國外地球靜止軌道高分辨率光學成像系統(tǒng)發(fā)展綜述

劉韜 周潤松

(1 北京空間科技信息研究所，北京 100086)(2 中國航天科技集團公司，北京 100083)

國外地球靜止軌道高分辨率光學成像系統(tǒng)發(fā)展綜述

劉韜1周潤松2

(1 北京空間科技信息研究所，北京 100086)(2 中國航天科技集團公司，北京 100083)

介紹了歐美1～3 m分辨率GEO光學成像系統(tǒng)的應用需求、技術(shù)途徑選擇情況，研究了歐美GEO高分光學成像技術(shù)的發(fā)展，包括大口徑單體反射鏡成像技術(shù)、空間分塊可展開成像技術(shù)、光學合成孔徑成像技術(shù)、薄膜衍射成像技術(shù)和在軌裝配成像技術(shù)，總結(jié)了上述技術(shù)的優(yōu)缺點。可為我國發(fā)展GEO高分辨率光學成像系統(tǒng)提供參考。

地球靜止軌道；高分辨率；光學成像技術(shù)體制

1 引言

我國2015年12月29日發(fā)射了空間分辨率達50 m的地球靜止軌道(GEO)光學成像衛(wèi)星高分四號。然而，早在2010年，由歐洲航天局(ESA)牽頭，在其地球靜止軌道高分辨率(GEO-HR)衛(wèi)星項目牽引下，就完成了10 m分辨率“靜止軌道-眼睛”光學成像衛(wèi)星(Geo-Oculus)的論證。隨著應用需求向國家安全領(lǐng)域擴展，歐洲在2012年后，更加關(guān)注1～3 m分辨率GEO衛(wèi)星的發(fā)展。而美國已于2010年開展了1 m分辨率GEO光學偵察衛(wèi)星的論證，同時通過美國國家航空航天局(NASA)正在進行可用于對地觀測的大口徑光學成像系統(tǒng)工程研制工作。歐美正在發(fā)展的1～3 m空間分辨率的GEO光學成像衛(wèi)星，部分有望在2025年前后發(fā)射[1]。GEO高度是低軌高度的數(shù)十倍，為了達到米級分辨率，現(xiàn)有低軌衛(wèi)星光學成像技術(shù)難以達到這一指標要求，必須對大口徑成像系統(tǒng)進行攻關(guān)。目前，歐美已提出多種大口徑光學成像系統(tǒng)的技術(shù)體制，包括大口徑單體反射鏡成像、空間分塊可展開成像、光學合成孔徑成像、薄膜衍射成像、在軌裝配成像等技術(shù)。本文主要研究歐美1～3 m分辨率GEO光學成像系統(tǒng)的應用需求、成像技術(shù)體制選擇，說明上述相關(guān)大口徑光學成像技術(shù)發(fā)展情況，提出各類技術(shù)中的關(guān)鍵點，以供參考。

2 歐美靜止軌道高分辨率光學成像系統(tǒng)應用需求

歐美對于GEO高分光學成像系統(tǒng)的應用，主要集中在區(qū)域持續(xù)監(jiān)視與動目標監(jiān)視方面。為了充分發(fā)揮GEO光學遙感衛(wèi)星動目標實時監(jiān)視的優(yōu)勢，歐洲重視從空間分辨率和時間分辨率兩方面對具體應用進行詳細的需求分析。而美國更加重視戰(zhàn)區(qū)的持續(xù)監(jiān)視和高價值動目標監(jiān)視，提出了比較具體的作戰(zhàn)應用指標和技術(shù)發(fā)展重點。

歐洲在論證GEO高分光學成像衛(wèi)星指標需求中，在動目標監(jiān)視方面，對空間分辨率和時間分辨率提出了非常嚴格的要求，如圖1所示。在空間分辨率方面，若要做到在發(fā)現(xiàn)目標的基礎(chǔ)上進一步精確識別目標，要求空間分辨率優(yōu)于目標尺寸的1/50。在時間分辨率方面，根據(jù)運動目標的距離和速度，對衛(wèi)星成像速度有嚴格要求。若達不到要求，就無法監(jiān)視例如海盜船靠近商船的非法行為。論證結(jié)論是阿斯特留姆(Astrium)公司提出的3 m分辨率“靜止軌道空間監(jiān)視系統(tǒng)”(GO3S)衛(wèi)星設(shè)計方案難以在空間分辨率方面解決海上小型動目標監(jiān)視問題[2-3]。根據(jù)上述分析，靜止軌道3 m分辨率指標是歐洲的最低需求。

圖1 海上動目標監(jiān)視應用需求Fig.1 Monitoring requirements for moving targets at sea

相比歐洲，美國提出了分辨率更高的GEO光學遙感衛(wèi)星。為了克服低軌高分辨率光學偵察衛(wèi)星幅寬較窄、目標重訪周期較長的問題，具備大范圍持續(xù)監(jiān)視、高價值動目標跟蹤的GEO高分衛(wèi)星成為美國的發(fā)展重點之一。國防先進研究計劃局(DARPA)的1 m分辨率莫爾紋(MOIRE)靜止軌道偵察衛(wèi)星項目招標書一定程度上曝光了美國對GEO高分光學衛(wèi)星應用需求[4]：①力圖從GEO對敵對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視，能夠?qū)? m高分辨率視頻實時下傳給作戰(zhàn)部隊；②具備目標動態(tài)監(jiān)視能力；③當出現(xiàn)導彈信號時，衛(wèi)星提供成像以允許軍事情報分析者決定某一特定地點是否存在飛毛腿B級彈道導彈的運輸、起豎、發(fā)射車(TEL)，判定發(fā)射的證據(jù)(比如在發(fā)射場地排出羽流)，追蹤確定發(fā)射后TEL的去向；④能夠進行實時毀傷評估。這些應用需求對技術(shù)的要求很高，體現(xiàn)在：①為GEO成像系統(tǒng)尋找大口徑、低成本、輕量化、可展開的適宜的成像技術(shù)；②利用靈敏精確的姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)，結(jié)合地面的實際情況，實現(xiàn)近實時成像穩(wěn)定性、明確戰(zhàn)術(shù)地理位置(戰(zhàn)術(shù)級的圖像定位精度)；③望遠鏡的設(shè)計覆蓋較寬的光譜；④解決在GEO上大型成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和動力學問題。可以看出，美國的GEO成像技術(shù)指標高于歐洲，期望的功能明顯偏向于軍用。

3 技術(shù)途徑選擇

為了實現(xiàn)GEO的1～3 m空間分辨率指標，歐美提出了多種技術(shù)途徑，歐洲主要從自身現(xiàn)有的技術(shù)能力出發(fā)，通過大口徑單體反射鏡成像技術(shù)和光學合成孔徑成像技術(shù)，在復雜度和實現(xiàn)能力方面進行權(quán)衡，近期選擇以發(fā)展前者為主。而美國技術(shù)實力更加雄厚，選擇大口徑單體反射鏡成像、空間分塊可展開成像、光學合成孔徑成像、薄膜衍射成像、在軌裝配成像等多種技術(shù)同步發(fā)展。

3.1歐洲

歐洲主要從自身現(xiàn)有的技術(shù)能力出發(fā)，進行技術(shù)途徑的論證，見表1。研究認為，在GEO實現(xiàn)可見光譜段1 m空間分辨率，系統(tǒng)口徑須達到12～25 m[5]。由于口徑一定的條件下，波長越長，分辨率越差，在實現(xiàn)高分辨率可見光成像的同時若具備高分辨率的紅外成像能力，口徑還須擴大。GEO成像使系統(tǒng)接收的光能量大幅度下降，也需要大口徑成像系統(tǒng)。但在目前運載火箭承載能力約束下，從GEO實現(xiàn)3 m分辨率是單體反射鏡成像技術(shù)的極限，優(yōu)于3 m分辨率必須使用空間分塊可展開、“光學合成孔徑”(OSA)成像等新型技術(shù)[6]。最終認為空間分塊可展開和OSA等新型大口徑成像技術(shù)會大幅度增加研制成本，歐洲的OSA技術(shù)也遠未成熟，此外，這些新技術(shù)短時內(nèi)難以帶來空間分辨率數(shù)量級上的提高。未來，歐洲的主要技術(shù)攻關(guān)力量仍放在大口徑單體反射成像系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)上。

表1 歐洲GEO高分成像系統(tǒng)的技術(shù)途徑論證

3.2美國

美國NASA在下一代大口徑高分辨率天基成像系統(tǒng)的研究中，揭示了同樣適用于GEO高分辨率光學成像系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展路線圖[7]。美國在技術(shù)體制選擇上明顯多于歐洲，提出了5種主要技術(shù)體制，包括大口徑單體反射鏡成像技術(shù)、空間分塊可展開成像技術(shù)、在軌裝配成像技術(shù)、光學合成孔徑成像技術(shù)和薄膜衍射成像技術(shù)。3種不同的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)可實現(xiàn)口徑與系統(tǒng)成本和復雜度之間的對應關(guān)系，如圖2所示。

圖2 NASA提出的天基高分辨率成像系統(tǒng)技術(shù)對比圖Fig.2 Technology roadmap of space-based high resolution imaging system proposed by NASA

圖2中，成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)和“無”結(jié)構(gòu)，分別指傳統(tǒng)的單體反射鏡成像系統(tǒng)、具有可展開結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)和基于編隊飛行衛(wèi)星的成像系統(tǒng)。其中，柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括分塊可展開反射成像系統(tǒng)和在軌可展開的薄膜衍射成像系統(tǒng)等。“無”結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)是由兩顆或多顆衛(wèi)星編隊，采用光學合成孔徑技術(shù)或薄膜衍射技術(shù)等。在總體上，口徑越大，技術(shù)復雜度越高，但薄膜衍射成像系統(tǒng)既可實現(xiàn)較大口徑，在復雜度上與分塊可展開系統(tǒng)基本持平。

目前，美國通過詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)項目已開展了空間分塊可展開技術(shù)的工程化、通過“先進反射鏡技術(shù)發(fā)展”(AMTD)項目積極攻關(guān)大口徑單體反射鏡成像技術(shù)、通過“輕型成像技術(shù)試驗”(UltraLITE)等項目攻關(guān)光學合成孔徑成像技術(shù)，通過“莫爾紋”(MOIRE)項目攻關(guān)薄膜衍射成像技術(shù)。美國GEO高分成像系統(tǒng)技術(shù)呈多技術(shù)體制百家爭鳴的局面，結(jié)合美國軍民方面提出的相關(guān)研究項目，說明美國主要考慮技術(shù)突破。

4 歐美GEO高分辨率衛(wèi)星成像系統(tǒng)發(fā)展概況

4.1大口徑單體反射鏡成像系統(tǒng)

大口徑單體反射鏡成像技術(shù)利用較大口徑的單體反射鏡作為成像系統(tǒng)主鏡，在若干高軌高分辨率光學成像系統(tǒng)中，該技術(shù)在成像原理上雖沒有創(chuàng)新，但技術(shù)復雜度最低。對比分塊可展開成像系統(tǒng)，單體反射鏡望遠鏡有更一致、更對稱和更穩(wěn)定的點擴散函數(shù)，成像質(zhì)量優(yōu)于拼接式主鏡，并且可避免在軌展開帶來的風險、不需要復雜的校正和相位控制。但此技術(shù)的缺點是輕質(zhì)大口徑反射鏡制造工藝復雜，主反射鏡口徑不能超過運載火箭整流罩尺寸限制。

近年，美國在預期未來運載火箭整流罩尺寸和運載能力將大幅度增大的前提下，大力發(fā)展大口徑單體反射鏡成像技術(shù)。2011年，NASA開展“先進反射鏡技術(shù)發(fā)展”(AMTD)項目，旨在發(fā)展面密度50～75 kg/m2的4～8 m口徑紫外、可見光和紅外波段均適用的單體空間反射鏡制造技術(shù)，預期在2018年可達到6級技術(shù)成熟度[8]，為NASA的2020年十年調(diào)查論證進行技術(shù)鋪墊。最先進的JWST的分塊拼接主鏡可實現(xiàn)30 kg/m2的面密度，然而成本十分高昂。目前，NASA正在積極推進空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)項目，有望在2026年制造出8.4 m整流罩的SLS運載火箭，實現(xiàn)45 t的日地拉格朗日(SE-L2)運載能力(低軌70～100 t)[9]。隨著大口徑單體反射鏡制造技術(shù)的發(fā)展，8 m口徑的輕質(zhì)反射鏡可以由SLS火箭承載，屆時這種成像系統(tǒng)應用前景將十分可觀。

美國曾在2006年進行了“8 m口徑先進技術(shù)大口徑望遠鏡”(ATLAST-8m)的概念論證工作，該望遠鏡的設(shè)計思想是在戰(zhàn)神-5(Ares-V)重型火箭的SE-L2軌道65 t運載能力的前提下，利用已有的8 m口徑陸基望遠鏡單體主反射鏡的制造工藝來制造天基反射鏡。這種工藝下，0.155 m厚度的8 m口徑超低膨脹玻璃(ULE)材料的反射鏡達到19.25 t。這是一種節(jié)省成本的折中方案，在成像系統(tǒng)技術(shù)上，并沒有突破性發(fā)展。2014年，在AMTD項目第一階段，美國利用堆疊式深孔(stacked core)低溫熔接工藝，制造剛度更好的大口徑單體反射鏡。目前，研制成功1個口徑43 cm，孔深0.4 m，面密度60 kg/m2，曲率半徑2.5 m的反射鏡，為輕質(zhì)的4～8 m口徑單體空間反射鏡的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。以這種工藝制造14 m口徑反射鏡，其質(zhì)量僅為8.5 t[8]。

4.2空間分塊可展開成像系統(tǒng)

空間分塊可展開成像技術(shù)利用分塊子鏡拼接為大口徑主鏡，發(fā)射時折疊、入軌后展開，該技術(shù)的優(yōu)勢是可使系統(tǒng)口徑突破火箭整流罩尺寸限制，目前研究表明，可展開望遠鏡的口徑可以達到火箭整流罩的2.4倍[10]。但可展開成像系統(tǒng)技術(shù)復雜度很高，成本高昂。除復雜的主鏡展開和支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)外，在成像過程中，主動控制技術(shù)必須確保每一塊子鏡保持精確的面形并精密地拼接，形成一個與單體鏡等效的主鏡。若空間分塊可展開成像系統(tǒng)用于對地觀測，還需要自適應光學技術(shù)。

1)“分塊反射鏡望遠鏡”項目

美國軍方重視空間分塊可展開成像技術(shù)的攻關(guān)，21世紀初期，開展了未來成像體系(FIA)計劃，期間開展了“分塊反射鏡望遠鏡”(SMT)項目，研制了原理樣機，如圖3所示。然而，F(xiàn)IA的計劃由于技術(shù)難度大、進度延誤等因素于2005年被終止，SMT樣機由國家偵察局轉(zhuǎn)交海軍研究生院，將分塊拼接主鏡自適應光學技術(shù)作為后續(xù)主攻方向之一。

SMT望遠鏡由6個1 m口徑的碳化硅(SiC)制造的子反射鏡組成3 m口徑的主鏡，每塊子反射鏡背后有6個粗控促動器(CCA)、3個精控促動器(FCA)和156個面形控制促動器(FSA)。成像系統(tǒng)使用自適應光學(AO)系統(tǒng)，如圖3(b)所示，其核心部件是微電子機械系統(tǒng)(MEMS)變形反射鏡(DM)[11]，DM可以校正反射鏡促動器沒有校正的殘留校正誤差和面形誤差[12]。分塊拼接主鏡自適應光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)自適應光學系統(tǒng)最大的不同是，傳統(tǒng)上，由于DM的響應速度遠遠快于波前傳感器的采樣率，可忽略DM的動力學特性。但對于分塊拼接的大口徑主鏡，必須在控制系統(tǒng)設(shè)計中考慮該特性。上述情況說明，AO技術(shù)是實現(xiàn)用于對地觀測的空間分塊可展開成像系統(tǒng)的技術(shù)難點。

圖3 SMT望遠鏡Fig.3 SMT telescope

2)詹姆斯·韋伯空間望遠鏡

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)作為“哈勃”的接替型號，受到美國高度重視，JWST計劃于2018年發(fā)射，是目前世界上采用空間分塊可展開成像技術(shù)的唯一工程化項目。

JWST是工作于地日第二拉格朗日點的天文望遠鏡，在2 μm波段達到角分辨率0.1″的衍射限，根據(jù)其成像能力推算，JWST若部署在GEO進行對地觀測，分辨率約2 m[5]。JWST主鏡由18個對角距離為1.52 m的六邊形分塊子鏡組成，等效為口徑6.5 m的單體反射鏡。JWST的光學系統(tǒng)采用同軸三反射鏡消像散設(shè)計，系統(tǒng)焦距為131.4 m。

對分塊拼接系統(tǒng)，子鏡共相位是嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，這要求在軌對波前誤差進行監(jiān)測，再利用子鏡背后的促動器進行位置的調(diào)整從而實現(xiàn)共相位。JWST對于子鏡的面形精度要求為優(yōu)于20 nm均方根(RMS)，對于整個光學系統(tǒng)的波前誤差要求小于131 nm(RMS)。JWST的近紅外相機(NIRCam)承擔波前誤差探測的同時，也承擔科學觀測任務(wù)，是一部造價昂貴、技術(shù)復雜的相機系統(tǒng)。NIRCam內(nèi)有2種用于波前探測的關(guān)鍵元件，包括相位差異透鏡(也稱弱透鏡)和衍射哈德曼傳感器(DHS，也稱色散式哈德曼傳感器)。波前探測和控制的主要過程分為粗定相和精確定相。在粗定相中，DHS利用離散條紋傳感技術(shù)(DFS)，確定子鏡間的平移相位誤差，粗定相過程可將垂直誤差降到250 nm。在精確定相中，弱透鏡位于短波波段出瞳輪和濾光輪上，用于產(chǎn)生已知離焦量的圖像，作為子鏡面形誤差迭代計算算法的輸入，為促動器提供位置調(diào)整量，精確定相后，波前誤差優(yōu)于50 nm(RMS)[13]。促動器進行子鏡位置精確調(diào)整，精確調(diào)整距離為10 μm、調(diào)整步長7.7 nm、調(diào)整重復精確度2 nm；粗調(diào)距離21 mm，步長58 nm[14]。

此外，用于在L2軌道空間觀測的JWST和對地觀測的SMT望遠鏡最大的區(qū)別是前者不需要頻繁的機動，而后者需要頻繁側(cè)擺機動以觀測不同的地面目標，這對衛(wèi)星平臺和光學系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。SMT所處的GEO空間熱環(huán)境比L2軌道復雜，遮光系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)設(shè)計與JWST不同。

4.3“光學合成孔徑成像系統(tǒng)”

“光學合成孔徑成像”(OSA)系統(tǒng)基于干涉成像原理，用小孔徑系統(tǒng)通過光學手段合成大孔徑系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高分辨率成像。OSA系統(tǒng)主要分為稀疏孔徑成像系統(tǒng)和長基線干涉重構(gòu)成像系統(tǒng)。后者技術(shù)難度更大，本節(jié)主要介紹稀疏孔徑成像系統(tǒng)的發(fā)展。稀疏孔徑成像系統(tǒng)優(yōu)勢是避免大口徑鏡片的加工，利用小孔徑系統(tǒng)降低發(fā)射成本。缺點是稀疏孔徑成像系統(tǒng)以犧牲光通量為代價，信噪比降低。系統(tǒng)成理想像必須滿足等光程條件，即共相位，誤差監(jiān)測和精密相位調(diào)整使得光學合成孔徑成像工程實現(xiàn)十分困難。在結(jié)構(gòu)設(shè)計、子鏡面形控制等方面都有很大難度。目前，國外OSA系統(tǒng)發(fā)展緩慢，在軌應用還有待關(guān)鍵技術(shù)的突破。

4.3.1 歐洲

在ESA支持下，2010年，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司(Thales-Alenia Space)承擔了“面向靜止軌道1 m分辨率”(Towards 1m from GEO)項目，其目的是研究光學合成孔徑系統(tǒng)的能力及限制，重點研究該技術(shù)在靜止軌道對地觀測衛(wèi)星領(lǐng)域的實現(xiàn)途徑；預研約1 m分辨率的光學合成孔徑成像衛(wèi)星及載荷系統(tǒng)；研究靜止軌道高分辨率衛(wèi)星的應用；鑒別與未來成像體制相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出技術(shù)發(fā)展路線圖[15]。

經(jīng)過研究[15]，除分辨率指標外，調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)與信噪比(SNR)對于圖像質(zhì)量是非常重要的。對于OSA成像衛(wèi)星，若要達到分辨率2 m，同時達到低軌“昴宿星”衛(wèi)星MTF與SNR的乘積為7的水平，在可見光和近紅外譜段，系統(tǒng)口徑需要達到12 m，而對于中波紅外和熱紅外譜段，需要20 m和40 m的口徑。由于技術(shù)要求太高，該項目最終將設(shè)計分辨率定為星下點2 m，MTF與SNR的乘積設(shè)定為4。成像系統(tǒng)由6個2 m口徑的子鏡構(gòu)成，外接圓的直徑為5 m，根據(jù)合成孔徑原理，等效口徑為7 m。相機視場0.1°，焦距108 m。為了獲得可接受的MTF，該成像系統(tǒng)28 ms的積分時間內(nèi)，視線穩(wěn)定度需優(yōu)于16.5 nrad。論證認為[15]，歐洲現(xiàn)有的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)無法在該積分時間內(nèi)使視線穩(wěn)定度小于300 nrad，因此需要使用主動式視線精確控制機構(gòu)減小漂移，并使穩(wěn)定度達到需要的數(shù)值。為了實現(xiàn)共相位，利用相位差異傳感器、內(nèi)部測量儀器和變形鏡實現(xiàn)。歐洲的相位差異傳感器目前測量精度可以達到λ/25；內(nèi)部測量儀器主要監(jiān)測主鏡各分塊鏡和次鏡之間的位置誤差；變形反射鏡用于精確校正階段，校正主鏡和次鏡精密校準機構(gòu)沒有校正的殘留誤差[15]。

最終，歐洲認為[15]，OSA系統(tǒng)發(fā)射時折疊，入軌后主鏡展開的工程實現(xiàn)問題較多。用于校正波前誤差的自適應光學變形反射鏡技術(shù)、探測器技術(shù)、共相位技術(shù)、精確指向系統(tǒng)、可展開機構(gòu)和系統(tǒng)遮光罩等技術(shù)的成熟度較低。2025年前后，相關(guān)技術(shù)發(fā)展才有望成熟。

4.3.2 美國

美國已經(jīng)開展了面向天基應用的OSA成像系統(tǒng)原理樣機研制，但相比于其他成像系統(tǒng)，進展仍然比較緩慢，相關(guān)項目多處于停滯狀態(tài)。原因是OSA成像系統(tǒng)對共相位要求極為嚴格，此外，對衛(wèi)星平臺的穩(wěn)定度也提出極高的要求。美國典型項目進展見表2[16-18]。

表2 美國天基OSA成像系統(tǒng)研制情況

4.4薄膜衍射成像系統(tǒng)

衍射成像光學系統(tǒng)由物鏡和目鏡系統(tǒng)組成，物鏡為超大口徑衍射透鏡，目鏡系統(tǒng)一般包括一個中繼光學系統(tǒng)和色差校正系統(tǒng)。衍射成像元件主要有菲涅爾波帶片和光子篩，這兩種器件又分為振幅型和位相型，位相型的衍射效率高，較適于對地觀測。

與傳統(tǒng)的反射式光學系統(tǒng)相比，衍射成像技術(shù)具有獨特的技術(shù)特點，在天基應用方面具有很大潛力。首先，衍射成像器件若使用薄膜材料將使光學系統(tǒng)質(zhì)量輕很多，在實現(xiàn)相同分辨率的前提下，衍射光學成像系統(tǒng)質(zhì)量僅為反射系統(tǒng)的1/7，大幅降低了對火箭承載能力的要求；其次，可采取發(fā)射時折疊、入軌后展開的方式，易于實現(xiàn)天基超大光學口徑；再次，衍射薄膜鏡面形精度要求比反射鏡低很多，降低為反射鏡面形的1%。如圖4所示，降低了制造難度；并且薄膜鏡易于批量化生產(chǎn)，有望大幅降低成本。但是衍射成像系統(tǒng)最大的問題是存在色散，系統(tǒng)譜段響應較窄(約40 nm)，而反射成像系統(tǒng)適用于可見光到紅外的全部譜段。

美國、歐洲均提出了天基衍射成像系統(tǒng)，由于美國所提出的技術(shù)指標最高，本文主要介紹美國的衍射成像系統(tǒng)發(fā)展。

美國早在20世紀末就開始大口徑衍射成像系統(tǒng)的預研，2003年，勞倫斯-利弗莫爾(LLNL)實驗室在“眼鏡”(Eyeglass)項目下，完成靜止軌道超大口徑輕型衍射成像系統(tǒng)方案設(shè)計，該方案計劃由兩個編隊飛行的衛(wèi)星(“物鏡”衛(wèi)星和“目鏡”衛(wèi)星)一起構(gòu)成一個望遠鏡系統(tǒng)，“物鏡”衛(wèi)星攜帶一個口徑20 m的衍射鏡，負責聚集光線并將其聚焦于1 km遠的“目鏡”衛(wèi)星所在位置，“目鏡”衛(wèi)星還帶有色差校正裝置。“物鏡”衛(wèi)星和“目鏡”衛(wèi)星位置誤差需要保持在幾十厘米，傾斜誤差為幾十角秒[19]。

圖4 反射和衍射成像系統(tǒng)對比Fig.4 Comparison between reflective imaging system and diffractive imaging system

衍射效率是衍射成像技術(shù)的一個重要指標，表3總結(jié)了美國在該方面的研究進展。2010年，DARPA開展了“莫爾紋”(MOIRE)項目，全稱為“薄膜光學成像儀實時利用”，目標在靜止軌道實現(xiàn)1 m分辨率，這要求衍射主鏡口徑達到20 m。在該項目下，美國進行了1/6扇面的5 m口徑縮比樣機研制，2013年，利用二元光學加工技術(shù)，制成了單塊口徑80 cm、具有4臺階結(jié)構(gòu)的位相型菲涅爾波帶片主鏡分塊鏡，其衍射效率超過30%，達到當時最高水平，為靜止軌道應用奠定了基礎(chǔ)[20]。同期，美國空軍學院在獵鷹衛(wèi)星-7(FalconSat-7)項目下，攻關(guān)光子篩衍射成像技術(shù)，但目前光子篩的衍射效率較低，如負孔光子篩衍射效率僅為0.35%[21]，在靜止軌道需要0.1 s的成像時間[22]，這對靜止平臺穩(wěn)定度提出極高的要求。

表3 美國衍射成像技術(shù)的發(fā)展情況

天基薄膜衍射成像系統(tǒng)目前的技術(shù)困難主要是由于衍射元件存在色散，因此難以多光譜成像，且系統(tǒng)幅寬較窄，靜止軌道僅能實現(xiàn)10 km的幅寬，需要平臺頻繁側(cè)擺機動，才能夠大范圍觀測。此外，由于衍射成像系統(tǒng)焦距很長，平臺需要伸展出長達60 m的桁架(見圖5)，來支撐衍射薄膜，工程難度巨大，這些問題降低了其實用性。

圖5 10 m口徑MOIRE衛(wèi)星Fig.5 10m aperture MOIRE satellite

4.5在軌裝配成像系統(tǒng)

在軌裝配成像技術(shù)是單次或多次將光學系統(tǒng)部件發(fā)射入軌，在軌由航天員或機器人將若干塊子鏡拼接為大口徑反射主鏡，它與空間分塊可展開系統(tǒng)的不同點在于前者需要展開，而后者避免了展開結(jié)構(gòu)帶來的復雜度，但在軌裝配將難度轉(zhuǎn)移到航天員或機器人拼接裝調(diào)成像系統(tǒng)上。表4總結(jié)了美國在軌裝配成像系統(tǒng)的典型項目情況[23-26]，表5分析了LEO、GEO等軌道在軌裝配的可行性[23]，說明對于GEO成像衛(wèi)星，必須通過機器人在軌組裝。

表4 在軌裝配系統(tǒng)的發(fā)展

表5 在軌裝配成像系統(tǒng)方案

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

在本文所討論的高軌成像系統(tǒng)技術(shù)中，如表6所描述，大口徑單體反射鏡成像系統(tǒng)工程實現(xiàn)難度最低，關(guān)鍵點在于4 m口徑以上、低面密度、高剛度和高面形精度的空間反射鏡制造，國外主要在反射鏡輕量化加工工藝上進行技術(shù)革新，例如采用深孔蜂窩夾心結(jié)構(gòu)低溫熔接工藝。

表6 各類靜止軌道高分辨率光學成像技術(shù)總結(jié)

分塊可展開成像系統(tǒng)、薄膜衍射成像系統(tǒng)和稀疏孔徑成像系統(tǒng)均可在軌展開，因此，主鏡展開技術(shù)是共用的關(guān)鍵技術(shù)。分塊可展開、稀疏孔徑成像系統(tǒng)主鏡均是利用子孔徑進行“拼接”，為了確保精確拼接，必須使用波前傳感和控制技術(shù)。分塊可展開成像系統(tǒng)各子鏡必須嚴格共相位(誤差小于幾分之一甚至幾十分之一波長)時，才能達到與相同口徑的單體主鏡系統(tǒng)相當?shù)某上褓|(zhì)量。此外，若成像系統(tǒng)用于對地觀測，還須使用分塊拼接主鏡的自適應光學(AO)技術(shù)。SMT項目試驗表明，加入自適應光學后，波前誤差峰谷值從5.268λ下降到0.154λ，均方根值從1.234λ，下降到0.023λ(RMS)。

薄膜衍射成像系統(tǒng)技術(shù)難度適中，但目前還少見在軌的對地觀測衛(wèi)星采用過薄膜衍射鏡，使其技術(shù)風險極高，薄膜鏡的在軌展開、支撐結(jié)構(gòu)和面形保持都存在尚待解決和驗證的問題。

美國積極攻關(guān)大口徑單體反射鏡成像系統(tǒng)、空間分塊可展開反射成像系統(tǒng)、稀疏孔徑成像系統(tǒng)和薄膜衍射成像系統(tǒng)。部分項目已進行工程化研制，波前傳感、子鏡精確控制技術(shù)已經(jīng)取得了突破，有望在JWST上得到在軌驗證。分塊拼接主鏡的自適應光學技術(shù)也正在進行原理樣機實驗。同時，美國也注意到薄膜衍射成像系統(tǒng)帶寬窄、視場窄、需超長支撐結(jié)構(gòu)的問題，目前處于技術(shù)攻關(guān)階段。綜上所述，在高軌成像系統(tǒng)技術(shù)中的大口徑單體反射鏡、空間分塊可展開機構(gòu)、波前傳感與控制、分塊拼接主鏡自適應光學技術(shù)、二元衍射成像結(jié)構(gòu)、薄膜鏡在軌展開系統(tǒng)等應該作為關(guān)鍵技術(shù)盡快開展先期攻關(guān)工作。

6 結(jié)束語

本文研究表明，GEO米級分辨率光學成像系統(tǒng)是近年歐美技術(shù)研究熱點領(lǐng)域。如何使成像系統(tǒng)口徑突破火箭整流罩尺寸限制，以及如何在未來火箭運載能力提升的前提下，研制更大口徑的成像系統(tǒng)，進而實現(xiàn)靜止軌道高分辨率，已成為歐美技術(shù)攻關(guān)重點。發(fā)射時可折疊、入軌可展開的成像系統(tǒng)(包括空間分塊可展開、光學合成孔徑和薄膜衍射成像系統(tǒng))以及分次發(fā)射在軌裝配成像系統(tǒng)均可以使最終展開或裝配的成像系統(tǒng)口徑大于火箭整流罩尺寸，這些技術(shù)將帶來革新，屬于新型技術(shù)體制。同時，隨著火箭運載能力的提高，未來整流罩將越來越大，大口徑單體反射鏡成像系統(tǒng)仍然不失為一個重要的系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

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Development Overview on GEO High Resolution Optical Imaging System

LIU Tao1ZHOU Runsong2

(1 Beijing Institute of Space Science and Technology Information，Beijing 100086，China)(2 China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100083，China)

The United States and Europe attach great importance to the development of GEO high resolution optical imaging systems. Application requirements and technology solutions of these country’s GEO 1～3m resolution optical imaging systems are introduced. Technology developments of these systems are studied, including large-aperture monolithic mirror imaging technology, segmented mirror and deployable imaging technology, optical synthetic aperture imaging technology, membrane diffractive imaging technology and in-space assembly imaging technology, and advantages and disadvantages of these technologies are analyzed. Research results could be used as reference of the development of China’s GEO high resolution optical imaging systems.

GEO；high resolution；optical imaging technology systems

V474.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.015

2016-08-17；

2017-06-20

劉韜，男，博士，從事遙感衛(wèi)星情報研究。Email：lttaotao@yeah.net。

(編輯：李多)