資源1號衛星的紅外相機

李大耀

資源1號衛星的主體為寬1.8米、長2.0米和高2.15米的正六面體，主體一側帶有寬約5.3米、高約2.6米的太陽能電池翼。為什么資源1號衛星不象一般衛星那樣對稱地安裝2個太陽翼，而只帶有1個太陽翼呢?其原因在于資源1號衛星紅外相機的輻射致冷器的出口位于與安裝太陽翼的側面相對稱的另一側面上。輻射致冷器是紅外相機的重要組件，它利用太空背景只有約4霞低溫度的特性，通過向外部空間輻射熱量來達到致冷的目的。為了確保輻射致冷器工作正常，要求輻射致冷器的散熱通道“三不見”(即：看不見太陽，看不見地球，也看不見衛星)。由此決定了資源1號衛星只有1個太陽能電池翼（見題圖）。

紅外成像的基本原理

資源1號衛星的紅外相機是一種紅外線成像裝置。為了便于理解紅外相機，首先對紅外成像的基本原理作簡單介紹。

什么叫紅外線

大家知道，光一般是指人眼能觀察到的電磁波。這部分可見光的波長在0.77～0.39微米之間，由紅色(波長0.77～0.622微米)、橙色(波長0.622～0.597微米)、黃色(波長0.597～0.577微米)、綠色(波長0.577～0.492微米)、藍靛色(波長0.492～0.455微米)和紫色(波長0.455～0.39微米)這幾種色光組成。在可見光紫端之外、波長為0.005～0.39微米的電磁波稱為紫外線，在可見光紅端之外、波長為0.77～1000微米的電磁波稱為紅外線。紫外線和紅外線雖然人眼不能察覺，但能為光學儀器察覺到，而且它們和光一樣具有反射、折射和衍射等性質。所以，一般把紫外線、紅外線甚至X射線也稱為“光”。

紅外線按波長分為幾個譜段：近紅外(波長0.77～3.0微米)、中紅外(波長3～6微米)、遠紅外(波長6～20微米)和超遠紅外(波長20～1000微米)。

理論分折和實驗表明，不僅太陽光中含有紅外線，而且任何溫度高于絕對零度的物體都在不停地向外輻射紅外線。因此，紅外線是自然界中普遍存在的一種電磁輻射。

光線的透射窗口

大氣看上去似乎是透明的。但是，大氣中存在的各種氣體分子以及少量的水蒸氣和其它成份，會對在大氣中傳播的電磁波產生吸收、反射、折射、散射等作用。因此，大氣實際上只能透過一定譜段的電磁波。換言之，只有對那些能透過大氣的電磁波來講大氣才是透明的，而對于其他譜段的電磁輻射來講大氣并不透明。能透過大氣層的電磁波譜段稱為透射窗口

在紫外線－可見光－紅外線的范圍中，有以下4個透射窗口：

0.30～1.3微米窗口，它包括部分紫外線、全部可見光和部分紅外線，屬地物的反射波譜，即反射的太陽光；

1.3～2.5微米窗口，它處于近紅外線范圍內，仍為地物的反射波譜；

3.5～5.5微米窗口，它處于中紅外線范圍內，為混合波譜，即地物反射或發射的電磁波；

8～14微米窗口，它處于遠紅外線范圍內，為地物的發射波譜，是物體在常溫下熱輻射能量最集中的譜段。

紅外成像裝置的工作譜段必須位于上述這4個窗口中，才能接收到地物反射或發射出的紅外信息。

紅外成像裝置的組成

這里的“成像”就是顯示地物目標反射或發射的電磁輻射能量密度的分布情況。由于供攝影用的感光膠片只能對0.30～1.3微米的電磁輻射起作用，故要得到地物的紅外圖像就不能如可見光成像那樣通過膠片以深淺不同的黑色或色彩表現出來，而必須使用一定的紅外成像裝置。紅外成像裝置首先把接收到的地物的紅外輻射能量轉變成電信號，再對這種電信號進行處理和顯示，使其成為可見的圖像。因此，紅外成像裝置也稱成像儀，一般由紅外成像鏡頭、紅外探測器、電子電路和顯示器、致冷裝置等幾部分組成（圖一）。

紅外成像鏡頭為紅外線進入成像儀的窗口，并將入射的紅外輻射進行收集、會聚到紅外探測器的焦平面上。

紅外探測器是指能把紅外輻射能量轉換成電信號的器件，其中根據受光照射后，材料的電子狀態發生變化，導致其電學性能改變的光電效應的原理制成的探測器叫光電探測器。

電子電路用于將紅外探測器輸出的微弱電信號進行強度、功率放大和處理，以便最終能顯示出來。

傳輸與顯示器用于傳輸電子電路處理的電信號， 并顯示出地物目標的紅外輻射特性或分布。

致冷裝置用于抑制系統的熱噪聲和保證銻化銦、碲鎘汞等致冷型探測器正常工作。

紅外成像裝置按成像的類型可分3類：點成像裝置、線成像裝置和面成像裝置。光學機械掃描儀是常用的線或面成像裝置之一。它通過光學部件機械運動的掃描，使地物目標表面各點的紅外輻射按一定順序逐個聚集在紅外探測器上，其所用的探測器大多為光電探測器。當光學機械掃描儀裝在衛星等飛行器上時，它一邊隨衛星運動、一邊進行掃描，可以獲取到衛星地面航跡左右一定幅度內的地物目標圖像。光學機械掃描儀的工作原理見圖二。

紅外相機及其主要性能

資源1號衛星紅外相機的工作譜段有4個：1個在全色譜段，波長0.50～0.90微米；2個在近紅外譜段，波長1.55～1.75微米和2.08～2.35微米；1個在遠紅外譜段，波長10.4～12.5微米。該相機隨衛星作軌道運動的同時，其擺動掃描鏡作與軌道運動方向相垂直的往復運動。

紅外相機由掃描儀主體、放大器、編碼器、配電器、遙測變換器、輻射致冷控制器和溫度控制器等組成，它是涉及到光學、機械、電子等領域的復雜的工程項目。圖三為該相機示意圖。該相機獲取的地物輻射信息由工作于X波段的高碼速率數傳系統向地面發送。

資源1號衛星運行軌道高度約780公里，紅外相機掃描輻度為119公里，相機的像元分辨率遠紅外譜段為156米、其他3個譜段為78米。

資源1號衛星1986年正式開始研制。其紅外相機的性能與美國陸地4、5號地球資源衛星的專題成像儀的性能雖有一定程度的差距，但在具體的技術途徑方面兩者有所不同。資源1號衛星紅外相機在近紅外譜段探測器選擇、中繼光學系統、星上定標系統和星上計算機等方面均有所創新。該衛星紅外相機的總承制單位為中國空間技術研究院北京空間機電研究所。在研制過程中，研制人員解決了一系列技術難題。地面試驗表明，該相機工作正常，性能指標滿足設計要求，可用于飛行任務。■