“高分二號”衛星輕小型高分辨率相機技術

姜海濱 羅世魁 曹東晶 宗肖穎 黃偉 靳利鋒 蘭麗艷

（北京空間機電研究所，北京100190）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛星工程是國家高分辨率對地觀測系統重大專項中首批啟動立項的重要項目之一，于2014年8月19日成功發射，衛星配置兩臺分辨率相同的1m全色/4m多光譜的高分辨率輕小型相機。相機具有一個全色和4個多光譜譜段，采用同軸三反光學系統以推掃的方式對地面景物成像，在標稱軌道高度可實現星下點地面像元全色譜段分辨率 0.8m，多光譜譜段 3.2m，兩臺相機拼接后提供的地面覆蓋寬度優于45km，目標定位精度優于50m，設計壽命達到5～8年。相機所獲得的圖像可實現土地資源監測及調查、礦產資源開發多目標遙感調查與監測、地質災害調查與監測、城鄉規劃管理、交通運輸管理、林業生態工程監測等領域的業務化應用。

“高分二號”衛星已于2014年3月6日正式交付用戶，衛星數據品質滿足1∶1萬～1∶2.5萬制圖精度要求；滿足土地、地礦、城鎮、景區、主要路網、航道航標、林地、濕地、沙化地等要素識別對遙感數據的品質要求，支撐1∶1萬～1∶5萬國土資源、住房和城鄉建設、交通運輸、林業等主體業務遙感數據品質要求，具備巨大應用潛力。

1 相機系統描述

1.1 相機系統組成

GF-2衛星相機分系統由兩臺1m/4m相機組成（如圖1所示），包括兩臺光機主體、視頻處理器、相機控制器、二次電源箱、相機遮光罩，以及安裝于光機主體之上的三個星敏感器支架。相機采用推掃成像方式，通過光學系統將地面景物的反射光會聚在焦面5片TDICCD探測器上，完成光電轉換后，由信號處理電路對探測器輸出的電信號進行信號處理，通過數傳分系統傳到地面。相機控制器實現相機的配電控制、與數管分系統的通訊、調焦控制以及遙測數據采集等功能。二次電源箱提供視頻電路工作所需的各路二次電源。

圖1 相機系統組成Fig.1 Diagram of the camera composition

兩臺相機按衛星飛行方向前后放置，光軸沿垂直飛行方向2.01°夾角安裝，實現雙相機拼幅45km。星敏感器安裝于光機主體之上，進一步提高其與相機之間的結構穩定性，保證圖像定位精度。圖2為雙相機模裝圖，可看出雙相機之間和與星敏感器之間的設計狀態。

圖2 相機系統模裝圖Fig.2 Mock up of the camera

1.2 技術指標

按照研制要求，在標稱軌道高度，相機應提供地面像元分辨率（GSD）為全色0.8m、多光譜3.2m，兩臺相機組合后，可獲取覆蓋寬度為45km的全色和多光譜影像。相機主要技術指標見表1。

表1 相機主要技術指標Tab.1 Key technical parameters of the camera

2 相機關鍵技術及實現

2.1 星地一體化設計技術

成像系統的MTF作為衡量成像品質的重要指標之一，國軍標GJB2705-96中規定相機的靜態MTF要求在Nyquist頻率處大于0.2。隨著技術的發展，國外近十年來成功在軌應用的高分辨率相機均采用了小相對孔徑的TDICCD相機，對應的相機靜態MTF分別為0.1左右，圖像經地面復原處理后，能滿足高品質圖像的判讀要求，且可以大幅度減小星上相機的設計難度，將部分工作放在地面進行，即保證了圖像品質又減小了相機研制難度，不追求部分性能指標最優，而是靠星地一體化設計保證最終圖像品質。

過去的膠片式成像系統通常被認為是一個低通濾波器，MTF越高成像品質越好(模糊越小)。對于CCD器件的成像系統，大多數自然景物是非周期性的，其頻率為無限寬，而CCD器件受像元尺寸大小限制，采樣頻率不可能做到無限高，因此基于 CCD的成像系統為欠采樣成像系統，由于欠采樣引起的頻譜復制造成的混疊效應會影響成像品質，MTF越大混疊越嚴重，而且混疊一旦產生、無法恢復。所以在成像系統的設計過程中，應該考慮 MTF模糊效應與混疊效應之間的折衷，也就是考慮探測器和光學系統之間的匹配問題，研究發現相機系統采樣頻率與光學系統衍射截止頻率的比值（λF/p）接近 1，相機靜態傳函0.1左右，圖像進行地面復原處理后，效果最優。

圖3給出了不同采樣頻率與光學截止頻率比值下的傳函與空間頻率的關系曲線，圖中歸一化空間頻率0.5處為奈奎斯特頻率處。可以看出，λF/p越小，相機的MTF越高，混疊面積越大，圖像混疊也越嚴重，增加了圖像噪聲；當λF/p gt;2時，在奈奎斯特頻率處，傳函為零，無法獲得有效信息；而在λF/p=1時，混疊適中，同時在奈奎斯特頻率處保持了一定MTF，此時通過地面 MTFC算法復原，可有效地提升 MTF，并減小混疊信息的影響。GF-2相機系統采用了小相對孔徑的設計，F數15，MTF=0.12。經在軌實際驗證，原始圖像經過MTFC復原處理之后，圖像能夠達到相機MTF=0.2的圖像品質。對比效果見圖4，圖4（a）為相機在軌獲得的原始圖像，傳函較低；圖4（b）為地面進行MTFC處理后，傳函得到有效提升，圖像品質明顯提高。

圖3 相機混疊與傳函關系Fig.3 Relation between aliasing and MTF

圖4 相機圖像MTFC前后效果對比Fig.4 The contrast between Non-MTFC and MTFC

2.2 輕小型高穩定光學系統設計及裝調技術

光學系統采用折疊式Korsch系統，光學系統長度為1 000mm，寬550mm，高800mm，體積小，結構緊湊，光學系統如圖5所示；經過優化設計，視場角達到2.1°，在同等分辨率水平下，超過美國以及法國相同TMA光學系統視場角。

針對光學系統設計特點，相機光機主體構型采用主承力板結構，主承力板直接支撐著主鏡組件、三鏡組件、前鏡筒組件、遮光罩組件及焦面組件；同時，主承力板通過阻尼桁架與相機底板連接，相機底板提供與衛星的接口。此設計消除了反射鏡支撐結構的過渡環節，有效節省了空間；主、次鏡安裝分離，避免了主鏡組件的重力對敏感度最高的次鏡的影響；主承力板直接負擔著所有的反射鏡與組件，傳力路線直接，結構利用率高；相機整體結構剛度高、變形小；主承力板同時提供主鏡、次鏡、三鏡、焦面組件的機械接口，加工時各反射鏡光軸的機械基準關系容易保證，有利于裝調精度的實現。詳細結構形式見圖6。

通過主鏡選用SiC材料、鏡筒選用C/SiC材料、外遮光罩選用復合材料、三鏡調焦等多種技術，實現了相機光學鏡頭的輕小型化，與傳統設計方案相比，質量減小到原來的1/3～1/4。

小相對孔徑光學鏡頭的成像品質對面形及裝調誤差的敏感度更高，裝調手段采取量化控制，確保鏡頭成像品質。對反射鏡組件及其與主承力結構的接口均進行了應力及熱變形的卸載設計。裝調過程中，在各反射鏡裝框前、后，反射鏡組件與主承力結構組裝前、后進行面形測試，確保整機裝調完成后反射鏡面形精度滿足光學設計要求。采用吊索配重實現了水平裝調的重力卸載；次鏡采用離散化調整，調整與固定分離的設計，提高裝調精度。光學系統最終裝調因子達到0.92以上。

圖5 光學系統Fig.5 Optical layout

圖6 光機主體剖面Fig.6 Mock up of telescope

2.3 相機與整星結構一體化設計技術

為滿足高空間分辨率光學遙感器研制對整星姿控、熱控、結構動特性等需求，進行了整星一體化設計，主要包括：1）星敏感器直接安裝在相機的主承力結構上，這樣可以保證星敏感器與相機視軸之間良好的連接剛度，避免了因衛星艙體在軌結構變形引入的定位誤差；2）相機的構型設計與整星的構型設計同步進行，相機參與整星的動力學耦合分析，以尋求相機良好的整機剛度，同時也有利于整星借助相機的高剛度來提高自身剛度。

這種裝星方式具有以下優點：

1）相機與星敏感器的光軸指向精度的穩定性依靠相機的主承力板的性能保證；2）這種立式安裝方式，相機安裝位置靠近衛星質心，動力學環境得到很好的改善；3）相機兩側設置設備艙，相機電子學組件放置在設備艙內，避免其質量直接支撐在相機主承力框上，有效保證了相機鏡頭的精度；4）相機遮光罩直接安裝在衛星設備艙結構上，與相機鏡頭采用軟連接，避免遮光罩的重力對鏡頭產生動態干擾。

2.4 支撐結構的減振設計技術

使用阻尼支撐桁架（如圖7所示）實現對相機主體的支撐，具有適當的剛度才能保證相機主體具有良好的頻率特性。針對相機在發射主動段及在軌抗振具有的寬頻段振動特性的特點，采用阻尼設計使振動響應在發射主動段和在軌均得到了良好的抑制。

阻尼支撐桁架的設計頻率為 30Hz，經驗證對頻率大于100Hz的衛星激振有良好的抑制，可有效的抑制衛星在軌階段產生的微振動，保證成像品質；同時在主動段隨機振動中，從衛星安裝面到主相機承力結構三個方向均方根加速度衰減至輸入的一半以下，為光機主體提供了良好的發射動力學環境。

圖7 阻尼桁架Fig.7 Damping truss

2.5 雜光抑制技術

雜光是指入射到光學系統或在系統內產生的非成像光束。非成像光線形成的雜光入射到像面視場范圍內，會降低光學系統成像的對比度，使圖像的背景抬高，降低系統的動態范圍，同時雜光帶來了額外的散彈噪聲，降低了圖像的信噪比。GF-2衛星相機光學系統屬于三反同軸類型，此類系統主要有三種雜光：

1）不經主次鏡由物空間直接射到一次像最終到達像面的雜光；為阻擋這類雜散光，采用次鏡安裝內遮光罩和主鏡安裝內遮光筒消除。

2）視場內的成像光束，不按成像光路，經鏡面來回反射到像面的雜光；消除辦法主要是通過提高反射鏡鏡面的光潔度，在反射鏡鏡面鍍高反射率反射膜，以減少漫反射光；并在適當位置設置光欄。

3）視場外的光線經筒壁漫反射而射到像面的雜光。為防止視場外雜散光，相機加裝外遮光罩，并在鏡筒內壁和透鏡邊緣涂消光漆。

建立雜光抑制仿真模型（如圖8所示），通過雜散光仿真分析可知，相機抑制雜散光能力較好，雜光系數小于3%。

圖8 雜光抑制仿真模型Fig.8 Model of miscellaneous optical extinction simulation of camera

2.6 高速低噪聲電路技術

由于相機的積分時間短，成像電路的工作頻率非常高，而入瞳能量又較低，為實現相機的高信噪比要求，成像電路的噪聲要非常小。要在高速的前提條件下實現低噪聲的電路設計，抑制電路自身和由于高速而增加的各類噪聲，采用了以下技術：

1）對CCD器件進行了低溫控制，通過CCD器件背面安裝的4根微型高效熱管，建立CCD器件→熱管→散熱面的傳熱途徑，實現CCD探測器工作在–2℃～+5℃的低溫水平，大大減小了器件產生的暗電平和暗電平噪聲。

2）采用量化位數達14bit的信號處理芯片，配合550萬門FPGA，實現對CCD模擬信號的相關雙采樣、箝位、增益控制、A/D轉換、輔助數據注入、數據格式編排功能。實現了高集成度、低功耗、低噪聲的成像電路設計。

3）采用了星上數字增益和動態箝位技術，可以在軌設置參數，去除大氣漫反射等造成的圖像襯底，提高信噪比。

4）采用高速并串轉換數據傳輸接口TLK-2711，實現了每通道高達2Gbit/s的數據傳輸能力，有效的提高了數據傳輸效率和可靠性，同時抑制了高頻串擾噪聲對系統信噪比的影響。

5）通過GPS硬件秒脈沖、衛星整秒計數和相機本地時鐘相結合的方式，信號處理器根據硬件秒脈沖啟動本地計時時鐘（1MHz），從而精確計算出每一行的成像時刻，并在對應圖像行的輔助數據里標出。同時通過鎖存相臨兩個秒脈沖沿之間的計數值能夠實現對時鐘頻率的標定。實現了對每一幀圖像成像時刻的精確標定，從而提高了定位精度。

2.7 高精度熱控技術

為了保證 GF-2衛星相機成像品質，要求光學鏡頭及主要支撐結構的在軌溫度穩定度在全壽命周期內保持±0.3℃，相比于目前國內在軌大口徑光學遙感器±1℃或±2℃的溫度穩定性而言，熱控難度顯著增大。為此，相機在方案設計過程中大量采用了結構熱控一體化的設計思想，在主動控溫與被動隔熱設計中采用了間接輻射控溫技術和指令控制式補償加熱技術等多種創新設計方法，并達到了很好的效果。

GF-2衛星相機熱設計中創新性的采用了間接熱控與結構一體化的設計方法，即相機結構設計與熱控設計同步開展，在結構設計的同時充分考慮熱控的需要。在被控對象周圍合適的區域布置控溫結構板，對其進行發黑處理以提高紅外發射率同時對其進行控溫，通過控溫結構板與被控對象之間的輻射換熱達到對被控對象進行間接控溫的目的。上述方法利用了輻射換熱熱阻較大，被控對象溫度變化緩慢的特點，使得外界溫度發生較大波動時，只需控制控溫結構板的溫度在一個相對較小的范圍內波動，即可以確保被控對象具有很高的溫度穩定性。其原理見圖9。

圖9 間接輻射控溫示意Fig.9 Indirect radiation thermal control

GF-2衛星相機的CCD器件在工作時均會產生大量的熱量，造成CCD的溫度迅速升高，對CCD的溫度穩定性產生不利的影響。由于常規的功率補償方法存在控溫延遲，無法滿足 1m全色/4m多光譜相機CCD的溫度穩定性要求，為此，提出了通過相機發送指令控制補償加熱回路開關的方式對CCD進行恒溫化設計。當相機開機瞬間，相機的管理控制器發送指令關閉 CCD控溫加熱回路，當相機成像結束瞬間，相機管理控制器發送指令打開CCD控溫加熱回路，使CCD附近一直保持恒定的發熱功率，從而降低了CCD的溫度波動。

相機在軌溫度遙測數據顯示，光機主體的溫度穩定性達到了±0.2℃，CCD的溫度穩定性達到±1℃，相機各位置的溫度數據均優于設計指標。

3 在軌應用評價

2014年8月20日，GF-2衛星首次進行在軌成像測試，下傳首批影像數據，包括0.8m分辨率全色和3.2m分辨率多光譜影像，影像清晰、層次豐富、細節表現力強，圖像直方圖分布合理。圖10為相機全色和B1，B2，B3譜段融合圖像。

圖10 相機在軌獲取圖像（真彩色）Fig.10 Photograph taken by the camera in orbit (true color images)

GF-2衛星經過 6個月的在軌測試與評價：PMS1相機的星下點 GSD分別為全色 0.799m、多光譜3.200m，PMS2相機的星下點GSD分別為全色0.800m和多光譜3.200m；PMS1相機幅寬為23.37km，PMS2相機幅寬為23.36km，組合幅寬為45.74km；PMS1和PMS2影像在沿軌和垂軌方向圖像數據波段配準精度均優于0.3像元；圖像無控幾何定位精度為39.8m；全色圖像在沿軌方向和沿CCD方向內部幾何精度分別約1.3m與0.7m，多光譜圖像在沿軌方向和沿CCD方向內部幾何精度分別約2.1m與1.6m。

4 結束語

GF-2相機設計理念先進，采用了多項創新技術，是現今我國焦距最長、分辨率最高的民用航天遙感相機，也是國際上同等分辨率幅寬最大的遙感相機，標志著我國民用航天遙感正式跨入“亞米級”時代。亞米級遙感數據不僅為我國經濟建設、生態文明建設、民生安全保障和推進國家治理能力現代化起到信息支撐作用，同時對于遙感數據國產化、開拓國際市場、推動空間信息產業發展等方面也具有重要意義。

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