空間紅外推掃成像系統探測器光學拼接方法

邱民樸 馬文坡

空間紅外推掃成像系統探測器光學拼接方法

邱民樸1,2馬文坡1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

高分辨率、大視場成像是空間光學遙感器發展的重要方向之一；針對紅外成像系統的特點，文章提出了一種基于像方遠心光路主光學系統與物方遠心光路中繼透鏡組相結合，在主光學系統像面處通過反射鏡分視場實現多探測器組件光學拼接的方法；在此基礎上對影響成像系統可實現性的關鍵問題進行了分析，并給出了解決途徑；最后針對大幅寬成像應用需求，給出了光學拼接實現推掃成像的實例。

紅外探測器 推掃成像 光學拼接 反射鏡調焦 空間遙感

0 引言

在國民經濟建設和國防領域，高分辨率紅外遙感圖像發揮著非常重要的作用，其典型應用包括資源調查、生態環境監測、災害評估等領域。星載或機載對地紅外成像系統在獲取地面目標圖像方面具有快速、高效以及信息量大等諸多優點，成為各國關注的重點。

空間分辨率、輻射分辨率和成像幅寬是體現紅外成像系統性能的三個核心技術指標。隨著技術發展，采用長線陣紅外探測器實現推掃成像方式是提高輻射分辨率、降低遙感器體積和質量的重要技術途徑；應用于陸地資源探測、海洋和環境監測等領域的多種紅外光學遙感器，在特定的空間分辨率下，為了實現大幅寬推掃成像，所需的線陣紅外探測器在數千個像元規模，而目前常見的紅外線陣器件模塊一般為1024像元，需要多片拼接來滿足成像幅寬需求。

對于可見光成像系統，國內外已有多篇相關文獻描述了通過光學拼接實現長線陣推掃成像的方法和途徑[1-7]，但對于紅外成像系統而言，由于受探測器—杜瓦—制冷機一體式結構限定、光學系統后截距較短等約束條件，使得通過光學拼接方法擴大紅外探測器規模的難度大幅增加。

本文針對紅外光學系統以及探測器—杜瓦組件的特點，以規模為1024個像元的線陣紅外探測器組件為例，提出了一種像方遠心光路的主光學系統配合物方遠心中繼透鏡組實現多片線陣紅外探測器組件光學拼接的方案；成像系統像質優良且冷屏效率可達100%；在無需對現有的探測器—杜瓦—制冷機組件進行任何改動的情況下，即可實現擴大成像系統幅寬的目的。

1 光學拼接技術簡介

1.1 可見光焦面光學拼接

光學拼接是利用光學方法，將成像光學系統的視場分割到不同的空間位置，用多塊焦面接收；再通過圖像處理的方法把多塊焦面獲取的圖像進行拼接，從而等效為連續、完整的長線陣成像，實現擴大成像系統幅寬的目的。

從實際應用角度來講，為了達到較好的成像品質、減少后期圖像處理難度，要求光學拼接實現長線陣探測器的方法具有視場無縫、無漸暈，幾何關系固定而且結構形式簡單、可靠等特點[8-14]。

圖1為法國PLEIADES衛星HR相機采用的光學拼接方案示意[5]，首先利用折轉反射鏡把主焦面分為全色和多光譜兩部分，然后分別通過分割反射鏡把線視場分為5段，從而把5片6 000（多光譜1 500）像元線陣焦面拼接為30 000（多光譜7500）像元的長線陣焦面組件。

圖1 法國PLEIADES衛星HR相機焦面光學拼接方案示意

1.2 紅外光學系統的特點

紅外成像系統，特別是紅外光學系統及紅外探測器組件與可見光成像系統的不同點主要體現在以下兩個方面[15-17]。

（1）冷屏與杜瓦限制

出于抑制背景雜散輻射以及探測器制冷等方面的需要，紅外探測器一般是以焦平面—杜瓦—制冷機組件（IDDC）的形式應用于紅外成像系統。

紅外焦平面、杜瓦、冷屏之間的幾何關系如圖2所示：焦平面封裝于杜瓦里面，且杜瓦的體積遠大于紅外焦面的尺寸；冷屏的開口以及到焦平面的距離決定了成像光束的最大錐角；冷屏與焦平面平行且與各自中心的連線垂直，決定了探測器組件的中心軸必須與光學系統光軸重合，即探測器組件的位置既不能平移也不能傾斜，否則將引起光學離焦和漸暈。

冷屏與杜瓦對光學系統出瞳的幾何約束是造成紅外探測器組件光學拼接困難的最直接因素。

圖2 探測器–杜瓦組件結構示意

（2）光學系統后截距影響

受衍射效應的影響，為了提高空間分辨率和輻射分辨率，紅外成像系統的數較小，一般在1~4之間，使得成像光束的錐角增大，光學系統后截距一般小于可見光系統。

而通常情況下，光學系統的數越大，后截距越長，越有利于探測器的拼接。

2 紅外探測器光學拼接原理

2.1 拼接原理

基于前文所介紹的紅外光學系統及探測器組件特點，本文提出了一種光學拼接實現長線陣紅外探測器推掃成像的方法：整個光學系統采用二次成像結構形式，由一個像方遠心的主光學系統和多個（本文以3個為例）完全相同的物方遠心中繼透鏡組組合而成；首先利用平面反射鏡把主光學系統的線視場分為3段，左右兩邊分別向上/向下反射，中間部分直接透過，然后分別直接進入相應的中繼透鏡組成像；在主光學系統與中繼透鏡組之間，光學系統各個視場的主光線都與光軸平行，因此對于3路中繼透鏡組而言，相應的入射光束具有旋轉對稱性；通過合理分配主光學系統與中繼透鏡組之間的參數，可以使組合系統焦距滿足要求，并且3個中繼成像透鏡組的出瞳與探測器組件冷屏完全匹配。

圖3為3個紅外探測器組件光學拼接實現長線陣的光學系統示意，其中圖3（a）為探測器光學拼接系統的俯視圖，圖3（b）為拼接系統的側視圖。

（a）俯視圖（a）Vertical view（b）側視圖（b）End view

2.2 二次成像光學系統的參數分配

圖4為一個典型的二次成像系統光路，由主光學系統和中繼光學系統兩部分組成；探測器組件的冷屏位于像面前一定距離，中繼光學系統的作用在于：把主光學系統所成的一次像成像到探測器組件的焦平面處，并把主光學系統的出瞳成像到探測器組件的冷屏處，最終通過二次成像使得光學系統的焦距滿足要求，并且實現出瞳與探測器組件的冷屏完全匹配。

圖4 二次成像系統組成

組合光學系統的后截距f表示為

主光學系統的出瞳與組合光學系統的出瞳′之間的關系可以表示為

實際上因為本文所提出的光學拼接方法的特殊要求，在具體設計過程只要主光學系統為像方遠心光路，組合光學系統的孔徑光闌設在中繼光學系統的像方焦點處，則式（3）自動成立。

3 探測器拼接光學系統調焦方法

對于空間光學遙感系統，發射時的振動、沖擊以及在軌工作時的氣壓、溫度等環境因素，均會引起相機焦面偏離理想的成像面，因此在軌運行期間一般需要進行焦面調整，以保證良好的成像品質。

鑒于非遠心光路在反射鏡移動過程中，不同視場的主光線與探測器冷屏的夾角會發生改變，不能實現調焦功能，故本文提出了像方遠心主光學系統配合物方遠心中繼透鏡組實現長線陣推掃成像的系統方案。由于遠心光路的主光線與光軸平行，可在拼接光路前面增加一塊平面反射鏡，通過調整反射鏡在光軸方向的位置，即可實現焦面位置的調整。

遠心光路反射鏡調焦的原理如圖5所示，平面反射鏡位于主光學系統與中繼光學系統之間的遠心光路中間，即各視場的主光線均與光軸平行，此時沿光軸方向調節反射鏡的位置，即可前后調整光學焦面的位置，而各視場的主光線與探測器組件的方向不變，所以能保證相應視場的光線進入探測器杜瓦。

圖5 反射鏡調焦方案示意

4 探測器光學拼接實例

根據前文光學拼接實現長線陣紅外探測器推掃成像的方法，結合2.2節光學系統參數分配方法以及可能的空間紅外成像系統應用需求，本節給出具體的實現結果。

4.1 光學系統設計結果

針對如表1所列的空間應用需求，采用離軸三反的主光學系統（孔徑光闌設置在次鏡上），形成像方遠心光路，與物方遠心的透射式中繼成像系統組合，實現紅外線陣器件的光學拼接。

表1 空間紅外成像系統主要參數

Tab.1 Requirements of space infrared imaging system

以3路探測器組件光學拼接為例，圖6給出了滿足表1指標要求的光學系統拼接光路，分別由一個像方遠心離軸三反主光學系統（視場角3.6°）、主光學焦面處的視場分割反射鏡組件以及3路物方遠心光路中繼透鏡組（視場角1.2°）組成；視場分割反射鏡把通過3路中繼透鏡組的光線分別反射到不同方向。

圖6 紅外探測器光學拼接系統光路

圖7為探測器拼接光學系統的MTF曲線，從圖中可以看出，設計的MTF值達到了光學衍射極限，而且各視場的像質一致性較好。

圖7 紅外探測器光學拼接系統光學MTF曲線

圖8為通過光學拼接實現長線陣紅外推掃成像的光學系統調焦光路，從圖中可以看出，通過采用上述光學拼接方法，3個中繼透鏡組之間有較大的空間、互不干涉，可以較好的實現3個拼接光路以及調焦反射鏡之間空間布局。

圖8 紅外探測器光學拼接成像系統反射鏡調焦光路

綜上所述，采用像方遠心光路的離軸三反主光學系統與物方遠心的中繼透鏡組配合，通過在主光學焦面處合理分割主成像視場，可以實現多個紅外探測器組件拼接，能夠較好的滿足長線陣推掃成像的應用需求。

參加光學拼接的3路中繼透鏡組的參數完全一致，所以簡化了系統的設計難度；而且由于中繼透鏡組的直徑較小，使得拼接系統的布局較為緊湊，可實現性高。

4.2 公差分析

對于光學拼接實現長線陣的光學系統方案，中繼透鏡組本身的公差及多路中繼透鏡組之間的一致性是影響工程可行性的關鍵因素。

以中繼透鏡組1為例，表2給出了平移、傾斜等誤差對光學系統焦距、離焦量以及光學系統MTF的影響分析結果。

通過分析可以看出，中繼透鏡組整體沿著、、軸向的平移、繞、軸的傾斜等誤差對光學系統成像性能（MTF）以及3個拼接光路之間的不一致性（焦距）影響很小，通過焦面位置調整基本可以補償，說明這種光學拼接實現長線陣紅外探測器推掃成像的方法合理可行。

表2 紅外探測器光學拼接方案中繼透鏡組公差分析

Tab.2 Tolerance of relay lens for optical butting system

5 結束語

通過分析紅外成像光學系統以及探測器組件的特點，基于目前可獲得的紅外線陣探測器規模，本文針對性的提出一種光學方法實現長線陣紅外探測器組件的拼接，可實現較大視場的推掃成像。

經公差分析，紅外線陣探測器組件光學拼接技術對中繼透鏡組的位置誤差不敏感；無需對現有的紅外探測器組件進行任何修改便可實現，本方法既能滿足多種應用對長線陣紅外探測器組件的迫切需求，也能用于擴展成像系統的視場和紅外探測器組件的備份（不需要切換機構等活動部件），或者通過兩個探測器組件并排錯開0.5個像元間隔放置實現穿軌方向的過采樣成像等多種應用。

References)

[1] 李延春, 董吉洪, 陳立恒, 等. 緊湊型多光譜空間光學遙感器焦平面的設計與拼接[J]. 光機電信息, 2010, 27(8): 47-52. LI Yanchun, DONG Jihong, CHEN Liheng, et al. Design and Assembly for a Multispectral Compact Focal Plane of Space Optical Remote Sensor[J]. OME Information, 2010, 27(8): 47-52. (in Chinese)

[2] 徐彭梅, 楊樺, 伏瑞敏, 等. CBERS-1衛星CCD相機的光學拼接、配準和定焦[J]. 航天返回與遙感, 2001, 22(3): 12-15. XU Pengmei, YANG Hua, FU Ruimin, et al. Optical Butting, Registration and Focus-fixing of CCD Camera for CBERS-1 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2001, 22(3): 12-15. (in Chinese)

[3] 李朝輝, 王肇勤, 武克用. 空間相機CCD焦平面的光學拼接[J]. 光學精密工程, 2000, 8(3): 213-216. LI Zhaohui, WANG Zhaoqin, WU Keyong. Optical Butting of CCD Focal Plane for Space Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2000, 8(3): 213-216. (in Chinese)

[4] 任建岳, 孫斌, 張星祥, 等 TDICCD交錯拼接的精度檢測[J]. 光學精密工程, 2008, 16(10): 1852-1857. REN Jianyue, SUN Bin, ZHANG Xingxiang, et al. Precision Measurement of TDICCD Interleaving Assembly[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(10): 1852-1857. (in Chinese)

[5] 呂恒毅, 劉楊, 郭永飛. 遙感相機焦面CCD機械拼接中重疊像元數的確定[J]. 光學精密工程, 2012, 20(5): 1041-1047. LV Hengyi, LIU Yang, GUO Yongfei. Computation of Overlapping Pixels of Mechanical Assembly CCD Focal Planes in Remote Sensing Cameras[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(5): 1041-1047. (in Chinese)

[6] 郭疆, 龔大鵬, 朱磊, 等. 測繪相機焦平面CCD交錯拼接中重疊像元數計算[J]. 光學精密工程, 2013, 21(5): 1251-1256. GUO Jiang, GONG Dapeng, ZHU Lei, et al. Calculation of Overlapping Pixels in Interleaving Assembly of CCD Focal Plane of Mapping Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(5): 1251-1256. (in Chinese)

[7] 肖占全, 翟林培, 丁亞林, 等. 光學拼接誤差對TDI-CCD相機的影響[J]. 半導體光電, 2008, 29(5): 795-798. XIAO Zhanquan, ZHAI Linpei, DING Yalin, et al. Research of Optical Assembly Errors Effects on TDI-CCD Camera[J].Semiconductor Optoelectronics, 2008, 29(5): 795-798. (in Chinese)

[8] 李丙玉, 王曉東, 李哲. 在軌完成CCD非均勻性校正的方法[J]. 液晶與顯示, 2011, 26(2): 255-259. LI Bingyu, WANG Xiaodong, LI Zhe. Method of CCD Non-uniformity Correcting in Orbit[J]. Liquid Crystals and Displays, 2011, 26(2): 255-259. (in Chinese)

[9] 童子磊. CCD相機的像移補償技術[J]. 激光與紅外, 2005, 35(9): 628-632. TONG Zilei. Compensation Technology for the Image Motion of CCD Camera[J]. Laser & Infrared, 2005, 35(9): 628-632. (in Chinese)

[10] 閆得杰, 徐抒巖, 韓誠山. 飛行器姿態對空間相機像移補償的影響[J]. 光學精密工程, 2008, 16(11): 2199-2203. YAN Dejie, XU Shuyan, HAN Chengshan. Effect of Aerocraft Attitude on Image Motion Compensation of Space Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(11): 2199-2203. (in Chinese)

[11] 樊超, 李英才, 易紅偉. 偏流角對TDICCD相機像質的影響分析[J]. 光電工程, 2007, 34(9): 70-73. FAN Chao, LI Yingcai, YI Hongwei. Influence Analysis of Drift Angle on Image Quality of TDICCD Camera[J]. Opto-electronic Engineering, 2007, 34(9): 70-73. (in Chinese)

[12] ROGALSKI A. Progress in Focal Plane Array Technologies[J]. Progress in Quantum Electronics, 2012, 36(2): 342-473.

[13] 朱鼎勛, 陳紹菱. 空間解析幾何學[M]. 北京: 北京師范大學出版社, 1984. ZHU Dingxun, CHEN Shaoling. Analytic Geometry of Space[M]. Beijing: Beijing Normal University Publishing House, 1984. (in Chinese)

[14] 耿文豹, 翟林培, 丁亞林. 振動對光學成像系統傳遞函數影響的分析[J]. 光學精密工程, 2009, 17(2): 314-320. GENG Wenbao, ZHAI Linpei, DING Yalin. Analysis of Influence of Vibration on Transfer Function in Optics Imaging System[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(2): 314-320. (in Chinese)

[15] SMITH W J. Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems[M]. 3rd ed. New York: McGraw-Hill., 2000:45-49.

[16] SULTANA J A, O’NEILL M B. Design, Analysis and Testing of a CCD Array Mounting Structure[C]//Proceedings of SPIE Vol. 1532, Analysis of Optical Structures. San Diego, California, USA: SPIE, 1991.

[17] JORDEN P R, MORRIS D G, POOL P J. Technology of Large Focal Planes of CCDs[C]//Proceedings of SPIE Vol. 5167, Focal Plane Arrays for Space Telescopes. San Diego, California, USA: SPIE, 2004.

[18] 張以謨. 應用光學[M]. 北京: 電子工業出版社, 2008: 8. ZHANG Yimo. Applied Optics[M]. Beijing: Electronic Industry Publishing House, 2008: 8. (in Chinese)

[19] LE GOFF R, PRANYIES P, TOUBHANS I. Focal Plane AIT Sequence: Evolution from HRG-SPOT5 to PLEIADES-HR[C]//Proceedings of ESA/CNES ICSO 2006. Noordwijk, The Netherlands: ESTEC, 2006.

[20] DOUGLASS J W, MOORE R L. Demonstration of an Opticallly-butted Infrared Sensor[C]//Proceedings of SPIE Vol. 1059, The International Society for Optical Engineering. [S.l.]: SPIE, 1989: 180-187.

[21] BERNIER J, PLAINCHAMP P, BARDON D. Infrared Pushbroom Camera Breadboard Using Off-the-shelf 2D Array of Detector[C]//Proceedings of SPIE Vol. 2209, The International Society for Optical Engineering. [S.l.]: SPIE, 1994: 262-274.

Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems

QIU Minpu1,2MA Wenpo1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

High resolution and large FOV represent the developing trends of space optical imaging systems, Considering the characters of infrared optical systems, a new optical butting concept with low cost and technical risk is presented in this paper, which offers the promise of butting smaller arrays into long linear detector assemblies. The design method of optical butting is described, and a hypothetical system is demonstrated as well.

infrared detector; pushbroom imaging systems; optical butting; refocusing; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2019)06-0051-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.007

邱民樸，男，1979年生，2012年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業博士學位，研究員。研究方向為空間光學遙感成像技術。E-mail：qiumpu@163.com。

2019-05-08

國家重大科技專項工程

邱民樸, 馬文坡. 空間紅外推掃成像系統探測器光學拼接方法[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(6): 51-58.

QIU Minpu, MA Wenpo. Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 51-58. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）