(duì)地成像，相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 熱紅外相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The infrared camera key technical parameters

2.2 總體方案

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)采用推掃成像方式，利用大口徑長焦距低溫光學(xué)系統(tǒng)匹配高性能長線陣長波紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度和大幅寬探測(cè)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)所有技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。5 米光學(xué)02星熱紅外相機(jī)主要技術(shù)途徑如下：

（1）光學(xué)系統(tǒng)采用折反式光學(xué)系統(tǒng)，包括主光學(xué)系統(tǒng)和中繼光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)入瞳口徑435 mm，焦距1038 mm，推掃方向視場8.6°。主光學(xué)系統(tǒng)為離軸三反系統(tǒng)，中繼光學(xué)系統(tǒng)為透射式系統(tǒng)，中繼光學(xué)中部分透鏡低溫工作。

（2）采用8 片1024×6×2 像元的單模塊長波紅外探測(cè)器拼接成線陣方向總像元數(shù)8192 元的長線陣探測(cè)器，單模塊6 級(jí)TDI，雙線列結(jié)構(gòu)形式，像元尺寸20 μm×20 μm（安萌等，2021）。

（3）制冷機(jī)選用長壽命高可靠的脈沖管制冷機(jī)，分別為中繼光學(xué)和探測(cè)器制冷，其中中繼光學(xué)制冷到200 K，探測(cè)器制冷到80 K。

（4）采用部分光路定標(biāo)方案，采用高溫黑體和低溫黑體進(jìn)行在軌內(nèi)定標(biāo)。

（5）通過移動(dòng)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)在軌調(diào)焦。

2.3 相機(jī)分系統(tǒng)組成及工作原理

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)分系統(tǒng)由相機(jī)主體、相機(jī)制冷控制器A、相機(jī)制冷控制器B、相機(jī)管理器和紅外視頻處理器共5個(gè)設(shè)備組成。

相機(jī)主體由遮光罩、主光學(xué)組件、星上定標(biāo)裝置、中繼光學(xué)組件、中繼制冷機(jī)組件、調(diào)焦裝置、探測(cè)器—制冷機(jī)組件、焦面電路盒、主體結(jié)構(gòu)和熱控組件等組成。來自地面目標(biāo)的輻射信息經(jīng)遮光罩進(jìn)入主光學(xué)裝置并聚焦，然后經(jīng)中繼光學(xué)裝置二次匯聚成像在長波紅外探測(cè)器上。紅外探測(cè)器將輻射信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)紅外視頻處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換和編碼后，發(fā)送給數(shù)傳分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)下傳后經(jīng)地面處理得到熱紅外影像。相機(jī)制冷控制器A 用于對(duì)焦面制冷機(jī)進(jìn)行控制。相機(jī)制冷控制器B用于對(duì)中繼制冷機(jī)、調(diào)焦裝置、星上定標(biāo)裝置，制冷機(jī)切換閥以及對(duì)調(diào)焦裝置、星上定標(biāo)裝置鎖定/解鎖進(jìn)行控制。相機(jī)管理器用于完成與衛(wèi)星數(shù)管分系統(tǒng)的通訊，包括：本地遙測(cè)量的收集和編碼發(fā)送，總線指令接收及譯碼發(fā)送，衛(wèi)星工程參數(shù)接收與發(fā)送，為熱紅外相機(jī)各用電部分轉(zhuǎn)接一次電源。相機(jī)主體組成如圖1所示，其他設(shè)備均為電路盒。

圖1 熱紅外相機(jī)主體模型圖Fig.1 The thermal infrared camera model

3 相機(jī)分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 大口徑寬視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)入瞳口徑435 mm，焦距1038 mm，工作F 數(shù)2.38，視場8.6°×1.1°，絕對(duì)畸變要求小于1 μm。同時(shí)受限于星上安裝空間，要求光學(xué)系統(tǒng)Z 向尺寸不大于800 mm。大口徑寬視場紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，寬視場畸變校正困難，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)像面尺寸大，很難實(shí)現(xiàn)較高的出瞳匹配度，很難保證大像面范圍內(nèi)的照度均勻性，光學(xué)系統(tǒng)Z 向尺寸約束進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)難度。

經(jīng)過對(duì)比同軸光學(xué)系統(tǒng)、離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、離軸四反光學(xué)系統(tǒng)、離軸三反加中繼光學(xué)系統(tǒng)、離軸四反加中繼光學(xué)系統(tǒng)等多種結(jié)構(gòu)形式，最終光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為離軸三反加中繼光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，離軸三反擴(kuò)大相機(jī)視場，中繼光學(xué)進(jìn)行像差校正和畸變校正，在中繼光學(xué)中使用自由曲面和低溫光學(xué)技術(shù)。通過折鏡折轉(zhuǎn)光路壓縮光學(xué)系統(tǒng)Z向尺寸，保證滿足要求。

光學(xué)系統(tǒng)布局如圖2所示，光學(xué)系統(tǒng)尺寸940 mm（X）×1062 mm（Y）×768 mm（Z）。該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱式特點(diǎn)，有利于校正寬視場范圍內(nèi)的畸變；像面前部分中繼透鏡低溫工作能夠有效降低相機(jī)內(nèi)輻射，提高系統(tǒng)信噪比和動(dòng)態(tài)范圍；光學(xué)系統(tǒng)具有近像方遠(yuǎn)心的優(yōu)點(diǎn)，像面照度一致性好；采用自由曲面技術(shù)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)畸變。全視場奈奎斯特頻率下平均傳函MTF（Modulation Transfer Function）優(yōu)于0.32，接近衍射極限，絕對(duì)畸變不超過0.9 μm，像面照度優(yōu)于0.98，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)異，同時(shí)尺寸滿足5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)布局要求。光學(xué)系統(tǒng)MTF 曲線如圖3所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)布局圖Fig.2 Optical layout

圖3 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 MTF curve of the optical system

3.2 高性能長線陣長波紅外焦平面技術(shù)

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)探測(cè)器由8 片單模塊探測(cè)器按照品字型結(jié)構(gòu)拼接而成，線陣方向像元總數(shù)達(dá)到8192元，拼接模型如圖4 所示，拼接后線陣方向長度超過160 mm。2021年中國發(fā)射的高分五號(hào)02 星全譜段相機(jī)熱紅外譜段采用3 片單模塊拼接，推掃方向像元總數(shù)3072元，2022年美國發(fā)射的Landsat 9 TIRS-2 熱紅外譜段采用3 片單模塊拼接，推掃方向像元總數(shù)1920 元。5 米光學(xué)02星熱紅外相機(jī)探測(cè)器是中國目前在軌線陣規(guī)模最大的長波紅外探測(cè)器，探測(cè)器讀出電路研制難度大，長波探測(cè)器制備工藝復(fù)雜，拼接困難，同時(shí)探測(cè)器需要工作在80 K 低溫下，探測(cè)器封裝到杜瓦內(nèi)組成焦平面，需要解決大尺寸焦平面的力熱設(shè)計(jì)問題。

圖4 長線陣探測(cè)器拼接外形圖Fig.4 Long array focal plane stitching model

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)設(shè)計(jì)研制了新版高性能讀出電路，器件采用碲鋅鎘基液相外延長波碲鎘汞薄膜材料制備，每片硅讀出電路上通過銦柱倒裝互連回流焊技術(shù)耦合長波碲鎘汞探測(cè)器，形成長波探測(cè)器混成芯片子模塊，對(duì)子模塊采用底部填充與背面減薄工藝，8片單模塊芯片通過精密拼接，組成拼接探測(cè)器芯片，再在子模塊上精密裝配譜段濾光片，從而實(shí)現(xiàn)長波譜段探測(cè)。根據(jù)國標(biāo)GB/T 13584-2011 進(jìn)行紅外探測(cè)器性能測(cè)試，完成研制后的紅外探測(cè)器平均峰值探測(cè)率D*=8.3×1011cm·Hz1/2·W-1、平均NETD=34.7 mK、平均響應(yīng)非均勻性=6.76%。

長線陣探測(cè)器與制冷機(jī)冷板耦合，通過冷箱形式封裝，制冷機(jī)冷指對(duì)冷板進(jìn)行制冷，保證探測(cè)器工作在80 K 低溫下。探測(cè)器和制冷機(jī)冷指耦合后結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 焦平面組件模型Fig.5 Focal plane array model

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)離焦分析結(jié)果，要求拼接后8片探測(cè)器工作溫度下平面度優(yōu)于20 μm。讀出電路一般為硅材料，拼接基板材料通常為藍(lán)寶石（Al2O3）（李言謹(jǐn)?shù)龋?008）。從常溫到80 K 工作溫度，由于探測(cè)器內(nèi)材料線膨脹系數(shù)存在差異，變形不匹配會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，可能會(huì)對(duì)芯片造成應(yīng)力損傷或使拼接后平面度不滿足要求，導(dǎo)致相機(jī)軸上和軸外視場不共焦，影響成像質(zhì)量。當(dāng)線陣規(guī)模越大時(shí)，這種熱失配會(huì)更嚴(yán)重。在5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)長線陣焦平面組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，基于層合板理論，建立力熱耦合下長線陣探測(cè)器平面度模型，通過多種材料變形匹配設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)的焦平面結(jié)構(gòu)低溫下平面度和應(yīng)力均滿足要求。選用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案仿真得到的8 片探測(cè)器80 K工作溫度下平面度如表3所示，改進(jìn)后的焦平面結(jié)構(gòu)在拼接儀上進(jìn)行了低溫平面度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致（馬軍，2022）。

表3 探測(cè)器平面度仿真結(jié)果Table 3 Flatness simulation results of the FPA

焦平面組件是5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)的關(guān)鍵組件，為提高可靠性，焦平面制冷進(jìn)行了雙壓縮機(jī)互為備份設(shè)計(jì)方案，通過切換閥進(jìn)行切換，當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)失效或效率下降嚴(yán)重時(shí)可采用另一臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行焦平面制冷，焦平面—制冷機(jī)組件模型如圖6所示。

圖6 焦平面—制冷機(jī)組件模型Fig.6 Focal plane array and cryocooler model

3.3 長波紅外低溫光學(xué)技術(shù)

為減小相機(jī)內(nèi)輻射，降低相機(jī)背景噪聲，提高動(dòng)態(tài)范圍，5 m光學(xué)02星熱紅外相機(jī)采用了低溫光學(xué)技術(shù)，將中繼透鏡組中靠近焦面的部分透鏡工作溫度設(shè)計(jì)為200 K。中繼透鏡組常溫裝調(diào)，部分低溫工作，光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保證低溫變形后鏡間距、透鏡偏心傾斜、鏡面面形滿足光學(xué)設(shè)計(jì)公差要求。由于紅外透鏡材料折射率與溫度密切相關(guān)，溫度波動(dòng)引起的變形也會(huì)引起中繼透鏡組的性能退化，需要采用精密熱控技術(shù)，保證工作狀態(tài)透鏡組的溫度分布和設(shè)計(jì)一致，同時(shí)制冷功耗和制冷機(jī)散熱面積設(shè)計(jì)也需要滿足相機(jī)熱控資源要求。

在低溫光學(xué)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，低溫透鏡進(jìn)行裝框設(shè)計(jì)，然后再裝配到鏡筒內(nèi)，在連接環(huán)節(jié)進(jìn)行柔性卸載設(shè)計(jì)（Kvamme等，2008；Rossin等，2016），保證低溫下透鏡面形滿足要求。低溫透鏡組常溫裝調(diào)，低溫工作，利用有限元工具仿真從常溫到低溫下鏡間距變化，比較仿真下低溫鏡間距和光學(xué)設(shè)計(jì)下低溫間距之間差異，在常溫下透鏡組定心裝調(diào)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。進(jìn)行光機(jī)熱聯(lián)合仿真分析（Gracey等，2016），采用UG TMG 仿真得到透鏡組溫度場，然后映射到結(jié)構(gòu)分析有限元模型中，利用MSC Nastran 進(jìn)行熱變形分析，然后進(jìn)行透鏡面形擬合和Zemax相機(jī)整機(jī)性能分析，迭代中繼透鏡組光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直至整機(jī)性能滿足指標(biāo)要求。

在低溫光學(xué)熱控設(shè)計(jì)方面，在國內(nèi)首次采用低溫透鏡組機(jī)械制冷機(jī)制冷方案，在低溫透鏡組外設(shè)計(jì)包絡(luò)式冷屏，冷屏選用高導(dǎo)熱鋁合金材料，機(jī)械制冷機(jī)對(duì)冷屏制冷，冷屏通過傳導(dǎo)和輻射對(duì)低溫透鏡進(jìn)行制冷，能夠有效控制低溫透鏡溫度水平和溫度均勻性。在低溫透鏡組冷屏外表面包覆多層，在低溫透鏡組和常溫透鏡組之間設(shè)計(jì)熱窗避免常低溫結(jié)構(gòu)之間熱串?dāng)_，低溫透鏡組隔熱安裝，控制冷屏前后開口尺寸，減小低溫透鏡組向常溫部分漏熱，從而降低制冷功耗，最終制冷機(jī)功耗和制冷機(jī)散熱面積滿足相機(jī)總體設(shè)計(jì)要求。

完成設(shè)計(jì)后的中繼透鏡組模型如圖7所示，對(duì)中繼透鏡組進(jìn)行真空像質(zhì)測(cè)試，其中低溫部分進(jìn)行機(jī)械制冷，透鏡組中心和邊緣視場波像差優(yōu)于0.05λ（λ=10.6 μm），和光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果相當(dāng)。

圖7 中繼透鏡組三維模型Fig.7 Three-dimensional model of the lens group

3.4 復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，包含自由曲面和大量高次非球面，加工、檢測(cè)和裝調(diào)難度大，具體體現(xiàn)在：離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)軸外視場像差較大，離軸系統(tǒng)反射鏡自由度多，需要帶像差裝調(diào)；中繼透鏡組含自由曲面和多片高次非球面，自由曲面裝調(diào)困難，同時(shí)透鏡裝調(diào)公差嚴(yán)格，紅外定心精度要求高；光學(xué)系統(tǒng)常溫常壓裝調(diào)、低溫真空使用，常溫差壓下軸外視場存在像差，低溫下全視場才能完善成像，需要進(jìn)行低溫下像質(zhì)測(cè)試。在5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中，通過采取以下措施，保證系統(tǒng)裝調(diào)滿足要求。

（1）將光學(xué)系統(tǒng)分為離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)和中繼光學(xué)系統(tǒng)兩部分，分別裝調(diào)，測(cè)試滿足要求后，再進(jìn)行對(duì)接。

（2）通過計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)主光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)，測(cè)試軸上和軸外視場波像差，測(cè)試波像差RMS 及Zernike 系數(shù)和光學(xué)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)，保證主光學(xué)裝調(diào)的正確性。

（3）自由曲面透鏡完成光學(xué)加工后利用非接觸式面形測(cè)試系統(tǒng)Luphoscan 檢測(cè)面形和偏心傾斜，同時(shí)采用CGH 檢測(cè)自由曲面面形，保證自由曲面透鏡加工滿足要求。

（4）透鏡組在紅外定心儀上進(jìn)行定心裝調(diào)，由于自由曲面透鏡無法定心，裝調(diào)時(shí)利用工藝平晶替代自由曲面透鏡進(jìn)行定心保證自由曲面透鏡和前一片透鏡鏡間距正確，利用自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的定位，最終保證自由曲面透鏡裝調(diào)正確。

（5）中繼透鏡組完成定心裝調(diào)后，設(shè)計(jì)補(bǔ)償光路對(duì)中繼透鏡組進(jìn)行低溫像質(zhì)測(cè)試，保證工作溫度下中繼透鏡組像質(zhì)滿足使用要求。

（6）主光學(xué)和中繼光學(xué)常溫常壓對(duì)接時(shí)，采用長波紅外干涉儀進(jìn)行測(cè)試，調(diào)整折鏡和中繼透鏡組位置，保證整機(jī)各視場波像差RMS 值及Zernike系數(shù)和光學(xué)設(shè)計(jì)一致，然后進(jìn)行整機(jī)低溫像質(zhì)測(cè)試，保證滿足要求。常溫常壓下光學(xué)系統(tǒng)軸上和軸外視場測(cè)試波前和理論波前對(duì)比如表4所示，不同視場下裝調(diào)測(cè)試結(jié)果和理論結(jié)果高度吻合。

表4 裝調(diào)后測(cè)試波前差和理論波前差對(duì)比（λ=10.6 μm）Table 4 Contrast of test system WFEs and theoretical system WFEs after alignments（λ=10.6 μm）

5米光學(xué)02星熱紅外相機(jī)完成光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)后，視場、焦距、全視場MTF、視軸引出精度等指標(biāo)均滿足使用要求。自由曲面采用Luphoscan 和CGH檢測(cè)現(xiàn)場照片如圖8所示。

圖8 自由曲面透鏡檢測(cè)照片F(xiàn)ig.8 Test picture of the freeform lens

4 地面測(cè)試與試驗(yàn)

4.1 真空成像

5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)低溫透鏡組工作在低溫200 K 溫區(qū)，常壓環(huán)境下無法制冷，低溫透鏡組需要在真空環(huán)境進(jìn)行制冷，然后進(jìn)行整機(jī)像質(zhì)測(cè)試。相機(jī)真空成像照片如圖9所示。低溫工況下8 片探測(cè)器奈奎斯特頻率下MTF 測(cè)試結(jié)果如表5 所示，全視場平均MTF為0.151，滿足指標(biāo)要求。

圖9 熱紅外相機(jī)真空成像測(cè)試照片F(xiàn)ig.9 Vacuum imaging test picture of the thermal infrared camera

表5 不同模塊MTF測(cè)試結(jié)果Table 5 MTF test results of different detector modules

4.2 真空輻射定標(biāo)

在真空罐內(nèi)利用2 m 面源黑體對(duì)5米光學(xué)02星熱紅外相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場照片如圖10所示。相機(jī)分別對(duì)299 K、301 K外黑體成像，按照國標(biāo)GB/T 38236-2019 方法計(jì)算NETD，測(cè)試結(jié)果如表6 所示，滿足指標(biāo)小于0.1 K@300 K 的要求，和最先進(jìn)的Landsat 9 TIRS-2 載荷NETD 指標(biāo)相當(dāng)。

圖10 熱紅外相機(jī)真空輻射定標(biāo)測(cè)試照片F(xiàn)ig.10 Vacuum radiometric calibration test picture of the thermal infrared camera

表6 NETD測(cè)試結(jié)果（300 K）Table 6 NETD test results（300 K）

改變外黑體和內(nèi)黑體溫度、改變相機(jī)增益和積分時(shí)間，通過對(duì)外黑體定標(biāo)數(shù)據(jù)的分析得到定標(biāo)曲線、定標(biāo)方程和動(dòng)態(tài)范圍。并利用內(nèi)定標(biāo)黑體的高、低溫度點(diǎn)進(jìn)行了非均勻性校正，同時(shí)對(duì)絕對(duì)定標(biāo)精度進(jìn)行了分析和預(yù)估。采用式（1）定義響應(yīng)線性度，其中La和Lb為真空輻射定標(biāo)時(shí)等效入瞳輻亮度的較小值和較大值，DNa和DNb為等效入瞳輻亮度為La和Lb時(shí)各像元輸出信號(hào)的平均值，DN0為無輻射輸入時(shí)，各像元輸出信號(hào)的平均值。

式中，F(xiàn)s 表示響應(yīng)線性度。經(jīng)分析，所有探測(cè)器模塊定標(biāo)曲線線性度均優(yōu)于0.995，動(dòng)態(tài)范圍滿足240—340 K要求，絕對(duì)定標(biāo)精度0.82 K@300 K，均優(yōu)于指標(biāo)要求。典型增益和積分時(shí)間下D1—D8模塊輻射定標(biāo)曲線如圖11 所示，根據(jù)國標(biāo)GB/T 38236-2019方法計(jì)算該增益和積分時(shí)間下輻射定標(biāo)方程和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表7所示，相機(jī)響應(yīng)特性較好。

圖11 典型增益和積分時(shí)間下輻射定標(biāo)曲線Fig.11 Radiometric calibration curve under typical gain and integration time

圖12 熱紅外相機(jī)營口市區(qū)影像Fig.12 Infrared camera image of Yingkou urban aera

表7 輻射定標(biāo)方程及相關(guān)系數(shù)Table 7 Radiometric calibration equation and correlation coefficient

4.3 環(huán)境試驗(yàn)

為了驗(yàn)證5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和在軌溫度穩(wěn)定性，相機(jī)先后完成驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)和真空熱平衡試驗(yàn)。相機(jī)主體振動(dòng)試驗(yàn)獲得3 個(gè)方向基頻，分別為119.3 Hz（X 向）、43.3 Hz（Y 向）、33.69 Hz（Z 向），相機(jī)主體三向基頻滿足衛(wèi)星對(duì)熱紅外相機(jī)主體提出的基頻要求且與衛(wèi)星頻率錯(cuò)開。相機(jī)在驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)前后分別進(jìn)行常溫常壓成像測(cè)試，D1、D2、D7、D8模塊在常溫常壓下設(shè)計(jì)MTF 較低，無法進(jìn)行MTF 測(cè)試，常溫常壓下D3—D6 模塊MTF 測(cè)試結(jié)果如表8 所示，振動(dòng)前后無明顯變化。熱平衡試驗(yàn)分別進(jìn)行加熱去污工況、低溫瞬態(tài)工況、高溫瞬態(tài)工況、高溫瞬態(tài)側(cè)擺26°工況測(cè)試，相機(jī)關(guān)鍵位置溫度遙測(cè)結(jié)果表明，光機(jī)結(jié)構(gòu)和探測(cè)器溫度較為穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)行了不同工況下成像測(cè)試，像質(zhì)變化較小，相機(jī)熱穩(wěn)定性滿足要求。

表8 振動(dòng)前后MTF測(cè)試結(jié)果Table 8 MTF test results before and after vibration

5 在軌測(cè)試與應(yīng)用

2022年1月25 日10：30，5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)首次開機(jī)成像，隨后進(jìn)入在軌測(cè)試階段，2022年2月8日，對(duì)營口市區(qū)進(jìn)行成像，圖像質(zhì)量優(yōu)異、層次豐富、細(xì)節(jié)清晰。通過影像可以直接得到城市的溫度分布，進(jìn)而可以得到水流速、泥沙分布情況等信息，可以進(jìn)行河流監(jiān)測(cè)。

2022年1月到6月，5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了成像性能測(cè)試、幾何特性測(cè)試和輻射特性測(cè)試。相機(jī)增益、積分時(shí)間、行周期均在軌可調(diào)，調(diào)焦機(jī)構(gòu)功能性能正常，星上定標(biāo)功能性能正常，能夠在軌穩(wěn)定工作。

根據(jù)對(duì)已知位置的地面控制點(diǎn)進(jìn)行成像測(cè)試相機(jī)幅寬和地面像元分辨率（于生全等，2017）。在大氣透明度良好的情況下，獲取300 K 附近高溫和低溫均勻目標(biāo)影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行NETD 分析（陳靜，2009）。按照國標(biāo)GB/T 34509.2-2017 方法，對(duì)5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)進(jìn)行在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)測(cè)試。熱紅外相機(jī)成像幾何特性和輻射特性測(cè)試結(jié)果如表9所示，相機(jī)性能優(yōu)異。

表9 熱紅外相機(jī)在軌測(cè)試結(jié)果Table 9 On-orbit test results of the thermal infrared camera

6 結(jié)語

本文介紹了5 米光學(xué)02 星主要載荷之一熱紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)情況。該相機(jī)具有高分辨率、高靈敏度和大幅寬的技術(shù)特點(diǎn)。相機(jī)具備在軌內(nèi)黑體定標(biāo)和調(diào)焦功能。相機(jī)研制過程中突破大口徑寬視場低畸變自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高性能長線陣長波紅外焦平面設(shè)計(jì)、長波紅外低溫光學(xué)設(shè)計(jì)和復(fù)雜紅外光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)。熱紅外相機(jī)地面測(cè)試和試驗(yàn)充分，在軌圖像幾何性能和輻射性能優(yōu)異。高分辨率熱紅外影像數(shù)據(jù)將有力支撐國土資源相關(guān)業(yè)務(wù)。5 米光學(xué)02 星熱紅外相機(jī)的研制，為后續(xù)同類載荷研制提供有力的技術(shù)支撐。