资源1号卫星的红外相机

李大耀

资源1号卫星的主体为宽1.8米、长2.0米和高2.15米的正六面体，主体一侧带有宽约5.3米、高约2.6米的太阳能电池翼。为什么资源1号卫星不象一般卫星那样对称地安装2个太阳翼，而只带有1个太阳翼呢?其原因在于资源1号卫星红外相机的辐射致冷器的出口位于与安装太阳翼的侧面相对称的另一侧面上。辐射致冷器是红外相机的重要组件，它利用太空背景只有约4霞低温度的特性，通过向外部空间辐射热量来达到致冷的目的。为了确保辐射致冷器工作正常，要求辐射致冷器的散热通道“三不见”(即：看不见太阳，看不见地球，也看不见卫星)。由此决定了资源1号卫星只有1个太阳能电池翼（见题图）。

红外成像的基本原理

资源1号卫星的红外相机是一种红外线成像装置。为了便于理解红外相机，首先对红外成像的基本原理作简单介绍。

什么叫红外线

大家知道，光一般是指人眼能观察到的电磁波。这部分可见光的波长在0.77～0.39微米之间，由红色(波长0.77～0.622微米)、橙色(波长0.622～0.597微米)、黄色(波长0.597～0.577微米)、绿色(波长0.577～0.492微米)、蓝靛色(波长0.492～0.455微米)和紫色(波长0.455～0.39微米)这几种色光组成。在可见光紫端之外、波长为0.005～0.39微米的电磁波称为紫外线，在可见光红端之外、波长为0.77～1000微米的电磁波称为红外线。紫外线和红外线虽然人眼不能察觉，但能为光学仪器察觉到，而且它们和光一样具有反射、折射和衍射等性质。所以，一般把紫外线、红外线甚至X射线也称为“光”。

红外线按波长分为几个谱段：近红外(波长0.77～3.0微米)、中红外(波长3～6微米)、远红外(波长6～20微米)和超远红外(波长20～1000微米)。

理论分折和实验表明，不仅太阳光中含有红外线，而且任何温度高于绝对零度的物体都在不停地向外辐射红外线。因此，红外线是自然界中普遍存在的一种电磁辐射。

光线的透射窗口

大气看上去似乎是透明的。但是，大气中存在的各种气体分子以及少量的水蒸气和其它成份，会对在大气中传播的电磁波产生吸收、反射、折射、散射等作用。因此，大气实际上只能透过一定谱段的电磁波。换言之，只有对那些能透过大气的电磁波来讲大气才是透明的，而对于其他谱段的电磁辐射来讲大气并不透明。能透过大气层的电磁波谱段称为透射窗口

在紫外线－可见光－红外线的范围中，有以下4个透射窗口：

0.30～1.3微米窗口，它包括部分紫外线、全部可见光和部分红外线，属地物的反射波谱，即反射的太阳光；

1.3～2.5微米窗口，它处于近红外线范围内，仍为地物的反射波谱；

3.5～5.5微米窗口，它处于中红外线范围内，为混合波谱，即地物反射或发射的电磁波；

8～14微米窗口，它处于远红外线范围内，为地物的发射波谱，是物体在常温下热辐射能量最集中的谱段。

红外成像装置的工作谱段必须位于上述这4个窗口中，才能接收到地物反射或发射出的红外信息。

红外成像装置的组成

这里的“成像”就是显示地物目标反射或发射的电磁辐射能量密度的分布情况。由于供摄影用的感光胶片只能对0.30～1.3微米的电磁辐射起作用，故要得到地物的红外图像就不能如可见光成像那样通过胶片以深浅不同的黑色或色彩表现出来，而必须使用一定的红外成像装置。红外成像装置首先把接收到的地物的红外辐射能量转变成电信号，再对这种电信号进行处理和显示，使其成为可见的图像。因此，红外成像装置也称成像仪，一般由红外成像镜头、红外探测器、电子电路和显示器、致冷装置等几部分组成（图一）。

红外成像镜头为红外线进入成像仪的窗口，并将入射的红外辐射进行收集、会聚到红外探测器的焦平面上。

红外探测器是指能把红外辐射能量转换成电信号的器件，其中根据受光照射后，材料的电子状态发生变化，导致其电学性能改变的光电效应的原理制成的探测器叫光电探测器。

电子电路用于将红外探测器输出的微弱电信号进行强度、功率放大和处理，以便最终能显示出来。

传输与显示器用于传输电子电路处理的电信号， 并显示出地物目标的红外辐射特性或分布。

致冷装置用于抑制系统的热噪声和保证锑化铟、碲镉汞等致冷型探测器正常工作。

红外成像装置按成像的类型可分3类：点成像装置、线成像装置和面成像装置。光学机械扫描仪是常用的线或面成像装置之一。它通过光学部件机械运动的扫描，使地物目标表面各点的红外辐射按一定顺序逐个聚集在红外探测器上，其所用的探测器大多为光电探测器。当光学机械扫描仪装在卫星等飞行器上时，它一边随卫星运动、一边进行扫描，可以获取到卫星地面航迹左右一定幅度内的地物目标图像。光学机械扫描仪的工作原理见图二。

红外相机及其主要性能

资源1号卫星红外相机的工作谱段有4个：1个在全色谱段，波长0.50～0.90微米；2个在近红外谱段，波长1.55～1.75微米和2.08～2.35微米；1个在远红外谱段，波长10.4～12.5微米。该相机随卫星作轨道运动的同时，其摆动扫描镜作与轨道运动方向相垂直的往复运动。

红外相机由扫描仪主体、放大器、编码器、配电器、遥测变换器、辐射致冷控制器和温度控制器等组成，它是涉及到光学、机械、电子等领域的复杂的工程项目。图三为该相机示意图。该相机获取的地物辐射信息由工作于X波段的高码速率数传系统向地面发送。

资源1号卫星运行轨道高度约780公里，红外相机扫描辐度为119公里，相机的像元分辨率远红外谱段为156米、其他3个谱段为78米。

资源1号卫星1986年正式开始研制。其红外相机的性能与美国陆地4、5号地球资源卫星的专题成像仪的性能虽有一定程度的差距，但在具体的技术途径方面两者有所不同。资源1号卫星红外相机在近红外谱段探测器选择、中继光学系统、星上定标系统和星上计算机等方面均有所创新。该卫星红外相机的总承制单位为中国空间技术研究院北京空间机电研究所。在研制过程中，研制人员解决了一系列技术难题。地面试验表明，该相机工作正常，性能指标满足设计要求，可用于飞行任务。■