航天光學遙感器光學裝調技術現狀與展望

伏瑞敏岳麗清

（1西北工業大學,西安710072）

（2北京空間機電研究所，北京100190）

1 引言

航天光學遙感器工作于外太空環境中，其發射入軌階段的加速度及震動、入軌后輻射、真空等環境對光學系統的設計及裝調提出了不同于地面光學儀器設備的苛刻要求。航天光學遙感器的裝調必須結合使用環境的需求，要保證各光學元件位于正確的位置并符合嚴格的面形要求，還需要保證光學元件的高可靠性，對于大口徑光學系統還應考慮重力影響。總之，保證遙感器的光學系統在軌像質優異是遙感器光學裝調追求的最終目標。

2 國外航天光學遙感器發展介紹

航天光學遙感器光學裝調技術與遙感器的發展需求是緊密結合在一起的。自從人類發射第一顆遙感衛星以來，衛星遙感圖像的空間分辨率不斷刷新，20世紀70年代美國陸地衛星分辨率為50m，80年代法國SPOT系列衛星的分辨率達10m，到1992年美國的KH-12衛星分辨率提高到了0.1m的量級[1-2]。

空間分辨率的提高與光學系統的參數密切相關，最突出的就是光學系統的焦距越來越長，口徑越來越大。遙感器的發展一方面帶動了光學加工、檢測、裝調技術的迅猛發展，同時其最終指標的實現與光學加工、檢測、裝調的水平密切相關，二者相輔相成。

隨著光學技術的發展，航天光學遙感器的光學系統型式從折射式、折反式逐漸向反射式發展，逐步形成反射式光學系統占主導的趨勢。同時，光學零件的材料、形狀等也在發生著概念性的改變。

以美國為例，其Landsat系列、KH系列衛星光學系統在前期均為折射式系統，從Landsat、KH系列后期及IKONOS、QuickBird等其他系列衛星開始大量采用反射式光學系統；光學系統焦距從以往的幾百毫米逐步向幾米、幾十米發展；口徑從以往的幾十毫米、幾百毫米向超過1m發展。由于反射式系統對鏡體內部的氣泡或條紋的要求比折射式系統的要求低，因此在材料的選擇上逐漸選用非傳統材料以減輕整個相機的質量。目前國內外常用鈹（Be）、鋁（Al）、融石英（Fs）、微晶玻璃（Mc）及鈦（Ti）、碳化硅（SiC）作為鏡坯材料。

國外已經成功在軌運行的幾種光學技術指標見表1[3-8]。

表1 國外主要光學遙感器光學系統技術指標

光學遙感器光學系統型式的發展可以從以下兩方面概括：

1）隨著光學系統口徑增大、焦距加長，反射式系統占主導，且在光學零件及支撐結構方面大量采用SiC等新型材料，以減輕總質量。

2）當主鏡口徑超過700mm以上時，三反同軸（Three Mirror Anastigmat,TMA）系統使用更多一些；三反離軸主要應用于中等口徑及焦距的系統上，該形式具有視場角大（2.1°）、MTF高的特點，在軌成功運行最大口徑為QuickBird-2的主鏡600mm，焦距8.8m，其它光學系統主鏡的口徑均在123～218mm，焦距均在1～2m。由于三反同軸系統的結構對稱性、工程可實現性及相比離軸系統體積、質量與圖像品質間的性價比更優等特點，應用前景會更好。

3 遙感器相關光學裝調技術及發展現狀

空間遙感器涉及光、機、電、熱等多專業，遙感器的光學裝調實際是光、機、熱系統設計實現的過程。裝調性能的評判分為3個層次：1）裝調后的光學像質；2）經歷環境實驗后的光學像質；3）入軌后的光學像質。最終評判以入軌圖像像質為標準。

光學裝調是光學系統設計的實現過程，涵蓋了對光學材料均勻性、折射率等的控制，光學零件面形、幾何尺寸的檢測，裝調過程空間位置的控制及裝調后系統性能的檢測多個環節。光學裝調技術與航天光學遙感器光學系統的型式是密切相關的。隨著光學遙感器的發展，遙感器光學系統型式的轉變和光學系統口徑的增大，都帶動了光學裝調技術的進步。同時，光學裝調技術與光機設計技術是緊密聯系的，即使是對于同一種光學系統形式，也會由于不同的光機結構設計而采用不一樣的光學裝調技術。

由于遙感器的形式多樣性，以及光機設計的方案變化，在光學裝調中，光學組件固定方式也從單一托框形式向背板、背部支撐等多種方式發展，系統固定方式從以往的筒式發展成框架式、桿式、箱式等多種形式。上述幾種典型的遙感器結構型式見圖1。

圖1 幾種典型的遙感器結構型式

在早期的光學遙感器中，受加工能力與檢測技術能力的限制，為滿足光學成像的要求，在光學裝調中均采用“預留公差型”裝調技術。所謂“預留公差型”是依據光學設計所確定的各項公差，首先進行零部件的加工，而后再通過裝調設備來控制裝調環節的各項調整偏差。在這個過程中，所有偏差項目都是依據設計圖紙事先設定，因而會導致加工誤差與裝調誤差分別獨立地作用于光學系統的組裝、調試過程中。這種裝調方式不能等量地直接預估最終系統成像品質，主要應用于折射式光學系統的裝調，裝調流程如圖2所示。

圖2 預留公差型光學裝調流程圖

隨著計算機技術的迅猛發展，光學裝調技術已經從早期的“預留公差型”向“誤差補償型”發展。“誤差補償型”是根據光學設計給定的公差范圍，綜合考慮加工誤差與裝調誤差的疊加作用，通過調節光學系統中一個或多個元件的空間位置補償其他元件空間位置誤差引起的附加像差。“誤差補償型”裝調技術在仿真與計算機技術飛速發展的帶動下形成并逐步完善，在反射式光學系統及新型光學系統的裝調過程中，這種裝調方式更為實用。

對于折射式光學系統，由于系統光學零件比較多，相應裝調過程控制的各項元素也非常多，很難通過單一或幾個元件的空間位置補償其它光學元件空間位置誤差造成的附加像差。基于上述因素并考慮光學遙感器光機結構設計的可靠性需求，將“預留公差型”與“誤差補償型”裝調技術相互結合，形成了全過程仿真像質預估裝調技術，即在原有預留公差型裝調技術基礎上，利用現代化的測試技術和計算機技術，實時測量裝調過程中的各控制參數；根據測量結果對光學系統進行實時的像質仿真預估，再依據像質仿真預估的結果來指導、確定、調整相關參數。

隨著仿真精度的提高，全過程仿真像質預估技術在反射式、折射式光學系統裝調過程廣泛使用，并且逐漸成為光學系統裝調過程問題診斷及解決的有效方法。圖3為全過程仿真像質預估方法光學裝調流程示意圖，從該流程可以發現：計算機技術在光學裝調過程中發揮著重要的作用，計算機技術的飛速發展在促進反射式光學系統在遙感器中大量應用的同時，還促進了光學裝調全過程數字化制造技術的應用。

圖3 全過程仿真像質預估裝調方法光學裝調流程圖

4 航天光學遙感器光學裝調核心技術分析

從遙感器的發展趨勢來看，大口徑反射式光學系統的應用越來越廣泛，因而對裝調技術也提出了新的要求。

首先，反射鏡口徑增大導致反射鏡質量急劇增加，必須提高反射鏡輕量化程度。但由此會造成裝調精度更容易受裝配應力、熱環境變化、零件殘余應力等因素的影響，加上地面重力環境與在軌空間環境的差異，給在地面重力環境下裝調、檢測帶來了許多問題。因此，大口徑反射鏡的裝調、檢測成為光學裝調過程中必須解決的關鍵技術。

其次，受光學反射鏡加工、檢測能力的限制、運載工具對有效載荷體積和質量的約束及成本的制約，傳統的整體主鏡光學系統難以滿足系統反射鏡口徑越來越大的要求，因此出現了空間可展開光學系統和稀疏孔徑成像系統等新的成像系統，這給光學系統的裝調與檢測帶來了新的挑戰。

大口徑反射式光學系統的廣泛應用，使“誤差補償型”技術得到全面應用，檢測技術與仿真分析技術貫穿于光學裝調每一過程，二者已經成為光學裝調中的關鍵環節，特別是對于空間可展開光學系統以及稀疏孔徑成像系統等新型光學系統。

目前，國際上航天光學遙感器光學裝調技術的發展趨勢主要體現在以下兩方面：

（1）大口徑反射鏡檢測技術的突破

對于采用單塊主鏡的光學系統來說，建立地面狀態下與在軌狀態下大口徑反射鏡面形品質評價的相關性，是確保相機光學系統在軌性能優異的關鍵技術。

大口徑反射鏡的地面裝調檢測與檢測設備、檢測現場的搭建、測試方法、數據處理和仿真分析等因素密切相關，考慮在軌微重力環境，系統的光軸是水平方向還是豎直方向是裝調檢測環節應重點分析的內容。

為建立大口徑反射鏡面形品質在地面時與在軌時的評價相關性，光學系統在地面裝調時可采用帶誤差裝調的方式，即讓光學系統帶有一定的裝調誤差，當帶誤差裝調后的光學系統在軌運行時該裝調誤差能夠在微重力環境下得到修正進而滿足相機在軌后的性能要求。這樣的裝調方式對反射鏡的地面檢測、空間微重力影響的仿真、數據處理的真實可靠性提出了更高的要求。

成功應用帶誤差裝調的事例是IKONOS-2衛星。該衛星主鏡為口徑700mm的拋物面，質量僅13.4kg，在磨、拋反射面的過程中，通過嚴格計算引入了適當的表面誤差，以補償在軌時由于重力釋放產生的面形改變，從而保證相機的在軌成像性能接近于衍射極限。

另外，對于大口徑反射鏡，也可采用主動或被動卸載技術來保證其裝調品質。通過卸載技術或在軌解鎖，使大口徑反射鏡的面形品質在地面裝調檢測與在軌成像這兩種不同的環境狀態下均滿足設計像質要求。大口徑反射鏡的裝調，無論是采用主動或被動卸載技術還是通過在軌解鎖，精確仿真由重力、外太空環境等因素對光學系統的影響的技術必不可缺。

（2）自適應光學技術的應用

隨著反射鏡口徑的增大，重力、溫度、氣流的擾動、微震動干擾等對光學系統品質的影響越來越大，自適應技術的應用也是光學技術發展的必然。

自適應光學技術成功應用的事例是KH-12衛星，主鏡口徑3m，采用自適應光學成像技術在軌調整，改變主鏡表面曲率，補償大氣擾動對影像的影響。

另外，空間可展開光學系統以及稀疏孔徑成像系統的出現，解決了整體式大口徑光學系統研制和發射中難以克服的大口徑反射鏡加工、檢測、體積龐大等種種問題，但同時也帶來了可展開系統裝調方面的技術難題。

對于采用多反射鏡拼接的空間可展開光學系統的主鏡來說，利用拼接檢測技術正確評價主鏡品質，是自適應技術實現各分塊鏡共相位干涉成像的基礎。在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）的裝調過程中，檢測技術與仿真分析技術貫穿于光學裝調每一過程，其主鏡及主鏡組件在裝調中采用了兩種測試技術4種測試方案，通過仿真分析并結合主鏡組件旋轉測試分離重力影響。圖4為JWST望遠鏡的結構示意圖，其主鏡直徑6.5m，由18塊邊長1.32m的六邊形分塊鈹鏡組成[9-10]。光學系統發射前折疊，入軌后展開，在自適應光學系統的調整下達到設計要求。

圖4 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡收攏（左）和展開（右）示意圖

根據國內外光學遙感器裝調技術發展趨勢以及大口徑光學遙感器的研制成果，光學裝調技術的核心可總結為以下3點：

1）仿真、驗證手段豐富，能分離重力、振動、溫濕度、裝調應力等多種耦合因素。

2）仿真分析精度高，能準確預測反射鏡失重狀態下的面形及各反射鏡之間的位置關系，地面測試不確定性越小越好。

3）地面裝調設備完善，真正實現光學遙感器的裝調與過程測試評價。

5 結束語

綜上所述，由于航天光學遙感器工作于空間環境，為了能保持其良好的工作性能，對光學系統的設計尤其是裝調工作提出了不同于地面設備的苛刻要求。通過利用現代化測試技術和計算機技術，光學裝調水平得到了極大提高。

為了滿足“保證在軌像質優良”這一光學裝調的最終目標和評定標準，必須把握光學裝調核心技術，并結合使用環境的需求，對航天光學遙感器進行科學裝調。

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