“高分二號”衛星高分辨率相機技術創新及啟示

楊秉新 曹東晶

（北京空間機電研究所，北京 100190）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛星是“國家高分辨率對地觀測系統重大專項（民用部分）”的重要項目，于2014年8月19日發射成功。衛星上裝載有北京空間機電研究所自主研發的兩臺高分辨率輕小型相機，相機全色譜段（PAN）分辨率為0.8m，多光譜譜段（MS）分辨率為3.2m，兩臺相機拼接后的幅寬為45.7km。目前衛星已完成在軌測試，各項指標滿足設計要求，并已交付使用。這標志著我國民用遙感衛星進入了亞米“高分時代”。圖1為GF-2衛星相機拍攝的北京和上海影像。

圖1 GF-2衛星相機拍攝的影像Fig. 1 The images captured by GF-2 satellite camera

隨著衛星相機分辨率的提高，相機的焦距增長、口徑增大，研制難度和成本增加，費效比問題更加突出。按傳統設計，相機靜態傳遞函數（modulation transfer function，MTF）需要達到0.2。經計算，GF-2衛星相機口徑（D）需要達到0.78m才可能滿足分辨率及MTF=0.2的要求。在衛星平臺對相機體積和質量的嚴格限制下，該相機的研制面臨較大的技術難度和較長的周期。為實現相機的高分辨率并滿足衛星平臺的約束條件，GF-2衛星相機進行了多項技術創新，為我國高分辨率衛星相機研發探索了新的技術途徑。

本文將重點介紹 GF-2衛星相機在總體方案、光學系統、光機結構、高速低噪聲電子學線路、精密熱控、重力卸載裝調等方面的技術創新及由該相機的研制得到的啟示。

1 衛星相機概述

1.1 相機主要參數

GF-2衛星相機的主要參數如表1所示。

表1 相機主要參數Tab. 1 Main parameters of the camera

1.2 相機特點

GF-2衛星相機的光學系統采用折疊式Korsch系統，體積小、結構緊湊、幾何精度穩定。利用新材料及輕量化技術實現光機結構的輕型化，單臺相機鏡頭質量為150kg。相機與衛星平臺采用一體化設計，星敏感器安裝在相機的光機主體結構上，減少了中間環節，有利于提高衛星定位精度。相機與衛星一體化仿真圖如圖2所示。在動力學耦合分析基礎上，相機與衛星平臺的支撐采用了隔振及隔熱的卸載支架，減小了環境對相機成像品質的影響。采用“間接輻射熱控”方法實現精密熱控，鏡頭溫度水平在軌全周期優于（20±0.3）℃，徑向溫度差優于0.2℃。

圖2 相機與衛星一體化仿真圖Fig. 2 Simulation map of satellite and cameras

1.3 主要性能比較

美國從20世紀末至今三代民用衛星相機、法國Pleiades-HR衛星相機以及GF-2相機的主要性能對比見表2。從表中可以看出：中國GF-2衛星相機分辨率與美國第一代IKONOS-2相機和法國Pleiades-HR相機水平相當，但與美國第二、三代的衛星相機還有較大的差距；GF-2衛星相機的幅寬優于美國和法國衛星相機。

表2 相機主要性能比較Tab. 2 Comparison of camera main performances

2 相機技術創新

2.1 總體優化選取相機的F數

通過星地一體化設計，確定相機采用適中的MTF和高的信噪比（SNR）[1]，通過地面圖像處理進行像質復原與提升，實現相機高分辨率和高圖像品質

GF-2衛星相機在國內首次采用λF/P（λ為中心波長，F為鏡頭F數，P為CCD器件像元尺寸）接近1的設計理念[2]，優選相機的F數。在λF/P=1時，相機光學系統的截止頻與CCD采樣頻率相等，圖像混疊將減少。取λ=0.65μm（相機的平均波長），P=10μm時，經計算，當滿足λF/P=1的條件時，F=15，鏡頭全色譜段在fN（Nyquist）頻率處的MTF=0.12。若按傳統設計理念，全色譜段要求fN處MTF =0.2，計算得到F=10。表3列出了利用傳統理念和λF/P=1理念計算得到的相機參數。由表3可以看出，相對于傳統的設計，相機口徑減小了32%，這樣，相機的質量將大幅減小。

表3 傳統理念和λF/P=1理念計算得到的相機參數Fig. 3 Camera parameters with traditional concept and λF/P=1 concept

與傳統設計相比，在λF/P=1條件下，相機的MTF有所下降。圖3為λF/P、MTF和混疊信息的關系。由圖3可知，適當的減小MTF，可減小圖像的混疊；λF/P越小，相機的MTF越高，混疊面積越大，混疊也越嚴重，圖像噪聲增加[3]。

為了提高全色譜段靜態 MTF=0.12時的圖像品質，可以通過地面圖像傳遞函數補償（modulation transfer function compensation，MTFC）技術提高圖像MTF。全鏈路成像仿真分析的結論表明：采用MTFC新方法，在提高MTF時，圖像噪聲增加很小；當光學系統取F=15、全色譜段的靜態MTF=0.12時，原始圖像經過MTFC處理后，MTF可達到0.2；經過MTFC處理的圖像邊緣更清晰，有利目視判讀，目視圖像噪聲無變化。相機光學系統如圖4所示。

圖3 λF/P、MTF和混疊信息的關系Fig. 3 Relationship between λF/P, MTF and aliasing information

圖4 相機光學系統 Fig. 4 Optical system of the camera

根據上述設計理念，設計時相機全譜段的靜態 MTF=0.12（fN=50對線/mm），F=15，相機在實驗室測試時靜態MTF接近0.15，與法國Pleiades-HR相機靜態MTF=0.13（fN=38.5對線/mm）相當。衛星在軌測試時，相機動態MTF全色譜段在fN處，沿軌道方向為0.097 3，垂直軌道方向為0.109 1，平均約0.1，經過MTFC處理后圖像良好，滿足設計要求。

2.2 光學優化設計擴大視場角

GF-2衛星相機的光學系統采用Korsch系統，長度為1 000mm，寬550mm，高800 mm，體積小，結構緊湊。光學系統的視場角達到2.1°，擴大了橫向幅寬，并超過了美國和法國同類相機光學系統的視場角。

2.3 光機結構技術創新

GF-2衛星相機的鏡筒首次采用陶瓷基復合材料（carbon fiber reinforced polymers，CFRP）。表4列出了航天相機常用結構材料Invar、TC4、ZTC4和CFRP材料的主要性能參數，由表4可以看出，CFRP性能優異、穩定性高，可以保證主鏡和次鏡的力學穩定性和熱穩定性。

表4 幾種材料的性能參數Tab. 4 Performance parameters of several materials

GF-2衛星相機首次采用整體柔性阻尼技術，通過三組BiPod阻尼支撐桿實現相機與衛星平臺在三個支撐上連接，解決了在軌衛星平臺連接面熱變形對相機的影響，隔振頻率為30Hz。在這種情況下，支撐桁架頻點處加速度響應放大率小于 3，隨機均方根加速度在三個方向上分別衰減至原來的 36%、35%、82%，為光機主體提供了良好的動力學環境。另外，次鏡正弦加速度響應放大為18.4倍（無阻尼措施仿真結果為52倍），隨機均方根加速度放大僅1.89倍。

經試驗驗證，該支撐結構對頻率大于100Hz的微振動有良好隔振效果，可減少微振動對像質的影響，并減少衛星主動段振動對相機的影響，提高相機的可靠性。

2.4 高速低噪聲電子學線路創新

GF-2衛星相機首次采用2Gbit/s的高速數傳接口，保證海量遙感數據的穩定傳輸。另外，該相機還采用電源濾波、阻尼匹配、優化布局等措施將視頻電子學焦平面的噪聲降至 1mV（RMS），使相機最大信噪比達到了316。

2.5 高精度熱控創新

GF-2衛星相機采用“間接輻射熱控”方法來實現鏡頭溫度水平優于(20±0.3)℃，徑向溫度差優于±0.2℃。這一數據是我國目前在軌運行相機的最高水平。為確保良好圖像品質，GF-2衛星相機還采用新型槽道熱管和補償加熱技術，將TDICCD溫度范圍穩定維持在±2℃，有效抑制了電路噪聲，確保焦平面的幾何尺寸穩定。

2.6 重力卸載裝調

在 GF-2衛星相機的裝調中，首次采用吊索配重解決水平裝調檢測的重力卸載難題，在地面近似模擬相機失重工作狀態，確保在軌圖像品質。

3 啟示

GF-2衛星相機研制成功，取得了多項創新成果，為我國高分辨率相機研發探索了新的技術途徑，有以下主要啟示：

（1）采用λF/P≥1設計參數優化相機設計是可行的

相機采用小相對孔徑（大F數）、全色譜段靜態MTF取0.12～0.15（fN處）是合理可行的，這樣設計出的相機體積小，質量比傳統取MTF=0.2減少約32%，實現了相機輕小型化和高分辨率，使我國高分辨率對地觀測相機達到世界先進水平。

貫徹天地一體化設計理念和成像鏈路仿真分析優化相機設計參數，結合運用地面MTFC技術，可以保證圖像品質達到用戶的要求。

（2）提高相機信噪比，保證圖像品質

通過優化視頻電子線路，可以實現噪聲1mv（RMS）；通過運用新型槽道熱管對TDICCD散熱，可以進一步降低電路的噪聲，提高相機的信噪比。

（3）高精度熱控是必須的

高分辨率衛星相機采用全反式光學系統，反射鏡對溫度波動非常敏感。溫度的波動將影響反射鏡面型精度，降低圖像品質，因此必須采用新技術提高熱控精度，實現鏡頭的高精度熱控，為相機獲取高質量圖像提供可靠保障。

References)

[1]楊秉新. TDICCD相機的信噪比研究[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(2): 22-24.YANG Bingxin. Study on Static MTF of TDICCD Camera[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2005, 26(2): 22-24. (in Chinese)

[2]Fiete R D. Image Quality and λFN/P for Remote Sensing Systems[J]. Optical Engineering, 1999, 38(7): 1229-1240.

[3]Holst G C. CCD Array Cameras and Displays[M]. Bellingham, WA 98227-0010 USA: SPIE Optical Engineering Press, 1998.

[4]楊秉新. 關于TDICCD相機靜態傳遞函數的研究[J]. 航天返回與遙感, 2004, 25(3): 22-24.YANG Bingxin. Study of S/N Ratio of TDICCD Camera[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2004, 25(3): 22-24. (in Chinese)

[5]陳世平. 景物和成像條件對遙感圖像品質的影響[J]. 航天返回與遙感, 2010, 31(1): 1-10.CHEN Shiping. The Effects on Remote Sensing Image Quality from Scenes and Imaging Conditions[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2010, 31(1): 1-10.(in Chinese)

[6]陳強, 戴奇燕, 夏德深. 基于MTF理論的遙感圖像復原[J].中國圖像圖形學報, 2006, 11(9): 1299-1305.CHEN Qiang, DAI Qiyan, XIA Deshen. Restoration of Remote Sensing Images Based on MTF Theory[J]. Journal of Image and Graphics, 2006, 11(9): 1299-1304. (in Chinese)

[7]Andrews H C, Hunt B R. Digital Image Restoration[M]. Englewood Cliffs, New Jersey. USA: Prentice-Hall, 1977.

[8]葛平, 王密, 潘俊, 等. 高分辨率TDI-CCD成像數據的自適應MTF圖像復原處理研究[J]. 國土資源遙感, 2010, 87(4):23-28.GE Ping, WANG Mi, PAN Jun, etal. A Study of Adaptive MTF Restoration of High Resolution TDI-CCD Image Data[J].Remote Sensing for Land amp; Resources, 2010, 87(4): 23-28. (in Chinese)

[9]Hunt B R. The Application of Constrained Least Squares Estimations to Image Restoration by Digital Computer[J]. IEEE Transactions on Computer, 1973, 22(9): 805-812.