資源一號02D衛星可見近紅外相機技術與驗證

李慶林 徐先鋒 魏志勇 袁安波 張占東 安萌 于生全

(1 北京空間機電研究所，北京 100094)(2 北京空間機電研究所 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094)(3 重慶光電技術研究所，重慶 400060)(4 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

隨著遙感器技術的進步，空間遙感器相機向著多譜段、大幅寬、實時傳輸等方向不斷發展。獲取多個譜段的景物信息對資源普查、礦物勘測、農作物監測等具有極高的應用前景。然而受現有成像探測器研制工藝限制，目前較為成熟的成像探測器一般不多于5個譜段，例如資源三號多光譜相機具有4個多光譜譜段[1]，資源一號01星CCD相機具有1個全色和4個多光譜譜段。要想獲取更多的譜段圖像需要增加遙感相機的數量來實現，由此引起衛星尺寸和質量成倍增加。為了降低衛星尺寸和質量，資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)主載荷——可見近紅外相機通過光路分光設計實現擁有1個全色和8個多光譜譜段，提升了遙感相機譜段的數量，滿足了目前對多譜段的迫切應用需求。

可見近紅外相機在研制過程中從四色探測器國產化研制入手，解決了雙通道間像元配準難題、焦面設計面對調焦機構設置、集成電路及主動控溫等多學科交叉難題，實現在軌相機大幅寬、譜段數量多，極大提高了國土資源普查效率。本文闡述了可見近紅外相機系統的技術指標與相機采用的關鍵設計技術，地面環境試驗與性能測試結果，以及在軌測試情況。

1 相機組成及工作原理

可見近紅外相機由光機主體、視頻信號處理器、管理控制器和二次電源組成。系統組成框圖如圖1所示?？梢娊t外相機模裝圖如圖2所示。

當衛星飛行時，可見近紅外相機采用推掃成像方式，將來自地面的信息經光學系統傳遞到到兩個通道的焦面探測器上，探測器將入射光信號轉換為電信號，電信號經視頻信號處理器進行放大和模數轉換等處理后送給數傳分系統和地面圖像采集處理系統。

可見近紅外相機主要技術指標如表1所示。

表1 可見近紅外相機主要技術指標Table 1 Key technical parameters of visible and near-infrared camera

續 表

2 相機關鍵技術及實現

2.1 雙通道多譜段高集成焦平面技術

焦平面是相機光機主體的重要組成部分，焦面的熱穩定性、結構穩定性直接影響光學系統的成像質量，對相機總體質量和可靠性起著至關重要的作用?？梢娊t外相機譜段數多達9個，在有限的空間內實現通道分光、多譜段成像、探測器拼接、電路板安裝、探測器散熱等功能，是焦平面設計的難點。經過多種方案的分析對比，綜合考慮多譜段需求和光學設計難度，最終采用雙通道焦面成像形式。相機光學系統在焦面處通過分光鏡分光，形成兩個成像通道，兩個通道分別采用五色和四色探測器成像[2]。雙通道多譜段高集成焦平面技術能夠獲取更多的地面景物元素，通過一臺相機獲取以往兩臺相機才能獲取的景物信息，提高了單臺相機的利用率，節省了載荷成本。

由于采用雙通道組合焦面形式，焦面部分的熱控及電路組件需要高度集成。首先探測器背面采用小型組合槽道熱管耦合熱量并外接散熱面進行散熱，因為功耗差異，兩個焦面通道獨立控溫散熱。焦面電路組件與探測器直接插接，通過隔熱結構件實現其在焦面拼接結構上的隔熱安裝。焦面熱源除了探測器還有焦面電路部分，焦面電路采取大型槽道熱管耦合熱量并外接散熱面的形式進行散熱。可見近紅外相機焦面拼接線陣總長達330 mm，焦面主框架及雙通道拼接基框均采用鈦合金，同時焦面主框架、拼接基框、探測器槽道熱管、焦面電路結構件上均設有主動控溫回路，保證了相機在軌成像期間內的圖像穩定性?？梢娊t外相機高集成度焦平面如圖3所示。

圖3 高集成雙通道焦面結構示意圖Fig.3 Mechanical model of dual channel focal plane assembly

2.2 自主研發國產多光譜探測器研制

可見近紅外相機中四色焦面通道探測器采用了自主研發的國產多光譜四色TDICCD器件。四色探測器研制過程中攻克了探測器流片工藝空間適應性和可靠性、探測器性能指標及接口的符合性、探測器多光譜濾光片的設計加工及考核驗證[3-4]、探測器的封裝對準以及探測器的拼接配準等難關。

四色TDICCD探測器如圖4所示，通過各項測試四色探測器多項性能優于同類進口器件。四色探測器采用電荷連續轉移模式對成像系統進行像移補償，有效提高系統動態傳函。自主研發探測器的“定制性”不僅節約成本，還可顯著提升遙感相機的成像質量。

圖4 四色TDICCD實物圖Fig.4 Picture of four-multispectral TDICCD sensor

2.3 通道焦面高精度配準技術

多通道成像可有效地利用光學系統的線視場范圍，降低光學設計難度，但同時帶來了通道間的配準問題。為獲得高品質的多譜帶融合圖像，不同通道探測器間各譜帶像元位置要求在光學空間上一一對準，以保證通道間圖像的融合精度。經分光鏡分光后的不同通道探測器分屬不同結構組件，在不同結構組件間實現探測器亞像元級的配準精度非常困難。針對通道間配準精度測試，研制了一款用于該相機的九譜段焦面配準測試儀，配準測試工作原理如圖5所示。使用平行光管對狹縫成無限遠像，狹縫模擬目標同時照明雙通道上的九個譜段，分別在四色五色探測器上成放大的狹縫像，通過灰度重心法提取狹縫像質心位置，依據質心位置調整焦面通道位置，實現通道間的高精度配準。該方法能夠對兩個通道的譜段同時照明成像，在同視場下調整配準，不受環境及測試轉臺等外界因素的干擾，測試穩定性高。另外，不同于傳統的人眼識別判讀像元位置，為定性判讀，精度低，該測試儀基于數字圖像處理的質心提取方法，屬定量判讀，結果準確可靠，可見近紅外相機雙通道間的配準精度優于0.3像元。

圖5 圖像配準測試工作原理圖Fig.5 Principle diagram of image registration test

2.4 相機主體高剛度、高穩定性結構設計

可見近紅外相機采用三反離軸光學系統，根據光學系統特點，相機主體結構選用整體框架結構形式[5-6]，材料選用鑄造鈦合金。通過有限元仿真分析[7]，相機主體結構一階模態頻率達119.7 Hz，相機主體結構模態如圖6所示。

為減少衛星發射段傳遞給相機的振動載荷，相機采用阻尼隔振技術[8-9]，該方法是一種結構簡單且又高效的隔振方法，其結構如圖7所示。通過隔振大大降低了相機在衛星發射段的振動響應，確保了相機在衛星發射過程中的安全，保證在軌圖像質量。

相機設計時采用與星敏感器一體化設計，提高了相機圖像的定位精度，同時相機采用精密控溫設計，確保了相機在軌過程中反射鏡具有秒級穩定性，相機視軸與星敏感器間的角度變化小于10 s的精度。

圖6 相機主體模態圖Fig.6 First order modal simulation results of camera

圖7 阻尼隔振構型圖Fig.7 Structure of vibration isolator

2.5 高精度相機熱控設計技術

資源一號02D衛星運行于太陽同步軌道，可見近紅外相機安裝在衛星艙板外部，暴露于冷黑空間，相機表面各部分所受的輻射能量不均勻，造成其表面溫度分布不均勻和波動。由于離軸式空間相機結構、力熱載荷非對稱的特點，即使整體溫度水平均勻變化，光機結構也將產生非對稱的幾何尺寸變化，由熱引起的光學和機械誤差將導致相機的視軸漂移和波前畸變，嚴重時將影響成像質量甚至無法成像。為保證相機成像質量，需對相機主要部組件進行高精度溫度控制[10]。

1)主要熱控措施

(1)間接輻射控溫

相機外熱流波動大的部位采用局部加裝復材保護板，如圖8所示。結合多層隔熱組件包覆及隔熱墊片設計，極大增加傳熱熱阻，減小相機結構溫度波動。

圖8 保護板安裝示意圖Fig.8 Assembling of protection plate

(2)單回路非均勻加熱

改變單個主動控溫加熱回路熱流密度一致的常用設計，采用同一加熱回路不同電加熱器設計不同熱流密度，實現相機結構非均勻加熱。結合多層隔熱組件包覆及隔熱墊片設計，在不增加相機分系統熱控回路資源的情況下，減小因CCD器件間歇工作帶來的焦面拼接基座溫度波動。

2)被動熱控措施

(1)相機外表面均包覆多層隔熱組件以減小軌道外熱流、空間冷黑背景、衛星艙板及其它載荷等溫度波動對相機的熱輻射影響；

(2)采用分層隔熱墊片極大降低相機安裝位置衛星艙板溫度波動對相機的熱傳導影響；

(3)通過結構-熱控一體化設計實現相機光機結構與其它部組件的強化隔熱；

(4)采用熱管將相機電子設備工作產生的熱量傳遞到散熱面進行排散，以降低發熱部組件的溫度水平，減小CCD器件的暗電流，并確保各電子元器件在許可溫度范圍。

2.6 多線陣全色/多光譜TDICCD低噪聲視頻電路集成技術

由于采用雙通道九譜段成像，相機焦面電路規模龐大，從探測器輸出的模擬信號達一百多路。為了減少模擬信號的長線傳輸，電路設計上將信號的模數轉換部分前移，形成前置的焦面電路[11]。處理完的數字信號再經線纜傳輸至視頻處理器，這種電路設計方式大大減小了成像電路的規模，極大降低了系統的功耗，節省了整星資源。同時由于電路數據采用高速串行接口傳輸，大大提高了系統的抗電磁干擾能力和可靠性。

3 試驗驗證與在軌測試

3.1 環境試驗與測試

為滿足衛星在軌使用要求，可見近紅外相機在研制過程中進行了一系列的試驗驗證、功能性能測試以及外景成像試驗，試驗結果表明可見近紅外相機設計合理可靠，性能滿足指標要求。

3.1.1 振動試驗

為驗證可見近紅外相機的剛度及穩定性，在相機完成總裝后，依次進行了準鑒定級正弦振動試驗與隨機振動試驗，振動試驗前后，對相機傳函、外方位元素及通道間配準精度進行了測試，測試結果表明相機性能穩定，驗證了相機結構的穩定性。

3.1.2 真空熱試驗

可見近紅外相機在真空罐內進行了模擬真空熱試驗，真空熱試驗各工況及試驗前后的測試結果表明，相機熱控達到了設計指標，在模擬熱真空環境中相機性能能夠滿足要求，試驗前后對相機傳函、外方位元素及通道間精度進行了測試，測試結果表明相機具有良好的熱穩定性。

3.1.3 外景成像試驗

可見近紅外相機完成研制后，進行了外景成像試驗，圖9是可見近紅外相機單譜段圖像，從圖像中可以看出相機圖像清晰，圖像信息層次分明，表明相機成像質量良好。

3.2 在軌應用評價

2019年9月13日，資源一號02D衛星首次在軌成像測試，獲得首批影像數據，圖10為可見近紅外相機在軌影像圖。經過在軌測試與評價，可見近紅外相機影像清晰，層次分明，相機性能指標滿足用戶要求。相機關鍵性能指標測試符合性見表2。

圖10 可見近紅外相機在軌影像圖Fig.10 Photographs taken by camera in-orbit

表2 可見近紅外相機指標符合情況Table 2 Compliance of visible and near-infrared camera’s technical parameters

4 結束語

資源一號02D衛星可見近紅外相機作為新一代資源普查相機，將全面接替資源一號02C衛星，開展國土資源1∶5萬比例尺遙感圖像數據業務，將服務于我國國土資源管理、礦產資源勘探、地質災害預警、水質監測等領域，為國計民生的方方面面帶來深刻變革。