详解高分二号遥感相机的技术创新

高分二号卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）”的重要项目，于2014年8月19日发射成功。卫星上装载有北京空间机电研究所自主研发的两台高分辨率轻小型相机，相机全色谱段（PAN）分辨率为0.8m，多光谱谱段（MS）分辨率为3.2m，两台相机拼接后的幅宽为45.7km。相机在总体方案、光学系统、光机结构、高速低噪声电子学线路、精密热控、重力卸载装调等方面实现了技术创新。

星地一体化设计技术

成像系统的MTF作为衡量成像品质的重要指标之一，随着技术的发展，国外近十年来成功在轨应用的高分辨率相机均采用了小相对孔径的TDICCD相机，对应的相机静态MTF分别为0.1左右，图像经地面复原处理后，能满足高品质图像的判读要求，且可以大幅度减小星上相机的设计难度，将部分工作放在地面进行，即保证了图像品质又减小了相机研制难度，不追求部分性能指标最优，而是靠星地一体化设计保证最终图像品质。

过去的胶片式成像系统通常被认为是一个低通滤波器，MTF越高成像品质越好(模糊越小)。对于CCD器件的成像系统，大多数自然景物是非周期性的，其频率为无限宽，而CCD器件受像元尺寸大小限制，采样频率不可能做到无限高，因此基于CCD的成像系统为欠采样成像系统，由于欠采样引起的频谱复制造成的混叠效应会影响成像品质，MTF越大混叠越严重，而且混叠一旦产生、无法恢复。所以在成像系统的设计过程中，应该考虑MTF模糊效应与混叠效应之间的折衷，也就是考虑探测器和光学系统之间的匹配问题，研究发现相机系统采样频率与光学系统衍射截止频率的比值（λF/p）接近1，相机静态传函0.1左右，图像进行地面复原处理后，效果最优。

图1 相机混叠与传函关系

图1给出了不同采样频率与光学截止频率比值下的传函与空间频率的关系曲线，图中归一化空间频率0.5处为奈奎斯特频率处。可以看出，λF/p越小，相机的MTF越高，混叠面积越大，图像混叠也越严重，增加了图像噪声；当λF/p>2时，在奈奎斯特频率处，传函为零，无法获得有效信息；而在λF/p=1时，混叠适中，同时在奈奎斯特频率处保持了一定MTF，此时通过地面MTFC算法复原，可有效地提升MTF，并减小混叠信息的影响。高分二号相机系统采用了小相对孔径的设计，F数15，MTF=0.12。经在轨实际验证，原始图像经过MTFC复原处理之后，图像能够达到相机MTF=0.2的图像品质。对比效果见图2，图2（a）为相机在轨获得的原始图像，传函较低；图2（b）为地面进行MTFC处理后，传函得到有效提升，图像品质明显提高。

（a）MTFC前

（b）MTFC后

图2 相机图像MTFC前后效果对比

轻小型高稳定光学系统设计及装调技术

光学系统采用折叠式Korsch系统，光学系统长度为1 000mm，宽550mm，高800mm，体积小，结构紧凑，光学系统如图3所示；经过优化设计，视场角达到2.1°，在同等分辨率水平下，超过美国以及法国相同TMA光学系统视场角。

图3 光学系统

针对光学系统设计特点，相机光机主体构型采用主承力板结构，主承力板直接支撑着主镜组件、三镜组件、前镜筒组件、遮光罩组件及焦面组件；同时，主承力板通过阻尼桁架与相机底板连接，相机底板提供与卫星的接口。此设计消除了反射镜支撑结构的过渡环节，有效节省了空间；主、次镜安装分离，避免了主镜组件的重力对敏感度最高的次镜的影响；主承力板直接负担着所有的反射镜与组件，传力路线直接，结构利用率高；相机整体结构刚度高、变形小；主承力板同时提供主镜、次镜、三镜、焦面组件的机械接口，加工时各反射镜光轴的机械基准关系容易保证，有利于装调精度的实现。详细结构形式见图4。

图4 光机主体剖面

通过主镜选用SiC材料、镜筒选用C/SiC材料、外遮光罩选用复合材料、三镜调焦等多种技术，实现了相机光学镜头的轻小型化，与传统设计方案相比，质量减小到原来的1/3~1/4。

小相对孔径光学镜头的成像品质对面形及装调误差的敏感度更高，装调手段采取量化控制，确保镜头成像品质。对反射镜组件及其与主承力结构的接口均进行了应力及热变形的卸载设计。装调过程中，在各反射镜装框前、后，反射镜组件与主承力结构组装前、后进行面形测试，确保整机装调完成后反射镜面形精度满足光学设计要求。采用吊索配重实现了水平装调的重力卸载；次镜采用离散化调整，调整与固定分离的设计，提高装调精度。光学系统最终装调因子达到0.92以上。

相机与整星结构一体化设计技术

为满足高空间分辨率光学遥感器研制对整星姿控、热控、结构动特性等需求，进行了整星一体化设计，主要包括：

1）星敏感器直接安装在相机的主承力结构上，这样可以保证星敏感器与相机视轴之间良好的连接刚度，避免了因卫星舱体在轨结构变形引入的定位误差；

2）相机的构型设计与整星的构型设计同步进行，相机参与整星的动力学耦合分析，以寻求相机良好的整机刚度，同时也有利于整星借助相机的高刚度来提高自身刚度。

支撑结构的减振设计技术

使用阻尼支撑桁架（如图5所示）实现对相机主体的支撑，具有适当的刚度才能保证相机主体具有良好的频率特性。针对相机在发射主动段及在轨抗振具有的宽频段振动特性的特点，采用阻尼设计使振动响应在发射主动段和在轨均得到了良好的抑制。

图5阻尼桁架

杂光抑制技术

杂光是指入射到光学系统或在系统内产生的非成像光束。非成像光线形成的杂光入射到像面视场范围内，会降低光学系统成像的对比度，使图像的背景抬高，降低系统的动态范围，同时杂光带来了额外的散弹噪声，降低了图像的信噪比。高分二号卫星相机光学系统属于三反同轴类型，此类系统主要有三种杂光：

1）不经主次镜由物空间直接射到一次像最终到达像面的杂光；为阻挡这类杂散光，采用次镜安装内遮光罩和主镜安装内遮光筒消除。

2）视场内的成像光束，不按成像光路，经镜面来回反射到像面的杂光；消除办法主要是通过提高反射镜镜面的光洁度，在反射镜镜面镀高反射率反射膜，以减少漫反射光；并在适当位置设置光栏。

3）视场外的光线经筒壁漫反射而射到像面的杂光。为防止视场外杂散光，相机加装外遮光罩，并在镜筒内壁和透镜边缘涂消光漆。

建立杂光抑制仿真模型（如图6所示），通过杂散光仿真分析可知，相机抑制杂散光能力较好，杂光系数小于3%。

图6 杂光抑制仿真模型

高速低噪声电路技术

由于相机的积分时间短，成像电路的工作频率非常高，而入瞳能量又较低，为实现相机的高信噪比要求，成像电路的噪声要非常小。要在高速的前提条件下实现低噪声的电路设计，抑制电路自身和由于高速而增加的各类噪声，采用了以下技术：

1）对CCD器件进行了低温控制，通过CCD器件背面安装的4根微型高效热管，建立CCD器件→热管→散热面的传热途径，实现CCD探测器工作在–2℃~+5℃的低温水平，大大减小了器件产生的暗电平和暗电平噪声。

2）采用量化位数达14bit的信号处理芯片，配合550万门FPGA，实现对CCD模拟信号的相关双采样、箝位、增益控制、A/D转换、辅助数据注入、数据格式编排功能。实现了高集成度、低功耗、低噪声的成像电路设计。

3）采用了星上数字增益和动态箝位技术，可以在轨设置参数，去除大气漫反射等造成的图像衬底，提高信噪比。

4）采用高速并串转换数据传输接口，实现了每通道高达2Gbit/s的数据传输能力，有效的提高了数据传输效率和可靠性，同时抑制了高频串扰噪声对系统信噪比的影响。

5）通过GPS硬件秒脉冲、卫星整秒计数和相机本地时钟相结合的方式，信号处理器根据硬件秒脉冲启动本地计时时钟（1MHz），从而精确计算出每一行的成像时刻，并在对应图像行的辅助数据里标出。同时通过锁存相临两个秒脉冲沿之间的计数值能够实现对时钟频率的标定。实现了对每一帧图像成像时刻的精确标定，从而提高了定位精度。

高精度热控技术

为了保证高分二号卫星相机成像品质，要求光学镜头及主要支撑结构的在轨温度稳定度在全寿命周期内保持±0.3℃，相比于目前国内在轨大口径光学遥感器±1℃或±2℃的温度稳定性而言，热控难度显著增大。为此，相机在方案设计过程中大量采用了结构热控一体化的设计思想，在主动控温与被动隔热设计中采用了间接辐射控温技术和指令控制式补偿加热技术等多种创新设计方法，并达到了很好的效果。

图7 相机辅助控温板示意

高分二号卫星相机热设计中创新性的采用了间接热控与结构一体化的设计方法，即相机结构设计与热控设计同步开展，在结构设计的同时充分考虑热控的需要。

图8 间接辐射控温示意

相机在轨温度遥测数据显示，光机主体的温度稳定性达到了±0.2℃，CCD的温度稳定性达到±1℃，相机各位置的温度数据均优于设计指标。

高分二号卫星相机设计理念先进，采用了多项创新技术，是现今我国焦距最长、分辨率最高的民用航天遥感相机，也是国际上同等分辨率幅宽最大的遥感相机，标志着我国民用航天遥感正式跨入“亚米级”时代。

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