“高分四號”衛星凝視相機的技術特點

馬文坡 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛星凝視相機的技術特點

馬文坡 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛星凝視相機具有高時間分辨率、較高空間分辨率和較大成像幅寬的特點。它包含可見光近紅外（VNIR）通道和中波紅外（MWIR）通道，VNIR通道有5個譜段，MWIR通道有1個譜段，具備晝夜成像能力。相機光學系統為折反射系統，采用分色片實現VNIR與MWIR譜段分離，利用旋轉濾光輪將入射VNIR輻射分成5個譜段。VNIR焦面組件采用全局電子快門CMOS面陣探測器；MWIR焦面采用HgCdTe面陣探測器，由脈沖管制冷機制冷到80K。MWIR譜段采用兩個黑體進行星上定標。基于用戶需求和地球靜止軌道環境開展了相機與衛星平臺一體化設計、光學系統力學和熱學穩定性設計、微振動抑制設計、活動機構長壽命高可靠性設計。

凝視相機 旋轉濾光輪 面陣探測器 一體化設計 “高分四號”衛星

0 引言

空間分辨率優于1m的低地球軌道（LEO）光學成像遙感衛星已經廣泛應用多年，但時間分辨率較低。例如，WorldView-3衛星全色譜段星下點空間分辨率高達0.31m，星下點幅寬為13.1km，通過衛星側擺平均重訪時間可達1天。地球靜止軌道（GEO）氣象衛星具有較高的時間分辨率和較大的成像幅寬，但空間分辨率較低。例如，正在研制的歐洲第三代氣象衛星（MTG）全地球圓盤觀測的重訪時間為10min，四分之一地球圓盤觀測的重訪時間為2.5min，可見光譜段和短波紅外譜段的星下點空間分辨率最高僅為500m[1-2]。為滿足同時需要高時間分辨率和較高空間分辨率的對地觀測需求，中國研制和發射了運行于地球靜止軌道上的“高分四號”衛星。

“高分四號”衛星為世界首顆地球靜止軌道高分辨率光學成像遙感衛星，星上裝載了一臺凝視相機。利用衛星長期駐留赤道上固定區域上空、持續提供上行和下行數據通道以及較強姿態機動能力，凝視相機可對中國及周邊地區進行觀測，可快速獲取突發事件的遙感數據，并可根據需要靈活調整成像積分時間。

“高分四號”衛星主要為綜合防災減災、氣象預報、林業監測和地震監測等領域提供高時間分辨率和較高空間分辨率遙感數據，并可為海洋、農業、國土、水利等行業提供遙感數據服務。“高分四號”衛星于2015年12月29日發射，2016年1月4日開始獲取圖像，2016年6月13日投入使用。

“高分四號”衛星凝視相機工作在可見光近紅外和中波紅外譜段，可見光近紅外譜段的星下點地面像元分辨率為 50m、幅寬為 500km×500km，中波紅外譜段的星下點地面像元分辨率為 400m、幅寬為400km×400km，可通過衛星姿態機動實現“步進與凝視”成像，進一步擴大觀測區域。

1 主要技術指標

“高分四號”衛星凝視相機的主要技術指標如表1所示。

表1 “高分四號”衛星凝視相機的主要技術指標Tab.1 Main specifications of the staring camera on board GF-4 satellite

2 設計概述

“高分四號”衛星凝視相機的組成框圖如圖1所示，相機主體如圖2所示。其可見光近紅外與中波紅外通道既可同時成像也可分別成像，既可單次成像也可連續成像，可見光近紅外通道5個譜段既可單譜段成像也可多譜段成像。“高分四號”衛星凝視相機的主要成像模式見表2。

圖1 “高分四號”衛星凝視相機組成框圖Fig.1 Block diagram of the staring camera on board GF-4 satellite

圖2 “高分四號”衛星凝視相機主體Fig.2 Engineering qualification model of the staring camera on board GF-4 satellite

表2 “高分四號”衛星凝視相機的主要成像模式Tab.2 Imaging mode of the staring camera on board GF-4 satellite

3 技術特點

“高分四號”衛星凝視相機的主要技術特點如下：

1）采用較大規模的面陣探測器，配合大口徑、長焦距光學系統以及高速低噪聲信號處理電路，實現了高時間分辨率、較高空間分辨率、較高輻射分辨率以及較大單景成像幅寬。可見光近紅外通道單譜段連續成像時間分辨率為5s，多譜段連續成像時間分辨率為分鐘級，中波紅外通道連續成像的時間分辨率為1s，特別適合于對動目標或快速變化目標進行監視成像。經測試，可見光近紅外通道的星下點地面像元分辨率優于 50m，中波紅外通道的星下點地面像元分辨率優于 400m，為目前空間分辨率最高的地球靜止軌道光學成像儀器；可見光近紅外通道的星下點單景成像幅寬優于500km×500km，中波紅外通道的星下點單景成像幅寬優于400km×400km；可見光近紅外譜段可實現的最大SNR優于50dB，中波紅外譜段的NETD優于0.1K（@350K）。

2）光學系統采用折反射系統，利用分色片實現可見光近紅外通道與中波紅外通道分離，利用旋轉濾光輪將入射可見光近紅外輻射分成5個譜段。可見光近紅外通道與中波紅外通道既可同時成像也可分別成像，可見光近紅外通道5個譜段分時成像，中波紅外通道可晝夜獲取圖像。

3）可見光近紅外焦面組件采用基于全局電子快門曝光方式的CMOS面陣探測器，成像時所有像元同時曝光，不存在曝光不同時引起的景內圖像畸變。

4）中波紅外焦面采用HgCdTe面陣探測器，由脈沖管制冷機制冷到80K，脈沖管制冷機在軌連續工作。為了提高可靠性，中波紅外通道面陣探測器及制冷機均增加了冷備份。

5）探測器的積分時間準連續可調，可根據需要靈活設置每個譜段的積分時間，提升 SNR；還可對同一場景中的亮、暗目標采用不同的積分時間成像再進行圖像融合，實現大動態范圍觀測；也可對目標多次曝光成像再進行累加，進一步提高SNR。

6）通過相機與衛星平臺一體化優化設計，提升力學和熱學穩定性以及圖像輻射品質與幾何品質。衛星的星敏感器和測控天線安裝在相機上，而遮光罩的支撐段直接與衛星平臺相連，從而避免將熱量直接傳導到相機結構上。

7）針對地球靜止軌道冷熱交變周期長（24h）、熱環境惡劣、午夜前后一段時間陽光進入相機以及相機自身散熱、溫度穩定性和消雜光要求，通過采取相機結構與熱控一體化優化設計、遮光罩高效導熱與散熱設計、南輻射板與北輻射板耦合散熱設計、間接輻射熱控和消雜光設計等措施，在實現光學系統高精度控溫和雜光抑制的同時，降低了對衛星資源的需求。

8）針對地球靜止軌道凝視成像的積分時間長、對微振動敏感，結合仿真和試驗數據，采取減振與隔振措施，抑制微振動及其對成像的影響。

9）中波紅外通道采用常溫黑體和高溫黑體進行星上定標，定標頻次可根據需要進行設置，高溫黑體的溫度可根據需要進行調整。

10）為了滿足功能和性能要求，相機需要多套機構，如旋轉濾光輪機構、星上定標機構和脈沖管制冷機等，圍繞在軌工作8年的壽命和可靠性要求，從設計、過程控制和試驗驗證等方面采取措施，提升機構的壽命和可靠性。

4 結束語

“高分四號”衛星凝視相機的成像方式、外熱流變化情況、成像時陽光照射情況等與低軌衛星相機存在較大差異，給設計和研制工作帶來巨大挑戰。圍繞用戶需求和地球靜止軌道成像環境條件，“高分四號”衛星凝視相機在設計上采取了一系列措施，如相機與衛星平臺一體化設計、微振動抑制設計、光學系統力學和熱學穩定性及消雜光設計、活動機構長壽命高可靠性設計、高速低噪聲信號處理電路設計等。

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Technical Characteristics of the Staring Camera on Board GF-4 Satellite

MA Wenpo LIAN Minlong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The multispectral staring camera on board GF-4 satellite has the characteristics of high temporal resolution, higher spatial resolution and wider coverage. It includes visible and near infrared (VNIR) channel and middle wave infrared (MWIR) channel. The VNIR channel has five spectral bands, while MWIR channel has one spectral band with day and night imaging capability. Its optical system adopts a catadioptric system. A dichroic beam-splitter is utilized to separate VNIR spectral bands from MWIR spectral band, and a filter wheel assembly is used to split the in-coming VNIR radiant flux into 5 spectral bands. The VNIR focal plane assembly uses CMOS area array detector with global shutter, while the MWIR focal plane assembly uses HgCdTe area array detector cooled to 80K by pulse tube cooler. On board calibration of MWIR spectral band is achieved with two blackbodies. Integrated design of the camera and the platform, mechanical and thermal stability design of optical system, micro-vibration suppression design, long-life and high reliability design of mechanisms are conducted based on user’s requirements and geostationary earth orbit environments.

staring camera; filter wheel; area array detector; integrated design; GF-4 satellite

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0026-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.004

馬文坡，男，1967年生，1992年畢業于中國空間技術研究院，博士生導師。研究方向為航天光學遙感器總體設計。E-mail：mawenpo@sina.com。

（編輯：龐冰）

2016-06-05

國家重大科技專項工程