空間光學技術發展與展望

王小勇

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

空間光學是在高層大氣中和大氣外層空間利用光學設備對空間和地球進行觀測與研究的技術，是應用光學的一個學科分支。空間光學遙感器是應用空間光學技術從空間對地球陸地、海洋、大氣和地外天體進行觀測和研究的光學設備[1]。我國從20世紀60年代開始空間光學遙感器的研制，50年來獲得了長足的發展，有力地推動了空間光學技術的發展，也帶動了我國應用光學技術的進步。

空間光學遙感器在太空中長期運行，實現特有的光學觀測任務，必須適應復雜的空間環境，因此需要在光學設計、制造和檢測等方面發展獨特的技術以滿足任務要求。空間光學技術需滿足如下任務要求：

（1）空間光學系統長焦距大視場高性能要求

空間光學遙感器一般距離觀測目標幾百千米，要實現較高的分辨率和成像幅寬，需要大視場長焦距的光學系統，對光學系統設計提出了很高的要求。

（2）空間光學儀器輕小型化要求

空間光學系統的質量在很大程度上決定了整個衛星或飛行器的體積和質量，極大地影響衛星研制、發射以及在軌運行成本，通常要求空間光學系統體積小、質量輕。

（3）適應惡劣環境的要求

空間光學儀器要能適應嚴酷的力學環境和在軌運行環境。空間光學系統必須能經受住發射時的沖擊、振動考驗，能夠長期在真空、微重力、復雜多變的外熱流環境以及強電離輻射等嚴酷的太空環境下穩定工作。

（4）在軌穩定性可靠性要求高

空間光學儀器無法像地基光學儀器那樣定期進行維護，出現故障也幾乎無法維修，因此，需要從系統設計、材料選擇、光學加工裝調等方面采取技術手段，使空間光學儀器具備優異的穩定性能和可靠性，確保長期在軌有效運行。

圍繞著上述技術要求和難題，經過50年的積累和發展，我國在空間光學系統設計技術、輕小型化空間光學技術、高精度空間光學制造技術以及空間環境適應性和可靠性技術等方面取得了長足的進步，研制了幾代高性能空間光學遙感器，推動了我國空間光學技術的發展。

1 空間光學系統設計

光學鏡頭直接決定了遙感器的成像品質和體積規模，很大程度上決定了整個遙感器方案的優劣。隨著空間光學遙感器分辨率和成像視場等技術要求的不斷提升，空間光學系統的形式不斷推陳出新：最初的膠片型相機采用折射式光學系統，可以在可見光譜段內實現較高的成像品質，光學系統焦距達到幾百毫米，光學系統長度超過焦距長度；20世紀80年代，相機進入到傳輸型時代，要求光學系統焦距超過1m，譜段要能夠覆蓋可見光和短波紅外，折射式系統已經很難滿足要求，因此發展了以施密特系統為代表的空間折反式光學系統，光學系統采用輕量化反射鏡技術降低系統質量，提高穩定性，光學系統長度與焦距長度接近，可以采用反射鏡折疊光路縮短相機的體積；90年代中后期，隨著相機分辨率要求的進一步提高，繼續采用折反射式光學系統，相機的體積和質量無法滿足衛星的約束要求，空間光學技術進一步發展，開始采用全反射光學系統，系統主要光學元件全部采用非球面反射鏡，通過各反射鏡頂點曲率半徑、非球面系數、鏡間距等參數優化，可以在較大的視場范圍內消除各種光學像差，達到理想的成像品質。由于光路多次反射，整個光學系統的長度遠小于焦距長度，相機具有長焦距、體積小的特點，而且譜段范圍覆蓋更寬，從可見光譜段、近紅外譜段一直到熱紅外譜段；近年來，隨著多光譜相機性能要求的不斷提高，相機的譜段通道數量不斷增加，從單通道光學系統發展到復雜多通道一體化光學系統、多維度光學系統，光譜細分程度不斷提高，從多光譜成像光學系統到超光譜成像光學系統[2-4]。

圖1 多通道集成式光學系統Fig.1 Optical system with multi-channel integration

當前，全譜段、多通道、反射式光學系統已成為空間光學系統發展的主流方向，圖 1為一個典型的多通道光學系統，系統分為3個通道、12個譜段，可實現從可見光到熱紅外譜段（0.45μm～12.5μm）的成像。主光學系統為二次成像三鏡消像散（RUG-TMA）全反射式結構型式，利用離軸孔徑消除次鏡帶來的中心遮攔。可見光通道與紅外通道共用主鏡和次鏡，在中間像面處放置反射鏡，通過分視場的方式實現可見光通道和紅外通道的分光。在紅外通道出瞳前方加入分色片，實現短中波紅外通道和長波紅外通道的分光，從而實現可見光、短中波紅外和長波紅外3個通道同時成像，每個通道通過組合濾光片實現譜段的細分，最終實現12個譜段成像。

2 輕小型化空間光學技術

空間光學遙感器進入長焦距高分辨率時代后，相機的輕小型化設計就成為空間光學發展的一項重要技術。最初的空間光學系統采用折射式光學系統，光學元件無法采取輕量化措施。20世紀 90年代中國“資源二號”衛星相機采用了改進型施密特光學系統，主反射鏡和平面反射鏡采用了輕量化技術，相機主支撐結構鏡筒采用了碳纖維增強樹脂基復合材料，相機的質量得到了顯著降低。在中國“資源二號”衛星相機研制過程中，發展了兩種反射鏡輕量化技術：一種是微晶反射鏡背部打孔實現輕量化；另一種是具有完整背板的蜂窩夾芯ULE輕質反射鏡技術，兩種反射鏡的輕量化程度都接近80%。首次使用復合材料鏡筒，通過優化鋪層設計，達到了軸向零膨脹高剛度的要求，使相機具備了高輕量化、高精度以及高穩定性的特點。近10年來，SIC和SIC基復合材料技術發展迅猛，SIC材料憑借優異的比剛度和熱性能，在空間光學系統上得到廣泛應用。2014年發射的“高分二號”衛星相機采用了高輕量化率的SIC反射鏡（見圖2），系統反射鏡的輕量化率達到85%以上，有效降低了反射鏡的面密度；相機前鏡筒采用C/SIC材料，具有高力熱穩定性和零濕脹的優點，使相機具有了優異的抗力學性能和空間穩定性[5-7]。

圖2 “高分二號”衛星相機SIC反射鏡Fig.2 SIC primaray mirror of GF-2 satellite camera

在反射鏡采用輕量化技術的基礎上，反射鏡支撐技術得到相應的發展。為了保證反射鏡能夠經受住發射力學環境，在軌保持高的空間穩定性，傳統的小口徑反射鏡支撐一般采用裝框的形式，盡可能增加反射鏡組件的剛度。但是隨著反射鏡口徑的增大以及輕量化要求的不斷提高，這種支撐方式已經無法滿足要求，需要采用符合運動學原理的離散支撐方式。這種定位支撐為靜定支撐，即約束正好等于需要消除的自由度數，也就是具有精確定位功能，同時又避免了過約束對反射鏡產生應力，從而影響反射鏡的面形。在地面環境下，采用重力卸載措施，降低重力對反射鏡面形的影響；在發射階段采用輔助支撐，使反射鏡能夠經受惡劣的發射環境的影響[8-9]。

3 先進空間光學制造技術

空間光學元件的加工精度，直接影響了空間光學系統的性能。空間光學元件的加工從傳統的手修、小磨頭加工，發展到現在的高精度確定性加工。

目前采用數控高精度超聲銑磨成型技術可實現反射鏡輕量化率優于90%，輕量化孔及嵌套孔形位精度優于5μm，面形精度優于5μm，大大提高了加工效率，較傳統銑磨成型加工周期可以提高35%～50%。圖3為直徑1.86m輕量化非球面反射鏡。

圖3 直徑1.86m輕量化非球面反射鏡Fig.3 Lightweight aspheric mirror with diameter of 1.86m

以高精度智能數控研拋和離子束加工為代表的確定性研拋加工技術，可實現對光學元件高效率、高精度的加工。高精度智能數控研拋技術將光學加工與先進的工業化機器人技術相結合，實現面形實時確定性修整，有效控制鏡面中高頻誤差，實現對非球面反射鏡表面品質（面形精度、粗糙度等）和表內品質（如亞表面損傷層等）的同時控制，如圖 4所示。可實現面形精度優于 λ/70（RMS），殘余高頻誤差優于λ/200（RMS）。面向超薄光學元件和超輕量化精密加工需求，離子束加工技術日趨成熟，可實現對光學元件非接觸、確定性、納米級可控去除，加工精度優于λ/100（RMS）。采用離子束加工，工件無承重、無邊緣效應、無網格效應，對超輕、超薄空間光學零件加工具有極大的優勢。

圖4 智能機械手研拋Fig.4 Polishing with intelligent mechanical arm

空間光學系統的低應力、高精度裝調技術極大地影響空間光學遙感器的在軌性能和穩定性。空間光學裝調技術先后經歷了“預留公差型裝調技術”、“誤差補償型裝調技術”和“全過程仿真像質預估裝調技術”。全過程仿真像質預估裝調技術將預留公差型與誤差補償型裝調技術相結合，即在原有預留公差型裝調技術基礎上，利用現代化的測試技術和計算機技術，實時測量裝調過程中的各控制參數；并根據測試結果對光學系統進行實時的像質仿真預估，再根據像質仿真預估的結果來指導、確定、調整相關參數。全過程仿真像質預估技術在反射式、折射式光學系統裝調過程廣泛使用，并且逐漸成為光學系統裝調過程問題診斷及解決的有效方法。

計算機輔助裝調是全過程仿真像質預估裝調的核心技術。光學系統計算機輔助裝調技術綜合運用了現代光學測量技術、光學CAD技術、數學計算方法等多項技術，是對復雜、高精度光學系統進行可視、定量、有序、科學裝調的技術及方法，是獲得高品質光學系統必不可少的關鍵技術，其典型步驟如圖 5所示[10]。

圖5 計算機輔助裝調Fig.5 Computer-aided optical assembly

空間光學元件加工和空間光學系統裝調面臨的一個共性問題是要在重力場條件下，制造出在零重力條件下具有良好性能的光學元件或光學系統。對于小尺寸光學元件和光學系統，可以通過提高剛度的方法，降低重力對系統的影響。隨著空間光學系統焦距的不斷增加和輕量化程度的不斷提高，光學元件和光學系統受重力影響變形加劇，需要采取重力卸載技術加以解決，見圖6[11]。

圖6 重力卸載Fig.6 General view of gravity offloading configuration

對于輕量化率超過80%的大口徑反射鏡，裝配誤差、環境溫度變化、零件殘余應力等因素都會對反射鏡的面形精度產生影響，必須在重力卸載的條件下通過微應力裝調消除重力及各種擾動因素對裝調結果的影響。近年來，通過工程實踐發展出垂直裝調以及背部多點自適應卸載技術，基于有限元分析結果設計的重力卸載裝置，卸載精度可優于 λ/180（RMS）。研發出主動式多點支撐卸載裝置及氣囊卸載裝置，采用大型氣缸實現上百個點的支撐，使得大口徑輕量化反射鏡加工、測量精度不斷提升[12]。另外，針對大口徑輕量化反射鏡組件及其整機的裝配測試，發展完善了不同級別的自適應卸載技術，有力地保證了大口徑空間光學系統在軌性能。

4 空間環境適應性與可靠性技術

空間光學遙感器從發射至入軌的飛行過程中要經歷復雜力學環境考驗，發射入軌后又長期處于微重力、高真空、交變熱輻射環境中。空間光學系統從光學材料選擇、光機元件設計到系統制造檢測，必須考慮空間環境適應性要求。此外，由于空間光學系統很難在軌維護，必須在地面環境下進行充分試驗驗證，以暴露并消除設計和制造環節潛在的問題，提高儀器的可靠性和壽命。為了在地面充分考核光學遙感器的在軌性能，發展了空間光學遙感器熱光學試驗技術。該技術一般采用大型真空設備模擬在軌真空環境，配備低溫熱沉模擬在軌深低溫冷背景，配備專門的外熱流設備模擬在軌運行時光學遙感器的外熱流變換，并配備長焦距真空平行光管等測量裝置，對光學遙感器的性能進行測量。早期的熱光學試驗是熱穩態試驗，在相對穩定的極端外熱流條件下進行光學測試。隨著光學遙感器技術指標的提高，單純的穩態試驗已經無法真實反映出在軌真實的性能，瞬態熱光學試驗技術，可真實地模擬空間光學遙感器在軌運行時的外熱流變化情況，在變化的各種階段進行測試，提高了測試的真實性。隨著技術的進步，目前建成了外形直徑6.7m，配套50m可變焦距平行光管的大型真空環境試驗測試系統，可以精確地模擬在軌環境，極限真空度達到5×10–5Pa，可以實現523K～23K的溫度控制，控溫精度小于±1℃，可以在模擬的在軌環境下實現大口徑空間光學遙感器的集成檢測和試驗，驗證遙感器設計的合理性并預估在軌成像品質[13-14]。

空間光學遙感器還需要采用在軌標定和測量/調整技術。在軌標定確定儀器的輸入-輸出關系，是滿足遙感數據定量化應用的前提。在軌標定主要包括輻射定標、光譜定標、幾何定標[15]。星上輻射定標一般采用燈定標、自然光源（太陽、月亮等）定標和黑體定標。“高分五號”衛星上的全譜段光譜成像儀通過漫反射板全光路全口徑太陽定標，實現了可見光、近紅外、短波紅外波段的高精度絕對輻射定標，定標精度優于5%；通過黑體定標實現了中、長波紅外譜段的絕對輻射定標，定標精度1K[16-18]。

5 發展展望

技術的發展日新月異，給空間光學技術的發展注入了新的活力。空間光學系統向高分辨率、高性能和高穩定性方向發展。

為了實現更高的分辨率，需要增大光學系統的口徑，口徑大于 4m的超大口徑光學系統技術得到了迅速發展，主要包括分塊可展開光學系統、衍射成像光學系統和在軌組裝光學技術。先進光學系統的發展，帶動了超輕型反射鏡、薄膜反射鏡、微納加工技術的進步。目前在研的JWST望遠鏡的反射鏡面密度達到 15kg/m2。超大口徑光學系統的發展，帶動了空間精密展開機構、空間機器人、波前傳感與控制技術以及高精度激光測量等技術的發展。

簡化系統的結構、減少質量和成本，實現更優的性能，一直是空間光學系統追求的目標。自由曲面光學系統和計算光學技術等先進技術的發展為提高系統的性能提供了新途徑。自由曲面是一類非旋轉對稱、形狀不規則的曲面結構，采用自由曲面能夠為光學系統設計提供更大的自由度，使光學系統實現更加優異的光學性能。計算成像技術是通過聯合光學和數字圖像處理（或計算）的方法來產生傳統光學系統極難獲得或無法獲得的圖像：一方面，計算成像技術可以提供更優越的成像特性，包括視場范圍、光譜分辨率、動態范圍、時間分辨率等；另一方面，通過引入數字圖像處理簡化系統的復雜程度。

高的穩定性是保證空間光學系統成像品質的關鍵。新材料、新設計方法以及在軌主動檢測和調整技術的發展，為系統的高穩定性提供了保證。超低膨脹復合材料的發展，使光學系統的結構具有更高的穩定性；熱-光學的一體化設計，實現系統對熱不敏感；自適應光學和主動光學技術的發展實現了系統誤差在軌檢測和調整，通過波前傳感技術，探測和計算光學系統的波面像差，通過反射鏡和變形鏡等主動控制光學元件進行系統像差的校正，保證系統的在軌成像品質。

50年來，我國空間光學技術的發展，有力地支持了空間光學遙感器的研制，極大地推動了我國對地觀測系統的發展，同時也牽引了光學設計、材料、加工、檢測等技術的進步。當前，商業光學遙感產業飛速發展，國家高分辨率對地觀測系統重大專項、空間基礎設施、深空探測等項目深入推進，必將推動空間光學技術的快速發展。