“高分四號”衛星凝視相機設計與驗證

練敏隆 石志城 王躍 董杰

（北京空間機電研究所，北京 100190）

“高分四號”衛星凝視相機設計與驗證

練敏隆 石志城 王躍 董杰

（北京空間機電研究所，北京 100190）

2015年12月29日，中國第一顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星—“高分四號”衛星在西昌衛星發射中心成功發射，星上裝載的北京空間機電研究所研制的高分辨率光學遙感凝視相機，可以獲取星下點可見光近紅外譜段（全色及多光譜）50m地面像元分辨率、中波紅外譜段400m地面像元分辨率圖像，地面覆蓋超過 400km×400km。文章介紹了該相機的組成及工作原理、相機的關鍵技術及實現情況，給出了地面測試與試驗結果，對在軌運行和測試情況進行了簡單介紹，列出了在軌測試的主要結論。

地球靜止軌道 凝視相機 多光譜 中波紅外 “高分四號”衛星

0 引言

2015年12月29日，“高分四號”（GF-4）衛星在西昌衛星發射中心發射成功，2016年1月4日傳回第一幅高清晰影像。目前，衛星在軌運行正常，已完成在軌測試并交付用戶。GF-4衛星是我國第一顆民用地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星，用于獲取高時間分辨率、較高空間分辨率、大幅寬的遙感數據產品，為減災、氣象、地震、林業、環保以及其他行業業務系統的應急需要提供支持。

星載凝視相機是 GF-4衛星有效載荷，具備在地球靜止軌道獲取星下點可見光近紅外譜段（全色及多光譜）50m地面像元分辨率，中波紅外譜段400m地面像元分辨率圖像數據的能力，通過多譜段影像融合，能夠提供假彩色及真彩色影像產品。

本文首先闡述了星載凝視相機的組成及工作原理，然后詳細論述了關鍵技術及實現情況、地面測試與試驗情況，最后對研制成果的應用情況進行了介紹[1]。

1 相機系統描述

1.1 技術指標

GF-4衛星工作在距離地面36 000km的地球靜止軌道上，星上裝載的凝視相機應實現可見光近紅外通道星下點地面像元分辨率優于50m，中波紅外通道優于400m，并滿足大于400km×400km的成像幅寬。相機的主要技術指標要求見表1。

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

要求確保相機在壽命周期內適應各階段工作環境，并保證功能性能的穩定性[2]。

圖1 相機模裝圖Fig.1 Mock up of camera

1.2 相機組成及工作原理

GF-4衛星凝視相機主要由相機主體、遮光罩、可見光近紅外管理控制器、中波紅外管理控制器、中波紅外制冷控制器和相機溫度控制器等設備組成。相機采用面陣凝視成像方式，利用700mm口徑RC光學系統收集目標輻射信息。輻射信息經分色片分為可見光近紅外通道和中波紅外通道，再經各通道后繼光學系統分別匯聚到各通道焦面探測器上。可見光近紅外通道利用濾光輪實現輻射信息5譜段細分，中波紅外通道利用低溫濾光片實現中波紅外譜段截止。細分后的各譜段輻射能量被探測器轉化為電信號，經過信號處理電路讀出、A/D轉換后編碼送入衛星數傳系統。圖1是相機模裝圖。

1.3 相機系統主要技術途徑

為實現凝視相機的研制目標，主要采取了如下技術途徑：

1）采用面陣凝視成像方式，可見光近紅外譜段與中波紅外譜段均采用面陣探測器；

2）采用RC雙反結合透鏡組消像差的光學系統，通過分色片實現可見光與中波紅外通道分離；

3）采用旋轉濾光輪組件，實現可見光近紅外多光譜譜段的分時成像；

4）采用星上定標黑體裝置，實現中波紅外的星上定標；

5）采用脈沖管制冷機，實現中波紅外探測器的低振動、長壽命制冷；

6）中波紅外通道采用冷備份，通過光路中的切換鏡實現主備切換；

7）通過透鏡調焦方式實現可見光近紅外和中波紅外通道的在軌調焦。

1.4 相機關鍵技術及實現

（1）可見光近紅外與中波紅外共口徑光學系統設計

為滿足成像幅寬及像元分辨率要求，選擇可見光近紅外譜段與中波紅外譜段共用主光學的RC雙反系統加校正鏡組的光學系統方案，以滿足像質和空間布局要求。經優化設計，光學系統構型布局如圖 2所示：主光學為RC雙反系統，主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面；可見光近紅外譜段經分色片前表面反射進入可見光校正鏡組，通過光路中設置的濾光片實現光譜設定；中波紅外譜段則透射過分色片，經過中波紅外校正鏡組二次成像，從而實現光學系統出瞳與探測器冷光闌的匹配，并通過光路中的切換鏡實現主備份光路的切換。

圖2 光學系統布局圖Fig.2 Optical layout

在0.8°×0.8°全視場內，可見光譜段平均調制傳遞函數優于0.38，近紅外譜段優于0.32；在0.66°×0.66°全視場內，中波紅外譜段平均調制傳遞函數優于0.45，均接近衍射極限。

（2）高穩定大口徑反射鏡支撐技術

為實現對地物目標的高分辨率探測，需要采用大口徑長焦距主光學系統。大口徑反射鏡需要進行高穩定性支撐設計，以滿足以下幾個要求：

1）反射鏡面形要求：反射鏡面形的穩定是保證相機良好像質的關鍵[3]，因此需減小地面裝調狀態下重力對反射鏡的面形影響，減小溫度波動對面形的影響，減小主承力結構的微量變形對反射鏡面形的影響。

2）反射鏡位置要求：在重力環境變化和在軌溫度工況下，反射鏡徑向位置和鏡間距應滿足要求。

3）發射段力學要求：隔離發射段的劇烈振動環境，保證反射鏡的安全和位置要求。

主反射鏡采用SiC材料，利用其高比剛度特性實現輕量化設計。主鏡組件采用裝框式輔以限位塊的復合式支撐技術。鏡框與主承力結構間通過三組球頭球窩墊片來釋放裝配應力，反射鏡與鏡框通過分段齒狀徑向膠斑粘接設計實現溫度應力的卸載，如圖3所示。通過膠斑布局、膠斑面積和厚度的優化來實現嚴格的面形要求。

圖3 主鏡組件結構圖Fig3. Primary mirror components structure

主鏡組件基頻達到145Hz，具有較高的剛度，同時主鏡組件裝調狀態重力面形和溫度面形均滿足設計要求，動力學性能良好。主反射鏡組件的裝調、力學試驗和熱真空成像試驗對仿真結果進行了驗證，符合性良好。

（3）相機與衛星平臺一體化設計

相機主體結構的設計目標可概括為以下幾點：

1）為相機光學鏡頭提供穩定的支撐，確保實驗室測試、試驗以及在軌工作等不同環境下，可以保持良好的強度、剛度以及穩定性，保證光學系統成像品質。

2）具備合理的模態頻率特性，確保發射階段不會與衛星基頻耦合，避免共振放大造成相機在發射段受損[4]。

3）合理優化結構布局及接口，實現相機與衛星平臺一體化設計。

綜合考慮相機多通道裝調及測試要求，相機主體結構采用鑄造鈦合金制成，并根據光學設計結果將主體結構分為三個部分：前承力框、后承力筒和紅外承力板。其三維模型如圖4所示。利用拓撲優化技術實現主體結構高比剛度設計，使相機具有良好的結構穩定性。經振動試驗測試，相機整機一階基頻分別為X向41Hz，Y向41Hz，Z向88Hz，滿足衛星總體指標要求，各光學組件振動響應均在安全范圍內，能夠確保發射段不受損壞以及發射入軌后相機的成像品質。

圖4 相機主體承力結構模型圖Fig.4 Main structure models of camera

相機與衛星平臺一體化設計，具有傳統分艙設計不可比擬的優勢[5]，可以將星敏感器、測控天線、高集成測量模塊等設備直接安裝在相機上[6-7]，不僅減少了誤差傳遞路徑，而且提升了穩定度等多方面綜合性能。由于相機規模大，主體結構的精度及穩定性要求高，從系統集成角度對相機遮光罩構型及安裝方式、相機與衛星連接方式進行了一體化設計（見圖5）。

圖5 相機-衛星一體化結構模型圖Fig.5 Structure models of camera-satellite integration

結合高低溫工況，采用相機遮光罩分段設計。遮光罩支撐段與衛星連接，實現與相機絕熱設計，遮光罩筒體采用高導熱性能的鋁蜂窩鋁蒙皮結構，配合消雜光涂層以及散熱涂層實現雜散光抑制與高效散熱。

根據動態力學性能一體化設計相機與衛星連接結構，使連接結構兼顧柔性卸載以及發射段隔振功能，設計了一種基于bi-pod支撐方式改進的阻尼桁架結構。通過對阻尼桁架結構的阻尼特性及剛度特性的優化設計，實現了相機基頻與衛星基頻的解耦，同時，阻尼桁架結構的柔性特性可以有效適應衛星平臺在軌熱變形，保證相機光學鏡頭在軌成像品質。

（4）長壽命高可靠性機構技術

GF-4衛星凝視相機要求8年在軌壽命。為實現相機雙通道同時、同視場成像以及可見光近紅外通道多光譜成像，相機配備多套運動機構，包括旋轉濾光輪機構、星上定標機構、脈沖管制冷機等。

通過對衛星運行軌道環境特性以及大量航天機構壽命影響因素的分析，確定了影響相機機構長壽命的因素，并針對相關因素展開設計。對于濾光輪機構和定標機構，其固體潤滑軸承為影響壽命的關鍵因素，通過對軸承加工精度、安裝精度、預緊載荷施加量等環節的控制，確保機構在軌運行壽命。對于制冷機，通過工質純度控制、內部活塞間隙控制、板彈簧剛度控制方式保證其在軌運行壽命。模擬機構在軌運行工況，完成了濾光輪機構、星上定標機構、制冷機1∶1壽命試驗。試驗結果顯示，相機運動機構滿足在軌壽命要求。相機運動機構三維模型示意圖如圖6所示。

圖6 相機機構三維模型圖Fig.6 3D models of camera mechanism

（5）高穩定性熱控技術

為了保證 GF-4衛星凝視相機成像品質，要求相機光學鏡頭及主承力結構全壽命周期內保持溫度高穩定性。與低軌空間環境相比較，GF-4衛星凝視相機所處的地球靜止軌道冷熱交變十分劇烈，且持續時間長，空間熱環境極為復雜，給熱控設計帶來極大難度。為此，在設計過程中采用了結構熱控一體化、間接輻射控溫、太陽規避等多種創新設計方法和技術，達到了很好的效果。

采用高熱導率材料加工遮光罩，并在外表面噴涂新型熱控涂層，在有效遮蔽太陽光的同時，可將太陽輻射能量迅速擴散并散出，顯著降低了冷熱交變幅度。針對地球靜止軌道固有的“日凌”現象（指午夜前后數小時太陽光入侵相機內部的情況），利用多學科集成設計系統評估并采取措施有效抑制了“日凌”對光學雜散輻射的影響。同時，采用間接輻射的方式為光學系統營造了超穩定的內部環境，實現了光學鏡頭的高精度、高穩定控溫[8-9]。

由于處于地球靜止軌道，衛星并不存在完全的背陰面，各面均會受到太陽輻射熱流，其中，南、北面外熱流相對穩定，是散熱面開設的最佳部位。由于相機活動機構眾多，需要較大散熱面保證相機在軌散熱能力，因此課題組創新性地采用南、北面同時開設散熱面并且將其連通，使之實現耦合散熱能力。與采用一側散熱面相比，散熱面面積減少25%，補償功耗減少25%，大大節約了星上資源。同時，相機散熱面通過支撐結構與衛星直接連接，大幅降低了相機結構質量及設計難度，實現了高效結構熱控集成設計。

（6）大面陣中波紅外探測器制冷機技術

中波紅外探測器制冷機組件由中波紅外探測器（杜瓦）和制冷機兩部分構成，采用插入式耦合方式連接，其關鍵在于大規模面陣紅外探測器芯片制備、長壽命機械制冷機兩個方面。

中波紅外探測器為1 024×1 024像元面陣器件，探測器主要包括探測器芯片、讀出電路芯片、金屬微杜瓦。探測器芯片的工作溫度為80K。中波探測器采取目前主流的、先進的碲鎘汞紅外焦平面探測器與硅讀出電路倒裝互連混成耦合的技術路線，屬于高性能三代超大規模碲鎘汞探測器，可以實現百萬像素的凝視成像，能夠顯著提高紅外成像系統的探測靈敏度和圖像分辨率，大幅度提高紅外成像系統的探測與識別能力，相機中波紅外通道溫度分辨率達到了87mK（@350K）。

采用3W/80K分置式脈沖管長壽命制冷機作為紅外探測器冷源。制冷機為連續工作部件，要求在軌連續工作8年，因此長壽命是制冷機的關鍵。脈沖管制冷機由壓縮機、脈沖管、氣庫等部分構成，內部密封一定壓力的高純氦氣作為工質。壓縮機活塞磨損和工質污染是影響制冷機壽命的主要原因。壓縮機采用牛津型板彈簧支撐音圈電機驅動，氣缸和活塞之間采取氣隙密封，零件加工和裝配過程中對精度進行嚴格控制，使氣缸和活塞在正常工作時沒有接觸摩擦，以保證長壽命、高可靠。在工質污染方面，主要通過充工質前對整機進行烘烤處理除氣措施，從而達到長時間性能不惡化，使制冷機的設計壽命達到了10年，能夠滿足在軌連續工作8年和前期地面測試試驗的使用要求。

2 測試與試驗

2.1輻射定標與像質測試

為獲取遙感器輸入輻射量與輸出量之間的對應關系，并用于遙感目標輻射信息的定量反演，需對遙感器進行輻射定標。采用大口徑積分球進行輻射定標，分別進行了各譜段與典型積分時間組合工況下的絕對輻射定標和相對輻射定標。由于相機中波紅外譜段的輻射定標精度受環境影響較大，為獲取準確的定標信息，采用了真空輻射定標方案，分別進行了各增益與典型積分時間組合工況下的絕對輻射定標和相對輻射定標。

相機真空定焦成像試驗的目的是標定相機焦面位置和測試相機焦面位置隨壓力和溫度變化情況，以此作為相機發射前焦面預置的依據。采用刃邊法進行真空低溫環境下的像質 MTF測試，以真空復合光源作為像質測試光源，利用低溫平行光管進行準直擴束，通過三維調整臺控制復合刃邊靶標的移動，實現相機不同視場的測試。

2.2 環境試驗

為驗證相機基頻設計的準確性、結構穩定性以及相機在軌溫度穩定性，相機依次進行了驗收級力學環境試驗以及真空熱試驗。相機振動試驗前后，相機的各通道調制傳遞函數測試結果均滿足指標要求，一致性良好，同時相機一階基頻測試結果滿足解耦設計要求。相機的結構穩定性得到了驗證；經真空熱試驗各極端工況考驗，相機關鍵部位溫度測試結果表明，相機熱控設計滿足指標要求。真空熱試驗后相機調制傳遞函數測試結果表明，相機具有良好的熱穩定性[10]。

3 在軌應用評價

2016年1月4日，GF-4衛星首次進行在軌成像測試，下傳首批影像數據，包括50m分辨率可見光通道全色多光譜圖像和400m分辨率中波紅外通道圖像。2016年2月3日，首批圖像公開發布，可見光圖像層次分明，紋理清晰，色彩豐富；中波紅外圖像中高溫火點與背景反差顯著，容易辨識。圖7為渤海灣可見光近紅外圖像，圖8為澳大利亞火災中紅外圖像。

圖7 相機在軌獲取渤海灣真彩色圖像Fig.7 True color photograph taken by the camera in orbit

圖8 相機在軌獲取澳大利亞火災中波紅外圖像 Fig.8 MWIR photograph taken by camera in orbit

GF-4衛星凝視相機經過6個月的在軌測試與評價：相機各工作模式功能正常，可見光近紅外通道星下點地面像元分辨率行方向 48.875m，列方向 48.907m；中波紅外通道星下點地面像元分辨率行方向390.986m，列方向391.094m；可見光近紅外通道幅寬為沿軌500.4km，垂軌500.1km；中波紅外通道幅寬為沿軌401.5km，垂軌401.6km；可見光近紅外通道幾何畸變為沿軌0.78個像元，垂軌0.66個像元；中波紅外通道幾何畸變為沿軌0.54個像元，垂軌0.51個像元；圖像數據譜段配準精度優于0.3個像元。圖像數據能夠滿足植被、水體、積雪、云系、大型滑坡、堰塞湖、林地、濕地、森林火點、氣溶膠厚度等識別與變化信息提取對遙感數據的品質要求，可有效支撐減災、氣象、地震、林業、環保行業需求[11]。

4 結束語

目前，GF-4衛星凝視相機在軌運行穩定。作為我國第一顆高軌高分辨率光學遙感衛星的有效載荷，該凝視相機突破了可見光與紅外共口徑光學系統設計技術、高穩定大口徑反射鏡支撐技術、結構一體化設計技術、長壽命高可靠機構技術、高軌高穩定熱控技術和大面陣中波紅外探測器制冷機技術。在軌測試結果表明，相機成像品質優異，能夠滿足應用需求。GF-4衛星的成功，不僅填補了我國高軌高分辨率光學遙感領域的空白，對突破同時具有高軌高空間分辨率和高時間分辨率的光學遙感關鍵共性技術也具有開創性的重要意義。

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Design and Verification of the Staring Camera on Board GF-4 Satellite

LIAN Minlong SHI Zhicheng WANG Yue DONG Jie

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100190, China）

On December 29, 2015, GF-4 satellite, the first high resolution optical remote sensing satellite in geostationary orbit of China, was successfully launched at Xichang satellite launching center. As one of the most important optical payloads on the satellite, the staring camera made by Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity has capability of obtaining visible light and near infrared spectrums images with 50m GSD and middle infrared spectrums images with 400m GSD. This paper introduces the GF-4 camera in the aspects of composition and operating principle, critical techniques and their implementation, and in-orbit operation and tests. The in-orbit test results are also given in the paper.

geostationary orbit; staring camera; multi-spectral; middle infrared; GF-4 satellite

P237

: A

: 1009-8518(2016)04-0032-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.005

練敏隆，男，1981年生，2007年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業碩士學位，高級工程師，“高分四號”衛星相機分系統指揮兼主任設計師。主要研究方向為光學遙感器總體設計。E-mail: leon810212@163.com。

（編輯：毛建杰）

2016-06-15

國家重大科技專項工程