基于小衛(wèi)星編隊的稀疏孔徑遙感技術(shù)

原育凱,陳宏宇,沈?qū)W民、2

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 200050;2.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所,上海 200083)

0 引言

高分辨率的空間光學(xué)遙感器代表了空間遙感技術(shù)領(lǐng)域的制高點。在工作于近地軌道的對地觀測載荷中,可見光波段的地面分辨率已達到分米級,如美國的KH-11,KH-12鎖眼偵察衛(wèi)星的口徑已大于2 m[1]。該尺寸的口徑除導(dǎo)致設(shè)計、加工和裝調(diào)的巨大困難及高昂的成本外,其體積和質(zhì)量已基本達到了目前運載發(fā)射能力的極限[1-5]。將衍射成像的分辨率公式用于紅外波段,欲達到與可見光同等的角分辨率,紅外波段的口徑約需提高1個量級。此外若需使用對地靜止軌道進行對特定地區(qū)的連續(xù)觀測,為獲得與近地軌道可比擬的地面分辨率,各種光學(xué)口徑則需提高約2個量級。顯然,傳統(tǒng)衍射受遙感觀測要求限制已無法滿足上述需求。

隨著天文學(xué)研究對更高分辨率觀測需求的日益強烈,在20世紀40年代國外提出了合成孔徑概念,并使用了復(fù)合天線技術(shù),逐步彌補地面單個射電望遠鏡的孔徑不足[6]。之后,這項技術(shù)被用于解決空間和地面望遠鏡系統(tǒng)。1970年,MEINEL提出了光學(xué)合成孔徑技術(shù),光學(xué)合成孔徑亦稱為光學(xué)綜合孔徑,是將多個較小口徑的光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)進行精確的排列,使通過各子孔徑的光束在焦平面上滿足一定的相位條件,實現(xiàn)光場的相干疊加,從而達到與之通光口徑相當?shù)膯我淮罂趶较到y(tǒng)的衍射極限分辨率[7]。稀疏孔徑是合成孔徑的一種實現(xiàn)形式,稀疏沿用了雷達技術(shù)的概念,相對完全填充孔徑而言,僅占用了很小一部分。稀疏孔徑系統(tǒng)通過改變子孔徑的空間布局和其間的疏密程度,可達到遠高于有相同接收面積的單個孔徑的分辨率。本文對稀疏孔徑技術(shù)進行了綜述。

1 稀疏孔徑技術(shù)基本原理

1.1 干涉光學(xué)成像原理

傳統(tǒng)單孔徑成像光學(xué)系統(tǒng)的成像是一個衍射受限過程,角分辨率受該孔徑衍射能力的限制,與波長成正比,與孔徑尺度成反比。將2或多個成像孔徑的光束進行波前疊加后,除單孔徑各自的衍射成像外,如孔徑間相位相干,其成像就會呈現(xiàn)干涉性,即各子孔徑對同一光源,采用分波面方式形成干涉。其優(yōu)點是形成了更大的口徑,一方面提高了系統(tǒng)的角分辨率,另一方面能探測更微弱的信號。目前,干涉成像方式有邁克爾遜干涉和斐索干涉兩種[2、8]。

1.1.1 邁克爾遜干涉

亦稱為瞳平面干涉。這是一種等傾干涉,其過程為：目標發(fā)出的光束被一定空間距離的兩個孔徑接收,通過半透半反表面實現(xiàn)疊加,最終在探測器面上形成干涉圖樣。所得圖像是目標在特定空間頻率的頻譜即傅里葉變換,故還需通過反變換重建原始圖像。邁克爾遜干涉的原理如圖1所示。其過程為干涉計測量物體的傅里葉變換;改變基線的取向和長度,獲得不同空間頻域的采樣,采樣足夠充分時可填充整個空間頻域;通過傅里葉反變換重建圖像。

圖1 邁克爾遜干涉原理Fig.1 Prototype of Michelson interferometery

對邁克爾遜干涉系統(tǒng)來說,其空間應(yīng)用一般是深空探測。BRACEWELL在1978年提出了對邁克爾遜干涉的一種改進：在兩束相干光合成前加入半波長的相移,以消除中心視場的強光源而使軸外視場的暗弱目標成像,即消零干涉測量,該原理成為近年空間探測的物理學(xué)依據(jù)[9]。如歐洲的Darwin計劃,參考地球大氣中主要成分(水、臭氧、甲烷和二氧化碳等)的紅外譜線,通過探測太陽系外的行星大氣紅外光譜尋找適合生命居住的星體[10-11]。NASA提出了類似計劃(TPF-I生命行星搜尋干涉儀)[12]。

1.1.2 斐索干涉

亦稱為像平面干涉[8]。它通過掩模實現(xiàn)大孔徑的部分孔徑成像,或多個獨立光學(xué)系統(tǒng)的光束經(jīng)準直、合并后再進行聚焦成像,故能直接輸出目標的圖像。斐索干涉的原理如圖2所示。

圖2 斐索干涉原理Fig.2 Prototype of Fizeau interferometery

斐索型干涉的實現(xiàn)多采用以下兩種方式。一種是將虛擬大口徑主鏡的部分表面作為子鏡面設(shè)計、加工并對其精確定位,使用共同的次鏡將光束會聚成像[圖2(b)]。這樣的系統(tǒng)原理較易理解,是降低大口徑的加工難度和減輕整機質(zhì)量而采取的折中,因此當應(yīng)用于空間任務(wù)時,多會融入用于折疊發(fā)射的展開機構(gòu),或?qū)崿F(xiàn)航天器對接或繩系的分布式設(shè)計。其缺點是各子鏡面須嚴格按照其在虛擬主鏡的相對位置定位,定位精度對像質(zhì)的影響非常明顯,且由于其表面曲率無法改變,光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)單一,需進行專門的設(shè)計和加工。另一種稀疏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各子孔徑均為獨立望遠鏡,其輸出光束為經(jīng)過準直的平行光束,通過對各子孔徑的空間分布進行定相控制,能將各子光束經(jīng)光束耦合形成干涉并聚焦成像,也稱為相控望遠鏡陣[圖2(c)]。與共用次鏡結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)點是形成各子孔徑的望遠鏡相互獨立,可進行模塊化設(shè)計制造甚至基于現(xiàn)有產(chǎn)品進行采購組裝,以便實現(xiàn)各種空間構(gòu)型,且能不斷擴充稀疏系統(tǒng)的規(guī)模,以實現(xiàn)更大等效孔徑和更高光通量。因此,這種構(gòu)型已成為目前國內(nèi)外稀疏孔徑研究的熱點。

邁克爾遜干涉的角分辨率僅與基線長度有關(guān),基線越長則分辨率越高,但由于口徑過于稀疏導(dǎo)致收集的信號非常微弱,以及需要改變基線長度和方向采集目標不同的空間頻率,整個采集過程所需時間很長,更適于小視場、相對靜止的天文目標的探測。斐索干涉與傳統(tǒng)獨立口徑系統(tǒng)更接近,可實現(xiàn)對大視場內(nèi)快速運動目標的干涉成像,更適于對地觀測。

1.2 稀疏孔徑研究內(nèi)容

稀疏孔徑技術(shù)的研究主要涉及子孔徑的空間布局、相位一致和圖像恢復(fù)三部分內(nèi)容。

1.2.1 子孔徑的空間布局

用于探測的稀疏孔徑系統(tǒng)通常只對特定和極高的空間頻率感興趣。為此,其空間布局很廣。

歐空局的基于消零干涉技術(shù)的Darwin計劃采用空間構(gòu)型是：4只攜帶口徑約2 m反射鏡的航天器排成一個矩形,間距7～168 m(消零干涉方式)或20～500 m(天體物理觀測),將入射光聚焦到中心、距離光束收集平面約1 200 m處的光束合成航天器上。當反射鏡組處于500 m基線的狀態(tài)時,對波長10μm的入射光,角分辨率可達0.005″[10]。Darwin計劃還提出了三角形、線形、菱形、X形和六邊形的空間布局[11]。美國的TPF-I計劃也有類似構(gòu)型,如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)子孔徑配置數(shù)量和觀測任務(wù)需求,還需對空間布局進行旋轉(zhuǎn)和重構(gòu)的調(diào)整。用于成像的稀疏孔徑系統(tǒng),其子孔徑空間布局直接影響最終成像質(zhì)量。良好的空間排列可減少頻率的冗余,用最小的填充系數(shù)獲得較高的像質(zhì)和分辨率。據(jù)文獻報道,常用的構(gòu)型有環(huán)面、環(huán)形、三臂(Y形)、Golay,以及其他復(fù)合結(jié)構(gòu)等,如圖4所示[8-13]。

圖3 美國TPF-I計劃的編隊構(gòu)型Fig.3 Prototype of American TPF-I formation flying

環(huán)面形結(jié)構(gòu)其實是一種特殊的有中心遮擋的單獨孔徑,其中心孔的尺度和鏡面外徑接近。在其二維MTF分布中,其截止頻率較高且圓周上分布均勻,但明顯的缺點是除中心區(qū)域外,其傳函整體處于很低的水平。

Golay結(jié)構(gòu)是20世紀70年代提出的一種具冗余自相關(guān)的緊湊點陣列分布,已被廣泛用于稀疏孔徑成像,如美國麻省理工學(xué)院的ARGOS和空軍研究實驗室(AFRL)的UltraLITE衛(wèi)星分別使用了Golay-3,Golay-6結(jié)構(gòu)型式[14]。ARGOS和UltraLITE的Golay結(jié)構(gòu)如圖5所示[2、15]。

三臂結(jié)構(gòu)是射電陣望遠鏡最先采用的布局型式[16]。位于美國新墨西哥州的特大天線陣(VLA)微波波段的角分辨率可達毫角秒量級。之后被光學(xué)稀疏孔徑借鑒,但其傳函的空間分布不均勻,呈現(xiàn)明顯的六角形。

1.2.2 相位一致

圖4 常用稀疏孔徑布局及其調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)Fig.4 Common used sparse aperture prototype and its modulation transfer function(MTF)

圖5 國外使用的Golay構(gòu)型Fig.5 Golay prototype used in abroad

光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)中至關(guān)重要的是多路光束的相位一致性[17]。各子孔徑收集的光束在合成時,須符合需要的相位關(guān)系才能實現(xiàn)提高分辨率或中心視場消光。用于成像的合成過程,其軸向光程差一般要求控制在小于0.1λ,否則其點擴散函數(shù)會呈現(xiàn)中心強度明顯降低、主瓣顯著擴展而MTF中頻出現(xiàn)零點等像質(zhì)惡化的結(jié)果,從而失去了合成的價值。此處：λ為工作波長。該要求僅略高于系統(tǒng)自身熱形變,同時對光束的傾斜誤差要求達到亞角秒級[2]。空間探測應(yīng)用的光學(xué)孔徑合成過程因需要進行光譜學(xué)分析,要求達到納米量級[11]。

從目前的空間技術(shù)水平來看,僅依靠航天器自身實現(xiàn)這些指標是非常困難的。因此,有文獻提出采用光學(xué)的自適應(yīng)技術(shù)對光路進行小范圍高精度的閉環(huán)控制,以降低對航天器的相對位置和姿態(tài)的測控要求。一般是采用波前抽樣傳感器實時測量各子光束的相對波前誤差,再通過微機構(gòu)甚至推進系統(tǒng)進行閉環(huán)控制,實現(xiàn)波前的實時校正[2、17]。

1.2.3 圖像恢復(fù)

與常規(guī)望遠鏡的成像結(jié)果不同,稀疏系統(tǒng)的圖像一般無法直接使用,需進行恢復(fù)和/或增強處理。Golay-6計劃的點擴散函數(shù)(PSF)和MTF如圖6所示。由其MTF數(shù)據(jù)可知：在獲得高分辨率的同時,圖像整體存在對比度偏低、信噪比偏低和中低頻近零點的狀況[18]。這需要進行星上或地面的圖像處理,以改善圖像主觀感受,提高對比度,實現(xiàn)高分辨率。據(jù)報道,目前采用的有維納濾波或信號的反卷積等方法[17]。

2 工程化關(guān)鍵技術(shù)

空間稀疏孔徑系統(tǒng)實現(xiàn)工程化的關(guān)鍵技術(shù)有：對衛(wèi)星平臺來說,可采用單顆大衛(wèi)星平臺的載荷展開或基于多顆衛(wèi)星平臺的編隊,其中編隊需先考慮軌道設(shè)計,其次是星間基線的測量與控制,最后需根據(jù)稀疏孔徑系統(tǒng)的特點設(shè)計與之配套的光機系統(tǒng)。

2.1 載荷展開

為保證成像系統(tǒng)有較高的像質(zhì),需較高填充比的稀疏孔徑系統(tǒng),這就要求子鏡面或子孔徑的間距不能太大。根據(jù)衛(wèi)星太陽帆板展開原理,美國的下一代太空望遠鏡NGST,JWST和可展開空間望遠鏡(DST)均采用了分塊可展開的成像系統(tǒng),國內(nèi)也已開展了相關(guān)研究[19-20]。從其體積和質(zhì)量來看,小衛(wèi)星平臺無法勝任。

圖6 Golay-6的構(gòu)型及其PSF,MTFFig.6 Golay-6 prototypeand its PSF and MTF

2.2 衛(wèi)星編隊

與上述展開技術(shù)不同,利用衛(wèi)星的編隊飛行實現(xiàn)的稀疏孔徑系統(tǒng)具可變基線和靈活的空間構(gòu)型[21]。該技術(shù)主要包括：根據(jù)任務(wù)需求,確定適當?shù)南∈杩讖娇臻g布局和基線參數(shù);設(shè)計和優(yōu)化編隊衛(wèi)星軌道;考慮在軌運行期間通過相關(guān)的精密測量與控制保證隊形的捕獲、維持和重構(gòu)。有文獻報道采用對接或繩系方式實現(xiàn)高精度的編隊飛行。

2.2.1 編隊衛(wèi)星軌道設(shè)計

目前,實現(xiàn)近地軌道編隊飛行的4種常用構(gòu)型是串行編隊、沿航向編隊、空間圓編隊和水平圓編隊[22]。國外分布式衛(wèi)星合成孔徑雷達(SAR)的空間編隊構(gòu)型中,法國CNES的SAR干涉轉(zhuǎn)輪(Cartwheel)任務(wù)采用了同軌道面橢圓編隊方式,3顆相同的小衛(wèi)星工作于近地軌道,每顆小衛(wèi)星攜帶SAR接收裝置,其編隊整體靠近一主動雷達,兩者距離約數(shù)十至千余米[23]。MOREIRA等提出了干涉鐘擺(Pendulum)系統(tǒng),采用沿航跡編隊的方式[24-25]。美國TechSat21計劃采用了空間圓構(gòu)型等多種編隊方式[26]。

實現(xiàn)稀疏孔徑干涉成像,首先需建立一中心主星,以該中心主星為參考建立空間編隊,主星同時接收、合成編隊的子孔徑衛(wèi)星射來的觀測光束。根據(jù)實現(xiàn)稀疏孔徑干涉成像的光學(xué)要求,被觀測目標至中心探測器的光程應(yīng)相等,否則會因光束間的相位差過大而無法合成。

被觀測目標到中心探測器的光程包括兩個部分(如圖7所示)：被觀測目標至子孔徑編隊衛(wèi)星的光程H和子孔徑編隊衛(wèi)星至中心主星的光程R(孔徑基線),一般要求兩者之和相等。通常,編隊衛(wèi)星在空間的位置和相位不斷變化,空間構(gòu)型的設(shè)計和控制是實現(xiàn)稀疏孔徑干涉成像的難點。

圖7 空間橢圓編隊衛(wèi)星的基線和光程Fig.7 Baselineand light path of satellites formation flying in spatial ellipse

2.2.2 空間基線測量與控制

對編隊衛(wèi)星的空間相對位置和方位(星間基線)的精密測量與控制是保證編隊飛行實現(xiàn)的基礎(chǔ)。目前進行編隊衛(wèi)星星間基線測量的方法有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)測量、無線電(微波)測量和光學(xué)(可見光、激光、紅外)測量等[27-28]。

目前,激光測距的精度最高,可采用脈沖式和相位式。脈沖激光測距雷達的測距精度可達分米級,量程很大;連續(xù)波相位激光測距雷達的測量精度可達毫米級。此外,激光測角技術(shù)采用激光在四象限探測器成像的方法,精度可優(yōu)于5″。但由于激光測量系統(tǒng)的視場較小,實際應(yīng)用中需輔以無線電的引導(dǎo)[27-28]。

微波實現(xiàn)距離測量的原理與激光類似,同時采用比相法實現(xiàn)角度測量。限于波束的寬度,通常其精度低于激光,但量程更寬廣。采用微波的優(yōu)點是可同時實現(xiàn)星間的通信。

美國的TPF-I計劃在隊形建立和隊形重構(gòu)時,采用量程20～200 m甚至10 km、精度為米級的距離捕獲探測器,采用4π立體角量程、1至數(shù)十度的方位捕獲探測器;執(zhí)行科學(xué)任務(wù)前需進行精密的位置測控,此時采用量程數(shù)十米、精度毫米級的距離精密探測器和量程10′、精度4″的方位精密探測器。此外還有用于量程銜接的中等精度傳感系統(tǒng),指標介于前述兩者間[11、29]。對編隊隊形的控制要求通常會降低為測量要求的1/10～1/5。

2.3 光機技術(shù)

稀疏孔徑的子孔徑的光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)要求與傳統(tǒng)單孔徑系統(tǒng)相當,因此可采用現(xiàn)有的成熟光學(xué)系統(tǒng),但需在常規(guī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計和加工準直光學(xué)系統(tǒng)與光束合成器等部件。

光束合成中,需根據(jù)自適應(yīng)光學(xué)方法采用閉環(huán)控制方式對波前進行校正,以達到成像所需的相位精度。這需要精密的波前測量和補償裝置。哈特曼-夏克波前傳感器是使用較多的一種探測裝置,其主要原理是采用微透鏡將入射波前分割成子孔徑陣列,在高幀頻電荷耦合器件(CCD)相機的像面上形成獨立的哈特曼光斑,通過測量各光斑質(zhì)心的偏移量就可求出陣列內(nèi)入射波前的平均斜率[30]。系統(tǒng)的采樣頻率可達數(shù)千赫茲,測量動態(tài)范圍可達數(shù)倍波長,精度可優(yōu)于λ/20。相對星間位置因入軌初始條件和軌道攝動導(dǎo)致的不確定性來說,波前測量和控制的方法可有效彌補位置變動對光束合成的影響,實現(xiàn)稀疏孔徑的合成功能。

3 結(jié)束語

本文對基于小衛(wèi)星編隊的稀疏孔徑遙感技術(shù)進行了綜述。實現(xiàn)斐索干涉所需的空間尺度遠小于邁克爾遜干涉,子孔徑的間距與其口徑一般在同一量級,且可利用現(xiàn)有的子孔徑,以降低成本和縮短任務(wù)周期。從空間尺度來看,采用單顆大衛(wèi)星平臺較小衛(wèi)星編隊更合適,或采用小衛(wèi)星的對接、繩系等方式。邁克爾遜干涉通常面向長期靜止的天文目標,通過長基線(數(shù)十米至數(shù)公里量級,為其子孔徑口徑的數(shù)十甚至數(shù)千倍)、長時間觀測可獲得極高的空間分辨率(毫角秒量級),更適合采用編隊飛行實現(xiàn)。

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