國外靜止軌道大口徑反射成像技術發展綜述

劉韜

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

國外靜止軌道大口徑反射成像技術發展綜述

劉韜

（北京空間科技信息研究所，北京 100086）

地球靜止軌道米級分辨率光學成像衛星是構成高、中、低軌偵察監視體系的重要部分，其特有的區域持續監視能力和動態目標跟蹤能力有廣闊的應用需求，各航天強國都在大力發展靜止軌道高分辨率光學成像衛星，高軌大口徑反射成像技術已成為近年來的研發重點，包括大口徑單體反射成像技術、空間分塊可展開成像技術等。文章對上述技術發展進行了綜述，特別對國際上大口徑單體反射成像系統的相機光學設計、探測器設計和電子學設計基本情況進行了研究；并從國際上近年發展經驗，梳理出自適應光學是實現用于對地觀測的空間分塊可展開成像系統的關鍵技術。

大口徑反射鏡 分塊可展開鏡 地球靜止軌道 航天遙感

0 引言

地球靜止軌道（Geostationary Orbit，GEO）光學成像衛星監視范圍廣、時間分辨率高，并具備極快的響應能力。國外正在發展的GEO高分辨率光學成像衛星（以下簡稱GEO高分衛星）可對拍攝區域內目標進行持續成像，甚至視頻監視，并具備動態目標探測能力。此外，GEO高分衛星圖像定位精度約為200m，展示出動態目標指示的潛力。GEO高分衛星從指令下達到圖像交付只需2～15min，響應速度甚至超過低軌快響衛星。目前，美國GEO高分衛星向1m分辨率發展，力圖實現對導彈發射車等地面目標和海洋艦船等高價值動目標的跟蹤。歐洲GEO高分衛星向3m分辨率發展，力圖實時監視海上目標。

隨著航天遙感成像技術的發展，美、歐相繼提出構建具有抗毀能力的航天成像偵察監視體系的理念。與低軌衛星相比，GEO衛星難以被反衛星武器摧毀，在GEO部署衛星是美國2013年提出的分散式軍事航天體系中多軌道分散的重要方式[1]。歐洲于2013年提出構建高、中、低軌成像偵察監視體系[2]，計劃利用 GEO高分衛星對區域實現持續監視，利用中軌衛星對區域進行數十分鐘的監視，利用低軌衛星進行甚高分辨率詳查。按照美、歐發展計劃，預計2020～2030年具備GEO軌道1m～3m分辨率監視能力[3]。在此需求帶動下，大口徑反射成像技術、衍射成像技術和稀疏孔徑成像技術成為研究熱點。由于技術復雜度相對較低，大口徑單體反射鏡成像技術、空間分塊可展開反射成像技術成為研究熱點中的熱點[4-9]。

與國外GEO米級分辨率成像技術相比，中國差距較大，2015年底發射的“高分四號”GEO成像衛星[10]，分辨率僅為50m。因此，有必要對國外相關技術進行詳細研究。

1 國外高軌大口徑反射成像技術的發展

靜止軌道高度為低軌的數十倍，為了在 GEO實現米級分辨率，必須增大成像系統口徑，進而提高系統的角分辨率。據測算，要在GEO實現1m分辨率，成像系統口徑需達到13m[11]，這一尺寸已超過現有運載火箭整流罩尺寸。歐洲技術能力遜于美國，以大口徑單體反射鏡成像技術作為發展重點，而美國將空間分塊可展開等成像技術作為研發重點。

圖1為成像系統體制復雜度與等效口徑關系[5]。與單體反射鏡成像相比，空間分開可展開成像技術及其工程實現都更為復雜，但可實現更大口徑，在未來的高軌高分辨率光學成像技術中具有巨大的應用潛力。采用該技術的“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”（JWST）項目已經進入工程研制階段。同屬反射成像技術的在軌裝配成像技術處于復雜度更高區間，目前僅處于概念論證階段，本文將不介紹其發展情況。表1給出了各種GEO高分辨率光學成像技術的優勢、問題和國外相關研究項目名稱。

圖1 成像系統體制復雜度與等效口徑關系Fig.1 Relationship between complexity of imaging system architectures and effective diameters

表1 靜止軌道高分辨率光學成像技術對比和相關項目發展Tab.1 Comparison of GEO high resolution optical imaging technology and development of projects

1.1大口徑單體反射鏡成像技術

大口徑單體反射鏡成像技術難度最低，發展較為成熟，但缺點是反射鏡口徑不能超過運載火箭整流罩尺寸，從而限制了相機焦距的增加，最終限制了GEO衛星星下點分辨率。

美國在該技術上已經通過口徑約3m的“鎖眼-12”光學成像偵察衛星和口徑2.4m的哈勃望遠鏡項目積累了豐富經驗，因此更加關注空間分塊可展開等新技術的攻關。鑒于技術水平限制，歐洲近期仍采用大口徑單體反射鏡成像技術發展GEO高分衛星。本節主要介紹歐洲的相關技術發展。

（1）“靜止軌道—眼睛”衛星

阿斯特里姆（Astrium）公司于2009年完成了10.5m空間分辨率的“靜止軌道-眼睛”（GEO-oculus）衛星的方案論證工作[11-14]。該衛星的空間相機主鏡采用碳化硅（SiC）制造，口徑為1.5m，采用與ESA在研的“大氣動力學-風神”衛星（Atmospheric Dynamics Mission-aeolus，ADM-aeolus）激光遙感器主鏡相似技術。全色通道成像光路基于Korsch結構，由主鏡、次鏡、三鏡和平面折轉鏡組成。而其他通道的成像光路是基于主鏡和次鏡組成的Cassegrain結構，通過在主鏡背部后的光路中增加分光鏡，可以將其他多譜段通道分離開（如圖2所示）。除全色探測器外，其他多譜段探測器前都有一個濾光輪（共4個），用于細分光譜。

圖2 GEO-oculus相機光路圖Fig.2 Optical configuration of GEO-Oculus payload

GEO-oculus相機有 1個全色焦平面和 4個多光譜焦平面，多光譜譜段分別是紫外-藍（0.318～0.555μm）、紅-近紅外（0.655～1.040μm）、短波紅外-中波紅外（1.375～3.7μm）和遠紅外（10.850～12.000μm）[12]。全色譜段星下點地面采樣距離（GSD）為 10.5m，衛星側擺對北緯 52.5°時，GSD下降到21m（也就是對歐洲地區的分辨率約為21m），視場角為0.25°×0.25°，幅寬157km×157km。

GEO-oculus相機紫外-近紅外譜段計劃采用CMOS探測器，CMOS探測器可以覆蓋0.4～0.9μm譜段，但若覆蓋0.318～1.04μm譜段，探測效率不高。因此需要兩個探測器，一個對紫外-藍譜段，一個用于紅-近紅外譜段。GEO-oculus相機的全色、紫外-藍和紅-近紅外焦平面CMOS探測器陣列分為4個可獨立運行的子塊，如果出現故障，不會相互影響。4塊2.5×107像元的CMOS進行拼接，實現1×108像元的大尺寸CMOS，每片CMOS均有16個2×107像元/s的視頻輸出端口。

圖3 紫外可見光近紅外CMOS探測器（左）和短波中波紅外HgCdTe探測器（右）Fig.3 UV-VNIR CMOS detector (left) and SWIR/MWIR HgCdTe detector (right)

表2 探測器參數Tab.2 Detector parameters

GEO-oculus的中波紅外探測器最終選擇由HgCdTe制造，可以滿足1.3～3.7μm的探測譜段要求。該探測器像面總尺寸為30mm×30mm（通過拼接得到）。每個子單元通過4個視頻接口以1×107像元/s的速率輸出，根據暗電流水平，其工作溫度設置為130K。

對于熱紅外探測器，同樣選擇QWIP。每個子單元的數據通過兩路1×107像元/s的視頻讀出線輸出，探測器所需的工作溫度為50K。

如圖4所示，探測器與鄰近電路模塊（PEM）相連，PEM提供探測器時鐘、偏壓和視頻信號前置放大功能。

圖4 相機電子學框圖Fig.4 Electronics architecture of the space camera

截止到2013年年底，歐洲在制造10.5m空間分辨率的靜止軌道光學成像載荷時，仍然遇到CMOS探測器技術和紅外探測器技術成熟度低的問題。可以預見，歐洲必將把CMOS探測器和紅外探測器技術作為未來的發展重點。

（2）“靜止軌道空間監視系統”衛星

2010年，歐洲將目光放在發展3m分辨率的“靜止軌道觀測太空監視系統”（GO-3S）衛星上。Astrium公司于2013年4月完成了GO-3S衛星的需求論證工作，目前進入初期方案設計階段，目標2020年發射[15]。

GO-3S衛星采用的單體主反射鏡口徑為4m，由碳化硅制造，整個成像系統質量1 200kg。星下點空間分辨率達到 3m，幅寬 100km。衛星不但可以拍攝傳統靜態圖像，還可以提供高分辨率的視頻影像和動目標監測能力，能夠持續覆蓋±50°緯度范圍。

GO-3S衛星具有 3個視頻工作模式，“突發”模式是在短時間內以較高的幀速率拍攝視頻，用于快速獲取目標的速度、方向等瞬時特性；“持續視頻”模式是在數分鐘的拍攝時間內以較高幀速拍攝視頻，盡管達不到24幀/s的真正視頻效果，但盡量使每幀圖像連貫起來；“時延視頻”模式是以一定時間間隔（如分鐘、小時或天）拍攝視頻，主要用于跟蹤艦船，也可用于獲取海洋環境的長時間演化特性。

成像系統將基于2009年ESA成功發射的3.5m口徑“赫歇爾太空望遠鏡”（Herschel）的相關技術，包括大口徑反射鏡材料、鏡坯制造、研磨、拋光、鍍膜和檢測技術等。但是由于Herschel工作于波長較長的遠紅外至亞毫米波譜段，而GO-3S衛星工作在波長相對短的可見光譜段，因此GO-3S衛星成像系統面形精度要求比Herschel嚴格，目前仍存在技術困難。

衛星采用凝視觀測方式，要求CMOS面陣探測器達到10億像元。目前，GEO-oculus衛星探測器技術尚需突破，可以看出GO-3S的探測器研制還有很長的路要走。

綜合上述分析，利用單體反射鏡成像技術實現 GEO高分辨率成像的優勢是技術難度相對最低，最大難度在于高面形精度4m口徑反射鏡和面陣探測器的研制。

1.2 空間分塊可展開成像技術

空間分塊可展開成像技術利用分塊子鏡拼接為大口徑主鏡，發射時折疊，入軌后展開。成像系統口徑可突破火箭整流罩尺寸限制，避免加工大口徑鏡片，且加工周期較短。軍用“分塊反射鏡太空望遠鏡”（SMT）項目和民用JWST項目是該技術的代表性項目。

（1）“分塊反射鏡太空望遠鏡”項目

從 21世紀初期，美軍積極謀劃成像偵察衛星裝備的升級換代，計劃用未來成像體系光學衛星（FIA-O）替代KH-12光學成像衛星。負責運管成像偵察衛星的美國國家偵察局（NRO）在FIA計劃實施期間開展了 SMT項目，研制原理樣機。由于成本超支、進度延誤以及關鍵技術一時難以解決，不得不于2005年9月取消FIA-O項目。SMT樣機由NRO轉交海軍研究院，將自適應光學技術作為后續主攻方向之一。

FIA-O項目原理樣機由6個1m口徑的子反射鏡組成3m口徑的主鏡，每塊子反射鏡背后有6個方向控制致動器、3個精控致動器和156個面形控制致動器[16]。成像系統不但使用主動光學系統用于調整主鏡面型，還使用自適應光學系統，如圖5所示。在光路中增加了基于微電子機械系統制造的變形反射鏡，該鏡可承受1kHz的振動頻率，校正大氣擾動引起的波前像差[17]。

圖5 NRO研發的SMT望遠鏡（左）和SMT望遠鏡光路設計（右）Fig.5 SMT telescope developed by NRO（left）and optical design of SMT（right）

（2）詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

JWST追溯到1989年美國“下一代太空望遠鏡”（Next Generation Space Telescope，NGST）計劃，2002年NGST改名為JWST，JWST作為哈勃的接替型號，受到美國高度重視，NASA將其作為預算單獨列支的重大專項，總預算已經高達87億美元，美國通過JWST這一天文項目繼續發展空間分塊可展開成像技術。

JWST主鏡由18個對角距離為1.52m的六邊形分塊子鏡組成，光學系統采用同軸三反設計，由主鏡、次鏡、三鏡和精密轉向鏡（FSM）組成，主鏡面積25m2，等效為口徑6.5m的圓形鏡片，系統焦距為131.4m，FSM提供精確的指向和成像穩定度[18]。JWST的示意圖見圖6，總體參數見表3。

圖6 JWST示意Fig.6 Diagram of JWST

表3 JWST總體參數Tab.3 Overall parameters of JWST

JWST對于整個光學系統的波前誤差要求小于131nm (RMS)。

與傳統單體反射鏡不同，JWST的子鏡是由鏡片部分和結構非常復雜的鏡片支撐與校正結構共同組成，這一結構稱為主鏡組件（PMSA），如下圖所示。致動器精確調整距離為10 μm、調整步長0.007 7 μm、調整重復精確度0.002 μm；粗調距離21mm，步長0.058 μm[19]。

用于在L2軌道空間觀測的JWST和對地觀測的SMT望遠鏡最大的區別是前者不需要頻繁的機動，而后者需要頻繁側擺機動以觀測不同的地面目標，這對SMT光學系統設計提出了更高的要求。此外SMT所處的GEO空間熱環境比L2軌道復雜，遮光系統和熱控系統設計與JWST不同。

圖7 JWST主鏡組件結構Fig.7 Segmented mirror structure of JWST’s primary mirror

1.3關鍵技術

大口徑單體反射鏡成像技術，利用超低膨脹材料和現代精密機械加工技術，在增大鏡片口徑的同時，盡量減小鏡片質量、降低鏡片的熱彈性變形、提高鏡片剛度以保證鏡片面形精度。研制難度在于大尺寸反射鏡材料的制備、反射鏡面型的研磨和面型精度的保持。

空間分塊可展開成像技術的主鏡由若干塊小型反射鏡拼接而成，避免了加工大口徑反射鏡的技術難題，減小了反射鏡材料制備、加工小反射鏡面型保持的難度，但需要復雜的波前傳感系統進行面形精度的實時檢測，在主動光學和自適應光學技術的控制下完成光學系統的調整，同時分塊鏡背后需要致動器實時調整面形精度以保證拼接的整體效果，還需要變形鏡進行波前校正，且變形鏡的致動器設計更加復雜。此外，光機結構的精度和穩定性要求也很高。

綜上所述，兩種技術各有難點：大口徑單體反射鏡難點優點在于現有技術基礎繼承性強，缺點是鏡片口徑受限；空間分塊可展開成像系統優點在于減小了反射鏡加工難度且反射鏡口徑不受限，缺點是需要攻克諸多新技術。

2 結束語

GEO米級分辨率光學成像衛星在大范圍區域態勢感知、各類突發事件應急響應、區域重點目標監視等領域有廣泛的應用前景，獲得了國外的高度關注。GEO米級分辨率成像技術成為國外光學成像技術研發的重點。建議中國以大口徑單體反射鏡成像技術為基礎，并密切跟蹤國外空間分塊可展開成像技術的發展，開展關鍵技術攻關，確保跟上世界的發展腳步。

References)

[1]Air Force Space Command. Resiliency and Disaggregated Space Architectures[EB/OL]. [2015-3-4]. https://fas.org/spp/ military/resiliency.pdf.

[2]PETER B. CNES Study Details Pros, Cons of Alternative Imagery Architectures[EB/OL]. [2015-3-4]. http://spacenews. com/37646commercial-earth-observation-cnes-study-details-pros-cons-of-alternative/.

[3]JASON C E. The All Seeing Eye: Space-based Persistent Surveillance in 2030[EB/OL]. [2015-3-4]. https://www. resear-chgate.net/publication/235036625_The_All_Seeing_Eye_Space-Based_Persistent_Surveillance_in_2030

[4]岳濤, 李博, 陳曉麗, 等. 空間光學發展現狀和未來發展[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(5): 1-9. YUE Tao, LI Bo, CHEN Xiaoli, et al. The Current and Future Development of Space Optics[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2011, 32(5): 1-9. (in Chinese)

[5]STEPHEN E K, STAHL H P. Large Aperture Space Telescope Mirror Fabrication Trades[J]. Proc. of SPIE, 2008, 7010(2G): 1-12.

[6]POSTMAN M, MOUNTAIN C M, SOUMMER R, et al. Advanced Technology Large-aperture Space Telescope: Science Drivers and Technology Developments[J]. Optical Engineering, 2012, 51(1): 1-11.

[7]CLAMPIN M. Overview of the James Webb Space Telescope[C]//37th COSPAR Scientific Assembly, Montréal, 2008.

[8]DARPA. Membrane Optical Imager for Real-time Exploitation[EB/OL]. [2014-12-15]. http://www.richardcyoung.com/ terrorism/membrane-optical-imager-for-real-time-exploitation-moire/.

[9]ASTRIUM. GEO-HR Product Prospectus[EB/OL]. [2014-12-10]. http://due.esrin.esa.int/files/m300/GEO-HR_ProductProspec tus_small.pdf.

[10]人民網.高分四號衛星有望今年發射[EB/OL]. [2015-03-04]. http://scitech.people.com.cn/n/2015/0304/c1057-26630564. html/. People Net. GF-4 Satellite is Expected to Lunch This Year[EB/OL]. [2015-03-04]. http://scitech.people.com.cn/n/20 15/0304/c1057-26630564.html/. (in Chinese)

[11]BELLO U D, MASSOTTI L. ESA Studies on HR Imaging from Geostationary Satellites-mission Requirements [EB/OL]. [2013-4-25]. http://due.esrin.esa.int/files/m300/02.pdf.

[12]ASTRIUM GMBH. GEO-oculus: A Mission for Real-time Monitoring through High-resolution Imaging from Geostationary Orbit[EB/OL]. [2014-10-23]. https://www.eumetsat.int/cs/idcplg?IdcService=GET_FILE&dDocName=pdf_conf_p_s1_ 04_schull_p&allowInterrupt=1&noSaveAs=1&RevisionSelectionMethod=LatestReleased.

[13]林劍春, 孫麗崴, 陳凡勝. 靜止軌道高分辨率相機GEO-oculus方案論證研究[J]. 紅外, 2012, 33(5): 1-6. LIN Jianchun, SUN Liwei, CHEN Fansheng. Research on GEO-oculus a Geostationary High Resolution Camera[J]. Infrared, 2012, 33(5): 1-6. (in Chinese)

[14]于龍江, 劉云鶴. GEO中高分辨率民用光學對地觀測衛星發展研究[J]. 航天器工程, 2013, 22(1): 106-112. YU Longjiang, LIU Yunhe. Development Analysis on GEO Civil Optical Earth Observation Satellites with Mid-high Resolution[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(1): 106-112.(in Chinese)

[15]ASTRIUM. GEO-HR Requirements for Maritime Security & Disaster Management[EB/OL]. [2014-10-10]. http://dup.esrin.esa.int/files/m300/GEO-HR-ASG-RP-006_Final_Report_Issue_1rev2_no_disclaimer.pdf.

[16]NAGASHIMA M, AGRAWAL B N. Active Control of Adaptive Optics System in a Large Segmented Mirror Telescope[J]. International Journal of Systems Science, 2012, 45(2): 1-17.

[17]AGRAWAL B N, KUBBY J. Applications of MEMS in Segmented Mirror Space Telescopes[J]. Proc. SPIE, 2011, 7931(2): 1-17.

[18]CLAMPIN M. Overview of the James Webb Space Telescope observatory[J]. Proc. SPIE, 2010, 7731(7): 1-9.

[19]ROBERT M W. Cryogenic Nano-actuator for JWST[EB/OL]. [2015-3-4]. http://www.esmats.eu/amspapers/pastpapers/ pdfs/2006/warden.pdf.

[20]OEGERLE W R, PURVES L R, BUDINOFF J G, et al. Concept for a Large Scalable Space Telescope: in-space Assembly[J]. Proc. SPIE, 2006, 6265(2C): 1-12.

[21]POSTMAN M,SPARKS WB, LIU Fengchuan, et al. Using the ISS as a Test Bed to Prepare for the Next Generation of Space-based Telescopes[J]. Proc. SPIE, 2012, 8442(1T): 1-10.

[22]MESSIER D. DARPA Proposes $127 Million in Space Spending[EB/OL]. [2015-2-23]. http://www.parabolicarc.com/ 2015/02/23/darpa-proposes-127-million-space-program-spending/.

[23]FEINBERG L D, BUDINOFF J G, MACEWEN H A, et al. Modular Assembled Space Telescope[J]. Optical Engineering. 2013, 52(9): 1-8.

An Overview of Development of Foreign Large Aperture Reflection Imaging Technology on Geostationary Orbit

LIU Tao

（Beijing Institute of Space Science and Technology Information, Beijing 100086, China）

Geostationary meter-level resolution imaging satellite is an important part of the surveillance architecture which is composed of high, medium and low earth orbit satellites. Its regional continuous surveillance capability and high value dynamic target tracking capability are needed in a wide range of applications. Driven by the application needs, large aperture reflective imaging technology has become a hot research area in America and Europe in recent years, including large-aperture monolithic mirror imaging technology, segmented mirror and deployable imaging technology, etc. Developments of these technologies are overviewed by this paper. Moreover, camera optical design, detector design, and electronics design of large-aperture monolithic mirror imaging systems are studied. This paper also figures out from recent foreign development experiences that adaptive optics is the key technology to achieve space-based segmented deployable imaging system for earth observation.

large aperture monolithic mirror; segmented deployable mirror; geostationary orbit; space remote sensing

TP732

: A

: 1009-8518(2016)05-0001-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.001

劉韜，男，1982年生，2011年畢業于北京工業大學光學專業，獲博士學位，工程師，研究方向為國外大口徑光學成像系統。E-mail：ittaotao@yeah.net。

（編輯：毛建杰）

2016-05-05