天基衍射成像系統及相關技術發展研究

（北京空間科技信息研究所）

1 新型光學成像技術概況

為了滿足高軌道衛星高分辨率對地觀測的要求，國外從20世紀末開始研究新型光學成像技術，包括大口徑單體反射鏡成像技術、空間分塊可展開反射成像技術、衍射成像技術、基于衛星編隊的光學干涉合成孔徑成像技術和稀疏孔徑成像技術等。目前，前三類技術逐步走向工程化實施階段，后兩類技術由于技術難度過大，發展較為緩慢，還停留在實驗室研究階段。

兩類面向工程化的大口徑反射成像系統大口徑單體反射鏡成像系統（左）；空間分塊可展開反射成像系統（右）

對于反射成像系統，其反射鏡必須經過鏡坯研磨、輕量化、拋光、鍍膜等復雜的加工工藝。美、歐等技術發達國家目前僅能制造3～4米級空間應用的單體反射鏡，而且鏡片研制成本十分高昂。由于系統規模隨口徑的平方成正比，若要進一步提高單塊反射鏡的口徑，對現有火箭的運載能力也提出了更大的挑戰?？臻g分塊可展開反射成像技術可以在一定程度上解決系統規模與成像系統口徑之間的矛盾，其利用小口徑分塊鏡拼接成大口徑主鏡，避免加工大口徑單體反射鏡。但是這種技術途徑將大口徑反射鏡的制造難度轉移到主鏡拼接上，既需要高精度的波前傳感器實時檢測子鏡和主鏡的面形誤差，每個分塊鏡需要促動器實時校正，才能使主鏡滿足高精度成像要求。此外，還需要精確的在軌展開結構。這些技術難題致使其成本高昂。該技術的典型代表“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）成本高達87億美元，且從原計劃的2011年發射延期到2018年。

與反射光學系統相比，衍射成像系統具有大口徑、高分辨率、結構輕量化、空間可展開、面形誤差要求低、易復制等特點，不但可以節約發射成本，還能夠顯著降低制造成本，衍射成像技術在靜止軌道高分辨率成像領域中具有重大潛力。

靜止軌道巨型衍射成像偵察衛星示意圖

菲涅爾波帶片示意圖

光子篩示意圖

2 天基衍射成像系統的發展

衍射成像光學系統一般由物鏡和目鏡系統組成，是具有微結構的新一代光學系統。成像系統中的物鏡為衍射透鏡，目鏡系統一般包括色差校正系統和聚焦系統。其工作原理是首先通過衍射透鏡匯聚光線，再由位于其焦點處的中繼光學系統進行色差校正以增大帶寬，最后通過聚焦系統成像到焦平面上?，F階段，國外在天基成像領域，基于衍射原理制造成像系統的技術有兩種：一是菲涅爾波帶片技術；二是光子篩（PS）技術。光子篩技術是由菲涅爾波帶片技術發展而來的。

菲涅爾波帶片成像系統

常見的菲涅爾波帶片是一系列透明和不透明的同心圓環組成的變間距光柵，其作用和匯聚透鏡相當，是一種衍射成像器件。但其焦距與波長成反比，因此存在較大的色散，在使用時必須進行色差校正。

（1）雙衛星方案

在美國國防高級研究計劃局項目的支持下，美國勞倫斯-利弗莫爾（LLNL）國家實驗室于1998年提出了空間衍射望遠鏡計劃—“眼鏡”（Eyeglass）計劃，該方案由兩顆衛星（“物鏡”衛星和“目鏡”衛星）一起構成一個合作望遠鏡，“物鏡”衛星計劃由一個口徑20m的衍射透鏡構成，負責聚集光線并將其聚焦于與其相距1km遠的“目鏡”衛星所在位置。

該衍射望遠鏡的工作原理是菲涅爾波帶片原理。設計衍射望遠鏡需要面臨的挑戰是衍射光學器件焦距反比于波長，其色散特性會把不同顏色的光匯聚到不同的位置?；谶@一原因，衍射光學器件一般用于單色光成像。為了實現多色光成像，“目鏡”衛星帶有采用Schupmann消色差原理的色差校正裝置。

“眼鏡”計劃衛星系統（左）和5m口徑衍射主鏡（右）

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室研制了口徑5m的主鏡，研究了大口徑平面薄膜衍射物鏡的折疊和展開方法。組裝成功的口徑為5m的衍射主鏡，焦距為250m，相對孔徑為f/50，由72個被切割成精確的矩形和三角形的透鏡板組成。當一塊透鏡板被組裝到適當的位置時，通過粘合到可折疊金屬框上的方法和相鄰的透鏡板接合。接縫的設計承受力遠遠大于在太空部署時所要承受的力。主鏡所使用的材料是700μm厚的康寧公司1737型薄玻璃板。

在當時的技術條件下，繼續制造20m口徑的衍射物鏡困難是極大的，相關的材料技術、主鏡展開技術、精密展開結構技術和大型望遠鏡的空間結構穩定性技術都存在大量需要攻克的難題。并且，兩顆衛星的編隊飛行誤差必須控制在極小的范圍內，才能使通過衍射物鏡的光線聚焦在“目鏡”衛星攜帶的成像儀上，這對衛星編隊的控制技術也提出了極高的要求，即便在當今也難以實現，因此后續項目轉向單衛星方案。

“眼鏡”項目的意義在于，提出了利用衍射成像技術可以制造輕質量、超大口徑的望遠鏡，并提出了靜止軌道衛星高分辨率成像的一種全新的技術解決途徑，該項目為衍射成像技術的后續發展提供了重要的理論參考價值。

（2）單衛星方案

“莫爾紋”項目是美國國防高級研究計劃局于2010年開展的大口徑衍射光學成像技術研發項目，其全稱為“薄膜光學成像儀實時利用”。項目旨在突破衍射薄膜、大型可展開支撐結構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開發靜止軌道高分辨率衍射成像衛星提供技術準備。

美國國防高級研究計劃局已于2010年8月授出了“莫爾紋”項目的研制合同。美國鮑爾航空航天技術公司（BATC，簡稱鮑爾公司）作為主承包商，負責光學系統的設計、地面原理樣機的研制和測試；美國納克訓（NeXolve）材料公司負責衍射薄膜的研制；勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室負責衍射鏡的研制。該項目分兩個階段實施。

第一階段，目標是開發滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個米級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展完整光學薄膜成像系統的方案設計。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室首先在熔石英基底上利用掩膜光刻蝕工藝制造了口徑0.2m的菲涅爾相位衍射波帶片，驗證了其成像能力，而后在面向在軌應用的薄膜基底上使用相似工藝制造了0.2m口徑的衍射薄膜鏡片。隨后，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室將加工工藝參數交給美國馬薩諸塞州北安杜佛鎮的先進復制公司，該公司在920mm×800mm×8mm的石英掩膜板上制造了鍍鉻玻璃二元結構母版，之后利用母版把衍射圖案印制到800mm口徑的石英基底上，再通過1kW的紫外光刻機把圖案轉移到薄膜基底上。

2011年7月25日，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室所屬的光子科學與應用實驗室為“莫爾紋”項目研制完成了一個口徑0.8m、厚18μm的衍射薄膜鏡，采用菲涅爾波帶片形式，衍射效率為30%。2011年9月，鮑爾公司對外宣布“莫爾紋”項目第一階段研制工作結束，表明光學薄膜成像系統的方案設計已經完成。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室研制的0.8m口徑衍射薄膜鏡

第二階段，研制5m口徑光學薄膜成像系統的地面原理樣機。2013年4月，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室向鮑爾公司交付了6塊邊長約0.8m、面積約0.4m2的梯形衍射薄膜。隨后，鮑爾公司對6塊薄膜進行了拼裝，制成了主鏡1/8扇區的衍射鏡片，并開展了光學系統的測試工作。測試系統包括光源、主鏡和尾部光學系統。光源的輸出能量要求高，測試前光源被1.45m口徑的微調反射器校準；主鏡用于成像；尾部光學系統用于接收、重構和處理圖像。

測試中遇到了諸多問題。衍射薄膜是面向空間應用開發的，其本身具有近零的熱膨脹系數，但受研制期限和成本的限制，地面測試中支撐薄膜的金屬框架的熱膨脹系數較大；雖然濕度對金屬框架的影響甚微，但衍射薄膜易受地面濕度變化的影響；“莫爾紋”望遠鏡焦距長，因此整個光學系統易受溫度、濕度和室內空氣擾動的影響；此外，測試環境所占空間較大，對環境因素的控制比較困難。

為了去除測試環境因素對成像質量的影響，以獲得準確的測試結果，在光路中精確測量這些量是必須的，溫度和濕度影響聚焦和圖像的傳輸，而空氣擾動直接影響圖像質量。為了校正望遠鏡，鮑爾公司開發了一個測量系統，用于測量光束受環境影響所產生的位移，并通過3個帶有促動器的光學部件進行補償。鮑爾公司通過對這塊鏡片的測試，獲得整個衍射薄膜主鏡的相關技術性能與參數。

2013年12月5日，美國國防高級研究計劃局對外宣布完成了1/8扇區的衍射鏡片的測試工作，項目進展順利，衍射薄膜鏡的衍射效率已從第一階段的30%提升到55%，大大提高了系統的光線透過率和調制傳遞函數（MTF）。

按照美國國防高級研究計劃局的計劃，鮑爾公司將繼續制造剩余7塊扇區的鏡片，作為衍射光學系統的可展開分塊鏡，拼接成完整的5m口徑的主鏡，進而完成整個光學系統地面原理樣機的研制，進行系統展開和光學性能測試。

美國國防高級研究計劃局還計劃在“莫爾紋”項目取得成功后，進一步研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術驗證衛星，對大系統進行全面的演示驗證。

業務型實用系統將交由美國國家偵察局（NRO）開發。目前，美國國防高級研究計劃局宣稱的業務系統成本約5億美元，光學系統采用菲涅爾波帶片或者光子篩形式的主鏡，口徑將達到20m，在發射時處于折疊狀態，入軌后展開。系統未采用雙衛星編隊方案，而是采用具有伸出大型桁架結構的單衛星方案。業務型偵察衛星能夠在靜止軌道實現1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像速率可高達1幅/秒，實現對敵方軍事目標的連續監視，將大幅提升對艦船、導彈發射車等時敏目標的動態監視能力。

光子篩成像系統

光子篩是近10年發展起來的新型衍射光學成像器件。它首先由德國Kiel大學為提高軟X射線的聚焦能力而提出。光子篩的基本原理基于菲涅爾波帶片，是由充滿微小孔的環帶組成。每一個微孔的衍射光在光子篩后的相應位置同相相加，就像許多同相的小口徑陣列。用微孔環帶陣列替代菲涅爾波帶片中的透明環帶，大大提高了光子篩聚焦光束的尖銳性，使得光學成像質量得到極大提高。光子篩是由一塊薄片組成，只需在外圍使用支撐結構，因而使得光子篩的實用性大大提高。光子篩可以在波帶片的基礎上進一步提高分辨率，但要犧牲一定的光通量。

采用光子篩衍射成像系統的偵察衛星示意圖

美國空軍學院鍍鉻石英基板光子篩技術發展

美國在開發天基光子篩成像技術時，沿著理論研究、陸基試驗、低軌驗證、低軌應用、高軌實現這樣一條發展途徑，一步步將光子篩技術實用化。美國空軍學院（AFA）主要負責天基光子篩成像技術的理論研究和在軌試驗工作，美國航空航天局（NASA）輔助對光子篩進行地面驗證，美國國防高級研究計劃局開展的“提高軍事作戰效能的空間系統”（SeeMe）和“莫爾紋”計劃也涉及光子篩。

（1）光子篩成像理論的研究

美國空軍學院哥奧夫·安德森（Geoff Andersen）教授的研究小組對光子篩的成像理論進行了系統的研究。光子篩按照制作材料的不同，可以分為石英基板光子篩和薄膜光子篩。按照成像原理的不同，可以分為振幅型光子篩和相位型光子篩。其中，振幅型光子篩按照微孔位置的不同，可以分為正孔光子篩和負孔光子篩。薄膜光子篩由于面密度極輕，可以發射時折疊、入軌后展開，可實現超大口徑，因此更加適用于航天領域。

2005－2006年，美國空軍學院相繼報道了研制振幅型鍍鉻石英基板光子篩的情況。對于菲涅爾波帶片，每個透光波帶對于焦點處場的作用是正的。同理，上述傳統光子篩的微孔中心都必須集中在菲涅爾波帶片的透光環帶內，每個處于透光環帶的透光微孔對于焦點處場的貢獻也是正的。透光微孔的直徑可以增大到所在環帶寬度的1.514倍這一最優值，這就減輕了制造的難度。2006年，美國空軍學院制作了含有500萬個負孔（Antihole）的光子篩。該設備工作波段為507～557nm。這些負孔分布在每個偶數階菲涅爾不透光波帶上，直徑大小介于18～331μm之間，微孔的直徑為所在環帶寬度的3.514倍。這種設計方法打破了傳統光子篩的設計方法，使分辨率得到了大幅的提升。負孔光子篩的最小微孔尺寸比傳統光子篩大，總孔數也下降了50%，因此進一步降低了加工難度和成本。但是，負孔光子篩的衍射效率極低，約0.35%，因此不適用于天基成像系統。

2006年后，美國空軍學院開始研制振幅薄膜型光子篩，先后研制并測試了重氮基（Diazo）薄膜光子篩、電鍍鎳薄膜光子篩和CP1薄膜光子篩（CP1材料全稱為LaRCTM-CP1），這三類光子篩都是根據負孔光子篩的理論設計的。研究表明，電鍍鎳薄膜光子篩和CP1薄膜光子篩的分辨率都優于重氮基薄膜光子篩，而CP1薄膜韌性好、可卷曲，并且質量很輕，這種薄膜還有近零熱膨脹系數（CTE），使得CP1薄膜更適合于航天應用。

在制備工藝上，薄膜光子篩具有易復制的特點，可大大提高成像系統裝備衛星的速度和規模，使衛星星座和編隊飛行的成本大大降低。美國空軍學院制作薄膜光子篩望遠鏡的流程如下：①制作鍍鉻石英基板光子篩模板；②在10μm厚的CP1薄膜上蒸鍍一層200nm厚的鋁；③在鋁上涂2μm厚的AZ1518型光刻膠；④使用光子篩模板，并采用紫外線光刻法，制作光子篩圖形，使原光子篩圖形轉移到光刻膠上；⑤去除阻擋層，再去除鋁層，最后剝離光刻膠便制成了CP1薄膜光子篩。利用一塊模板就可以批量生產薄膜光子篩，這與傳統的折反式主鏡研磨生產方式相比，縮短了研制時間。

2011年，美國空軍學院又研制了相位型光子篩。這種光子篩雖然結構復雜，但衍射效率比振幅型光子篩高數倍（可達40%），這可以減少成像時間。研究結果表明，薄膜制相位型光子篩比振幅型光子篩更適于空間應用。

薄膜光子篩制作工藝圖

綜上所述，光子篩具有很多優點：①光子篩使用薄膜材料使得光學系統質量要輕很多，大幅降低了對衛星平臺承載能力的要求；②由于物鏡本身為輕質、平面形狀，可以在發射時進行折疊，入軌后再展開，從而避免體積過大而給發射帶來的困難，便于增大光學系統口徑；③易復制的特點使光子篩的制造時間大幅縮短，光子篩的制作工藝也相對簡單。因此衍射成像光學系統將成為大口徑、高分辨率光學系統的一個重要發展方向。

（2）光子篩陸基成像驗證

美國航空航天局與美國空軍學院合作，對光子篩進行了成像驗證。2011年8月，美國航空航天局報道了首次用光子篩對太陽進行成像，并獲得了理想的結果。該光子篩包含1500個菲涅爾波帶，共有1.5億個微孔，制作在鍍鉻玻璃基板上，焦距為400mm，工作波長為656.3nm。美國航空航天局稱，“這次試驗對以甚高分辨率（0.01"）成像為目標的衍射光學來說是十分重要的一步?！?/p>

（3）即將在軌驗證光子篩

美國空軍學院將于2 0 1 5年發射獵鷹衛星－7（FalconSat－7），這顆衛星實際上是一顆3U立方體衛星（CubeSat），其尺寸約為30cm×10cm×10cm，質量不超過4kg。該星搭載口徑為0.2m、焦距為0.4m的光子篩望遠鏡，工作波長為656.28nm，孔數達25億個，孔尺寸為2～277μm，光子篩薄膜為CP1，厚度25μm。該衛星計劃發射到450km的低地球軌道，對地觀測分辨率為1.8m。該衛星的1/2體積就可以裝載整個光子篩成像光學系統，發射時光子篩如咖啡濾網般折疊裝載。

美國航空航天局制造的陸基光子篩太陽望遠鏡樣機

2012年8月26日，美國空軍學院研究人員利用美國航空航天局的“嘔吐彗星”（Vomit Comet）飛機（經改造的波音－727）的零重力實驗艙對獵鷹衛星－7的光子篩望遠鏡進行了測試，測試結果表明，光子篩在零重力條件下可以成功展開。

若獵鷹衛星－7在軌試驗成功，美國還將利用6U～12U立方體衛星攜帶亞米級分辨率的光子篩成像系統。

（4）展望光子篩的低軌應用

為了解決戰場態勢感知數據獲取不足，以及無法向基層作戰人員按時按需提供衛星圖像數據等問題，2012年美國國防高級研究計劃局提出發展“提高軍事作戰效能的空間系統”計劃，該計劃利用低成本小衛星星座滿足戰術應用需求，以填補美國長久以來利用高成本、長壽命、大型偵察衛星獲取圖像數據的能力空缺，進一步鞏固和擴大美軍的信息優勢。針對戰術應用對偵察衛星及其應用模式的創新需求，該構想旨在基于低成本的小型成像衛星星座，通過空中發射方式快速部署，以向前線基層作戰人員提供按需、快速的近實時戰場圖像數據?！疤岣哕娛伦鲬鹦艿目臻g系統”計劃同時將成為無人機技術的一種補充，能夠彌補無人機燃料受限制而無法覆蓋廣大區域的問題。

光子篩薄膜在美國航空航天局零重力實驗艙內進行展開測試

“提高軍事作戰效能的空間系統”計劃致力于發展由“可丟棄”小衛星組成的衛星星座，由24顆衛星組成，每顆衛星在極低的軌道工作60～90天后離軌完全燒毀，不會造成空間碎片和墜地危險?！疤岣哕娛伦鲬鹦艿目臻g系統”計劃能夠使海外作戰人員利用現有的手持設備在90min內獲得衛星圖像。該計劃將與美國國防高級研究計劃局的“機載發射輔助進入空間”（ALASA）計劃配套發展，利用其發展的機載衛星發射平臺快速、廉價地將小衛星送入所需軌道。

“提高軍事作戰效能的空間系統”衛星的成像技術體制主要包括衍射成像技術或傳統反射成像技術，而后者必須采用先進的圖像處理技術，減輕光學系統質量，降低成本。

3 結束語

為在靜止軌道部署高分辨率軍用光學偵察監視衛星，美國國防高級研究計劃局高度關注天基衍射成像技術，1998年支持勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室開展“眼鏡”項目，又于2010年開展“莫爾紋”項目。兩個項目的側重點不同，“眼鏡”項目目標是概念設計，以5m口徑薄玻璃基底衍射主鏡的成功研制結束，未研制可展開結構；而“莫爾紋”項目的目標是研制薄膜制造的5m口徑衍射主鏡，并研制整個成像系統，包括可展開結構和支撐結構，向衍射成像系統的最終在軌應用走出了堅實的一步。為在低軌部署面向戰術應用的低成本、高分辨率小衛星星座，美國國防高級研究計劃局于2012年開展了“提高軍事作戰效能的空間系統”項目，并支持美國空軍學院開展獵鷹衛星－7項目，目標是在軌驗證光子篩衍射望遠鏡。

在十幾年內，美國國防高級研究計劃局數次支持衍射成像技術的發展，說明衍射成像技術有巨大的發展潛力和應用價值，該技術將使靜止軌道光學成像衛星具備超大口徑和高分辨率，在區域持續監視和動態目標監視及指示方面的應用潛力巨大。該技術將使低軌高分辨率衛星超小型化、成本更低、易于發射和部署，在戰術應用方面有巨大的作用。