國外衛星光學遙感器前沿技術發展探析

陳建光 （中國航天系統科學與工程研究院）

國外衛星光學遙感器前沿技術發展探析

Analysis on the Emerging Technology of Foreign Satellite Optical Remote Sensor

陳建光 （中國航天系統科學與工程研究院）

衛星遙感利用衛星平臺搭載光學、雷達、紅外等遙感器，獲取地球陸地、海洋和大氣的特征信息，形成圖像以及反映物質成分的光譜信息等遙感產品。國外正在大力發展天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開光學成像、天基光學合成孔徑成像、天基超光譜成像等新型衛星遙感技術，實現在空間、時間、光譜等不同維度的高分辨率光學探測。

1 國外衛星光學遙感器前沿技術發展重點

高軌高分辨率光學成像是未來實現持續目標偵察與監視的重要途徑。目前的成像衛星盡管已實現0.5m空間分辨率，但主要部署在700km以下的低地球軌道，僅能在飛經目標上空時才能進行十幾分鐘“過頂”觀測，再次重訪需要1天以上。天基薄膜衍射成像、空間分塊可展開光學成像、天基光學合成孔徑成像等技術可有效解決研制和部署大口徑光學系統的技術瓶頸，在距離地球表面約36000km的地球靜止軌道實現高分辨率“凝視”成像，滿足對目標連續監視以及緊急事態響應的需求。

高光譜分辨率成像是辨析未來戰場態勢的重要手段。天基超光譜成像技術可在成百上千個近似連續的光譜譜段上成像，分析出被喻為物質“指紋”的光譜特征，辨別目標物質成分，進而識別偽裝。

2 典型衛星光學遙感器前沿技術

天基薄膜衍射成像技術開辟高軌高分辨率成像衛星的新途徑空間分塊可展開光學成像技術推動大口徑光學系統的空間應用

薄膜衍射成像技術采用衍射成像原理，利用輕質可折疊薄膜替代傳統光學系統鏡片，解決高軌道（如地球靜止軌道）光學成像衛星光學口徑的瓶頸問題。

美國“莫爾紋”項目地面樣機

菲涅爾波帶片（左）和光子篩（右）

天基大口徑衍射成像系統的概念最早是美國在1996年提出的，并在2003年成功研制和測試了一個5m口徑的原理樣機，驗證了天基衍射成像技術的可行性。2010年后，美國開展了基于不同衍射薄膜的“莫爾紋”（MOIRE）、獵鷹衛星-7（FalconSat-7）等項目，探索利用天基薄膜衍射成像技術實現高軌高分辨率成像的技術途徑，并且取得重大突破，其他國家尚未實施類似項目。“莫爾紋”項目采用一組透明和不透明同心圓環間隔組成的光柵薄膜（即菲涅爾波帶片），已在2014年完成5m口徑地面樣機的衍射成像試驗，技術成熟度達到4級；獵鷹衛星-7項目采用表面布滿微孔環帶陣列的光子篩薄膜，具有較高的光束聚焦性能，技術成熟度達到7級。美國計劃在2018年發射1顆立方體衛星，開展在軌飛行試驗。

天基薄膜衍射成像技術實現應用需要突破兩大關鍵技術，包括高控制精度衛星平臺和輕質衍射薄膜技術。首先，由于衍射成像系統的焦距較長，高控制精度衛星平臺應滿足所需長支撐結構或者雙星編隊飛行的需求。例如，部署在地球靜止軌道的20m口徑偵察衛星，其支撐結構長度需要達到50m。其次，輕質衍射薄膜可大幅降低光學系統質量和加工要求。在相同分辨率下，薄膜衍射成像系統的質量僅為反射光學系統的1/7，且對鏡面加工精度的要求降至反射系統的1/2，易于批量生產。

天基薄膜衍射成像技術未來可應用在高軌或者低軌成像偵察衛星系統。一是應用于地球靜止軌道高分辨率成像偵察衛星，美國計劃研制一顆20m口徑的偵察衛星，實現視場10km×10km、分辨率1m、成像速率1幀/秒的地球靜止軌道連續成像；二是構建低軌小衛星星座，利用輕質、小型的薄膜衍射成像系統獲取高分辨率圖像，“按需”向前線作戰人員提供可靠的持續監視圖像。

天基薄膜衍射成像技術代表了高分辨率光學成像衛星的一個重要發展方向。無論是高軌衛星還是低軌衛星星座，都將使美軍實現有效的全球偵察，以及對目標的連續、實時監視。這種實時、近實時的高分辨率成像偵察能力將撥開“戰爭迷霧”，推動游戲規則的變革。

空間分塊可展開光學成像技術采用“分塊”概念，將大口徑（如3m以上）光學系統的主鏡分成多個尺寸較小的輕量化子鏡，經折疊后可適應運載火箭對載荷尺寸的要求，入軌后展開并鎖定，按設計的排列方式拼接形成一個主鏡。

分塊拼接鏡片的設計方案最早在1977年提出，用于建造地基天文望遠鏡，并在1993年首次應用于10m口徑的“凱克”（Keck）望遠鏡。其主鏡由36塊子鏡拼接而成。美國在1996年提出利用該技術研制“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”（JWST），同期也曾研制“分塊反射鏡望遠鏡”偵察衛星，但在2005年完成樣機研制后終止。空間分塊可展開光學成像技術主要由美國開展研究，已處于工程研制階段，“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”實現該技術的首次空間應用。該望遠鏡主鏡由18個六邊形子鏡拼接成一個口徑6.5m的鏡片，約為美國現役“鎖眼”（Keyhole，KH）偵察衛星主鏡口徑的2倍；發射時，兩側的分塊子鏡可向后折疊，使整星包絡直徑小于4.5m，以滿足運載火箭的整流罩尺寸要求。“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”盡管設計用于天文觀測，也為未來的對地成像偵察奠定了技術基礎，如果部署在地球靜止軌道，可實現1.75m分辨率，且具備對目標的持續監視能力。受限于現有運載火箭能力，大口徑的空間分塊可展開光學系統必須采用超輕質分塊子鏡，以折疊狀態發射并在入軌后展開，涉及輕量化鏡片材料、鏡片面形精度、子鏡拼接、精密展開、自適應光學等多項關鍵技術。輕量化鏡片技術是其中的關鍵。美國歷經11年才實現“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”主鏡的工程研制，其輕量化鈹鏡的面密度僅為10.3kg／m2，是“哈勃空間望遠鏡”（HST）的1/16，大幅降低了衛星質量。

“凱克”地基望遠鏡

空間分塊可展開光學成像技術是實現大口徑光學系統空間應用的重要途徑。該項技術的工程應用具備在地球靜止軌道實現1米量級高分辨率成像偵察的能力，并且可借助對地相對靜止的優勢，使對目標的持續偵察監視成為可能。這種能力將能夠顯著增強對戰場態勢的感知能力，提供實時的戰前戰后偵察和評估，有效支持戰術行動計劃的制定和執行。

天基光學合成孔徑成像技術處于方案設計和驗證階段

天基光學合成孔徑成像技術利用精確排列的多個小口徑光學元件或者光學系統，使通過各子孔徑的光束在成像傳感器上實現干涉成像，達到大口徑光學系統的分辨率，且可有效避免大口徑光學系統的加工難度。

“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”

“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”主鏡的在軌展開過程

由3個或6個子孔徑組成的光學合成孔徑成像方案

光學合成孔徑成像技術可分為斐索干涉成像和邁克爾遜干涉成像兩種類型，在20世紀80～90年代均已應用于地基天文觀測，天基應用仍處于方案設計和驗證階段，美國處于全球領先水平，歐洲也在積極探索相關技術。

斐索干涉成像將不同子孔徑的光束匯聚后可直接形成目標的模糊像，經圖像恢復運算得到清晰圖像，因此成為早期天基應用研究的重點。美歐從20世紀90年代末開始陸續提出多望遠鏡結構、共次鏡結構等方案，但均未能進入工程研制階段，如歐洲“地球靜止軌道1米分辨率”方案等。邁克爾遜干涉成像通過測量不同子孔徑光束形成的干涉信息，如振幅和相位等，經逆傅里葉變換得到目標圖像。由于需要測量大量的干涉信息，邁克爾遜干涉成像雖然可通過長基線獲得極高分辨率，但成像周期長達數小時，多用于對靜止目標成像，如天文觀測。近年來，美國正在研發利用大規模微型干涉儀陣列的干涉成像系統，即“蜘蛛”（SPIDER，即“分塊式平面光電成像”探測器）系統，通過增加干涉測量基線數量，將成像周期大幅降低到數百毫秒。

基于大規模微型望遠鏡陣列的“蜘蛛”成像儀

光學合成孔徑成像技術的天基應用不僅要具備相位同步、圖像恢復與增強、高穩定姿態控制等關鍵技術，還必須采用輕質光學系統。其中，斐索干涉成像可利用多個小鏡片取代單個鏡片，降低了研制難度和系統質量；在邁克爾遜干涉成像方面，“蜘蛛”系統的核心器件光子集成電路采用微機電加工工藝制造，整個系統的尺寸和質量僅為傳統系統的1%，且相同口徑情況下成像水平可提高10倍以上。該系統有望在未來5～10年達到實用化程度，可應用于小型衛星、無人機平臺等。

天基光學合成孔徑成像技術是高分辨率衛星光學遙感器的新發展途徑，盡管目前處于方案設計和技術驗證階段，但應用于大口徑光學系統的潛力巨大。該技術既可用于高軌大口徑偵察衛星，也可用于目前正在創造“軌道革命”的微小衛星，形成高分辨率低軌衛星星座，從而為未來軍事行動提供廣泛的偵察與監視、目標變化監測等戰術支持。

天基超光譜成像技術正在從技術試驗轉向業務應用

天基超光譜成像技術是一種在數百到數千個“連續”的光譜譜段獲取目標區域圖像的衛星遙感技術。由于在接近連續譜段成像，超光譜成像可獲取目標的光譜“指紋”，從而用于辨別目標物質成分或者識別偽裝，可廣泛應用于軍事偵察、環境監測等領域。

國外在20世紀末開始探索超光譜成像技術的天基應用，美國、歐洲、日本已陸續實施多個在軌試驗項目。與多光譜成像衛星通常僅采用幾個目標特征譜段成像不同，超光譜成像衛星的成像譜段可達到數百到數千個。現有在軌試驗衛星的成像譜段超過400個，主要覆蓋可見光／近紅外譜段，光譜分辨率已達到1～5nm（多光譜成像衛星的光譜分辨率通常大于100nm）。其中，美國的戰術衛星-3（TacSat-3）已驗證了天基超光譜成像技術的戰術支持能力，響應時間為10～30min。目前，天基多光譜成像與超光譜成像比較技術正在從技術試驗轉向應用，美國、歐洲已開始規劃和構建利用超光譜成像技術的商用、民用遙感衛星系統。美國率先提出在2018年構建全球首個商用超光譜成像衛星系統，可通過商業采購或其他形式滿足目標偵察、偽裝識別等軍事應用的需求。

多光譜成像與超光譜成像比較

為實現數百上千的成像譜段，天基超光譜成像技術必須解決光譜分離問題。目前較先進的分光技術是利用外加射頻使各向異性的晶體形成光柵，通過調節射頻選擇成像譜段。例如，在計算機控制下液晶可調濾波片具備400個成像譜段，且光譜分辨率達到5nm。

天基超光譜成像技術的連續光譜成像能力可獲取目標的精細光譜特征，在軍事上可廣泛應用于作戰環境探測、軍事裝備的偵察和偽裝識別、戰場上的武器（如核武器或生化武器）利用情況分析，以及確定海灘特征和水下危險物等，支持海軍近海作戰。結合高軌高分辨率偵察衛星、低軌偵察衛星星座，天基超光譜成像技術可大幅擴展基于衛星的戰場態勢感知能力，形成在空間、時間、光譜等不同維度的全面感知。

3 總結

國外衛星光學遙感器技術未來重點發展對戰役戰術行動的支持能力，不僅要求能夠提供高分辨率衛星圖像，并已著手改進重訪時間和加強對圖像的特征分析。通過發展上述衛星光學遙感器前沿技術，美國、歐洲等期望實現在全球范圍的多維度、綜合探測能力，加強對重點目標的定位和持續監視，強化對戰場態勢感知的“單向透明”能力，確保掌控戰爭進程。