天基衍射成像系统及相关技术发展研究

（北京空间科技信息研究所）

1 新型光学成像技术概况

为了满足高轨道卫星高分辨率对地观测的要求，国外从20世纪末开始研究新型光学成像技术，包括大口径单体反射镜成像技术、空间分块可展开反射成像技术、衍射成像技术、基于卫星编队的光学干涉合成孔径成像技术和稀疏孔径成像技术等。目前，前三类技术逐步走向工程化实施阶段，后两类技术由于技术难度过大，发展较为缓慢，还停留在实验室研究阶段。

两类面向工程化的大口径反射成像系统大口径单体反射镜成像系统（左）；空间分块可展开反射成像系统（右）

对于反射成像系统，其反射镜必须经过镜坯研磨、轻量化、抛光、镀膜等复杂的加工工艺。美、欧等技术发达国家目前仅能制造3～4米级空间应用的单体反射镜，而且镜片研制成本十分高昂。由于系统规模随口径的平方成正比，若要进一步提高单块反射镜的口径，对现有火箭的运载能力也提出了更大的挑战。空间分块可展开反射成像技术可以在一定程度上解决系统规模与成像系统口径之间的矛盾，其利用小口径分块镜拼接成大口径主镜，避免加工大口径单体反射镜。但是这种技术途径将大口径反射镜的制造难度转移到主镜拼接上，既需要高精度的波前传感器实时检测子镜和主镜的面形误差，每个分块镜需要促动器实时校正，才能使主镜满足高精度成像要求。此外，还需要精确的在轨展开结构。这些技术难题致使其成本高昂。该技术的典型代表“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）成本高达87亿美元，且从原计划的2011年发射延期到2018年。

与反射光学系统相比，衍射成像系统具有大口径、高分辨率、结构轻量化、空间可展开、面形误差要求低、易复制等特点，不但可以节约发射成本，还能够显著降低制造成本，衍射成像技术在静止轨道高分辨率成像领域中具有重大潜力。

静止轨道巨型衍射成像侦察卫星示意图

菲涅尔波带片示意图

光子筛示意图

2 天基衍射成像系统的发展

衍射成像光学系统一般由物镜和目镜系统组成，是具有微结构的新一代光学系统。成像系统中的物镜为衍射透镜，目镜系统一般包括色差校正系统和聚焦系统。其工作原理是首先通过衍射透镜汇聚光线，再由位于其焦点处的中继光学系统进行色差校正以增大带宽，最后通过聚焦系统成像到焦平面上。现阶段，国外在天基成像领域，基于衍射原理制造成像系统的技术有两种：一是菲涅尔波带片技术；二是光子筛（PS）技术。光子筛技术是由菲涅尔波带片技术发展而来的。

菲涅尔波带片成像系统

常见的菲涅尔波带片是一系列透明和不透明的同心圆环组成的变间距光栅，其作用和汇聚透镜相当，是一种衍射成像器件。但其焦距与波长成反比，因此存在较大的色散，在使用时必须进行色差校正。

（1）双卫星方案

在美国国防高级研究计划局项目的支持下，美国劳伦斯-利弗莫尔（LLNL）国家实验室于1998年提出了空间衍射望远镜计划—“眼镜”（Eyeglass）计划，该方案由两颗卫星（“物镜”卫星和“目镜”卫星）一起构成一个合作望远镜，“物镜”卫星计划由一个口径20m的衍射透镜构成，负责聚集光线并将其聚焦于与其相距1km远的“目镜”卫星所在位置。

该衍射望远镜的工作原理是菲涅尔波带片原理。设计衍射望远镜需要面临的挑战是衍射光学器件焦距反比于波长，其色散特性会把不同颜色的光汇聚到不同的位置。基于这一原因，衍射光学器件一般用于单色光成像。为了实现多色光成像，“目镜”卫星带有采用Schupmann消色差原理的色差校正装置。

“眼镜”计划卫星系统（左）和5m口径衍射主镜（右）

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室研制了口径5m的主镜，研究了大口径平面薄膜衍射物镜的折叠和展开方法。组装成功的口径为5m的衍射主镜，焦距为250m，相对孔径为f/50，由72个被切割成精确的矩形和三角形的透镜板组成。当一块透镜板被组装到适当的位置时，通过粘合到可折叠金属框上的方法和相邻的透镜板接合。接缝的设计承受力远远大于在太空部署时所要承受的力。主镜所使用的材料是700µm厚的康宁公司1737型薄玻璃板。

在当时的技术条件下，继续制造20m口径的衍射物镜困难是极大的，相关的材料技术、主镜展开技术、精密展开结构技术和大型望远镜的空间结构稳定性技术都存在大量需要攻克的难题。并且，两颗卫星的编队飞行误差必须控制在极小的范围内，才能使通过衍射物镜的光线聚焦在“目镜”卫星携带的成像仪上，这对卫星编队的控制技术也提出了极高的要求，即便在当今也难以实现，因此后续项目转向单卫星方案。

“眼镜”项目的意义在于，提出了利用衍射成像技术可以制造轻质量、超大口径的望远镜，并提出了静止轨道卫星高分辨率成像的一种全新的技术解决途径，该项目为衍射成像技术的后续发展提供了重要的理论参考价值。

（2）单卫星方案

“莫尔纹”项目是美国国防高级研究计划局于2010年开展的大口径衍射光学成像技术研发项目，其全称为“薄膜光学成像仪实时利用”。项目旨在突破衍射薄膜、大型可展开支撑结构、星上处理和压缩等关键技术，为未来开发静止轨道高分辨率衍射成像卫星提供技术准备。

美国国防高级研究计划局已于2010年8月授出了“莫尔纹”项目的研制合同。美国鲍尔航空航天技术公司（BATC，简称鲍尔公司）作为主承包商，负责光学系统的设计、地面原理样机的研制和测试；美国纳克训（NeXolve）材料公司负责衍射薄膜的研制；劳伦斯-利弗莫尔国家实验室负责衍射镜的研制。该项目分两个阶段实施。

第一阶段，目标是开发满足空间飞行要求的薄膜材料，研制一个米级口径的衍射薄膜主镜，并开展完整光学薄膜成像系统的方案设计。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室首先在熔石英基底上利用掩膜光刻蚀工艺制造了口径0.2m的菲涅尔相位衍射波带片，验证了其成像能力，而后在面向在轨应用的薄膜基底上使用相似工艺制造了0.2m口径的衍射薄膜镜片。随后，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室将加工工艺参数交给美国马萨诸塞州北安杜佛镇的先进复制公司，该公司在920mm×800mm×8mm的石英掩膜板上制造了镀铬玻璃二元结构母版，之后利用母版把衍射图案印制到800mm口径的石英基底上，再通过1kW的紫外光刻机把图案转移到薄膜基底上。

2011年7月25日，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室所属的光子科学与应用实验室为“莫尔纹”项目研制完成了一个口径0.8m、厚18µm的衍射薄膜镜，采用菲涅尔波带片形式，衍射效率为30%。2011年9月，鲍尔公司对外宣布“莫尔纹”项目第一阶段研制工作结束，表明光学薄膜成像系统的方案设计已经完成。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室研制的0.8m口径衍射薄膜镜

第二阶段，研制5m口径光学薄膜成像系统的地面原理样机。2013年4月，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室向鲍尔公司交付了6块边长约0.8m、面积约0.4m2的梯形衍射薄膜。随后，鲍尔公司对6块薄膜进行了拼装，制成了主镜1/8扇区的衍射镜片，并开展了光学系统的测试工作。测试系统包括光源、主镜和尾部光学系统。光源的输出能量要求高，测试前光源被1.45m口径的微调反射器校准；主镜用于成像；尾部光学系统用于接收、重构和处理图像。

测试中遇到了诸多问题。衍射薄膜是面向空间应用开发的，其本身具有近零的热膨胀系数，但受研制期限和成本的限制，地面测试中支撑薄膜的金属框架的热膨胀系数较大；虽然湿度对金属框架的影响甚微，但衍射薄膜易受地面湿度变化的影响；“莫尔纹”望远镜焦距长，因此整个光学系统易受温度、湿度和室内空气扰动的影响；此外，测试环境所占空间较大，对环境因素的控制比较困难。

为了去除测试环境因素对成像质量的影响，以获得准确的测试结果，在光路中精确测量这些量是必须的，温度和湿度影响聚焦和图像的传输，而空气扰动直接影响图像质量。为了校正望远镜，鲍尔公司开发了一个测量系统，用于测量光束受环境影响所产生的位移，并通过3个带有促动器的光学部件进行补偿。鲍尔公司通过对这块镜片的测试，获得整个衍射薄膜主镜的相关技术性能与参数。

2013年12月5日，美国国防高级研究计划局对外宣布完成了1/8扇区的衍射镜片的测试工作，项目进展顺利，衍射薄膜镜的衍射效率已从第一阶段的30%提升到55%，大大提高了系统的光线透过率和调制传递函数（MTF）。

按照美国国防高级研究计划局的计划，鲍尔公司将继续制造剩余7块扇区的镜片，作为衍射光学系统的可展开分块镜，拼接成完整的5m口径的主镜，进而完成整个光学系统地面原理样机的研制，进行系统展开和光学性能测试。

美国国防高级研究计划局还计划在“莫尔纹”项目取得成功后，进一步研制一颗10m口径的静止轨道衍射成像技术验证卫星，对大系统进行全面的演示验证。

业务型实用系统将交由美国国家侦察局（NRO）开发。目前，美国国防高级研究计划局宣称的业务系统成本约5亿美元，光学系统采用菲涅尔波带片或者光子筛形式的主镜，口径将达到20m，在发射时处于折叠状态，入轨后展开。系统未采用双卫星编队方案，而是采用具有伸出大型桁架结构的单卫星方案。业务型侦察卫星能够在静止轨道实现1m的高分辨率，视场为10km×10km，成像速率可高达1幅/秒，实现对敌方军事目标的连续监视，将大幅提升对舰船、导弹发射车等时敏目标的动态监视能力。

光子筛成像系统

光子筛是近10年发展起来的新型衍射光学成像器件。它首先由德国Kiel大学为提高软X射线的聚焦能力而提出。光子筛的基本原理基于菲涅尔波带片，是由充满微小孔的环带组成。每一个微孔的衍射光在光子筛后的相应位置同相相加，就像许多同相的小口径阵列。用微孔环带阵列替代菲涅尔波带片中的透明环带，大大提高了光子筛聚焦光束的尖锐性，使得光学成像质量得到极大提高。光子筛是由一块薄片组成，只需在外围使用支撑结构，因而使得光子筛的实用性大大提高。光子筛可以在波带片的基础上进一步提高分辨率，但要牺牲一定的光通量。

采用光子筛衍射成像系统的侦察卫星示意图

美国空军学院镀铬石英基板光子筛技术发展

美国在开发天基光子筛成像技术时，沿着理论研究、陆基试验、低轨验证、低轨应用、高轨实现这样一条发展途径，一步步将光子筛技术实用化。美国空军学院（AFA）主要负责天基光子筛成像技术的理论研究和在轨试验工作，美国航空航天局（NASA）辅助对光子筛进行地面验证，美国国防高级研究计划局开展的“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）和“莫尔纹”计划也涉及光子筛。

（1）光子筛成像理论的研究

美国空军学院哥奥夫·安德森（Geoff Andersen）教授的研究小组对光子筛的成像理论进行了系统的研究。光子筛按照制作材料的不同，可以分为石英基板光子筛和薄膜光子筛。按照成像原理的不同，可以分为振幅型光子筛和相位型光子筛。其中，振幅型光子筛按照微孔位置的不同，可以分为正孔光子筛和负孔光子筛。薄膜光子筛由于面密度极轻，可以发射时折叠、入轨后展开，可实现超大口径，因此更加适用于航天领域。

2005－2006年，美国空军学院相继报道了研制振幅型镀铬石英基板光子筛的情况。对于菲涅尔波带片，每个透光波带对于焦点处场的作用是正的。同理，上述传统光子筛的微孔中心都必须集中在菲涅尔波带片的透光环带内，每个处于透光环带的透光微孔对于焦点处场的贡献也是正的。透光微孔的直径可以增大到所在环带宽度的1.514倍这一最优值，这就减轻了制造的难度。2006年，美国空军学院制作了含有500万个负孔（Antihole）的光子筛。该设备工作波段为507～557nm。这些负孔分布在每个偶数阶菲涅尔不透光波带上，直径大小介于18～331µm之间，微孔的直径为所在环带宽度的3.514倍。这种设计方法打破了传统光子筛的设计方法，使分辨率得到了大幅的提升。负孔光子筛的最小微孔尺寸比传统光子筛大，总孔数也下降了50%，因此进一步降低了加工难度和成本。但是，负孔光子筛的衍射效率极低，约0.35%，因此不适用于天基成像系统。

2006年后，美国空军学院开始研制振幅薄膜型光子筛，先后研制并测试了重氮基（Diazo）薄膜光子筛、电镀镍薄膜光子筛和CP1薄膜光子筛（CP1材料全称为LaRCTM-CP1），这三类光子筛都是根据负孔光子筛的理论设计的。研究表明，电镀镍薄膜光子筛和CP1薄膜光子筛的分辨率都优于重氮基薄膜光子筛，而CP1薄膜韧性好、可卷曲，并且质量很轻，这种薄膜还有近零热膨胀系数（CTE），使得CP1薄膜更适合于航天应用。

在制备工艺上，薄膜光子筛具有易复制的特点，可大大提高成像系统装备卫星的速度和规模，使卫星星座和编队飞行的成本大大降低。美国空军学院制作薄膜光子筛望远镜的流程如下：①制作镀铬石英基板光子筛模板；②在10µm厚的CP1薄膜上蒸镀一层200nm厚的铝；③在铝上涂2µm厚的AZ1518型光刻胶；④使用光子筛模板，并采用紫外线光刻法，制作光子筛图形，使原光子筛图形转移到光刻胶上；⑤去除阻挡层，再去除铝层，最后剥离光刻胶便制成了CP1薄膜光子筛。利用一块模板就可以批量生产薄膜光子筛，这与传统的折反式主镜研磨生产方式相比，缩短了研制时间。

2011年，美国空军学院又研制了相位型光子筛。这种光子筛虽然结构复杂，但衍射效率比振幅型光子筛高数倍（可达40%），这可以减少成像时间。研究结果表明，薄膜制相位型光子筛比振幅型光子筛更适于空间应用。

薄膜光子筛制作工艺图

综上所述，光子筛具有很多优点：①光子筛使用薄膜材料使得光学系统质量要轻很多，大幅降低了对卫星平台承载能力的要求；②由于物镜本身为轻质、平面形状，可以在发射时进行折叠，入轨后再展开，从而避免体积过大而给发射带来的困难，便于增大光学系统口径；③易复制的特点使光子筛的制造时间大幅缩短，光子筛的制作工艺也相对简单。因此衍射成像光学系统将成为大口径、高分辨率光学系统的一个重要发展方向。

（2）光子筛陆基成像验证

美国航空航天局与美国空军学院合作，对光子筛进行了成像验证。2011年8月，美国航空航天局报道了首次用光子筛对太阳进行成像，并获得了理想的结果。该光子筛包含1500个菲涅尔波带，共有1.5亿个微孔，制作在镀铬玻璃基板上，焦距为400mm，工作波长为656.3nm。美国航空航天局称，“这次试验对以甚高分辨率（0.01"）成像为目标的衍射光学来说是十分重要的一步。”

（3）即将在轨验证光子筛

美国空军学院将于2 0 1 5年发射猎鹰卫星－7（FalconSat－7），这颗卫星实际上是一颗3U立方体卫星（CubeSat），其尺寸约为30cm×10cm×10cm，质量不超过4kg。该星搭载口径为0.2m、焦距为0.4m的光子筛望远镜，工作波长为656.28nm，孔数达25亿个，孔尺寸为2～277µm，光子筛薄膜为CP1，厚度25µm。该卫星计划发射到450km的低地球轨道，对地观测分辨率为1.8m。该卫星的1/2体积就可以装载整个光子筛成像光学系统，发射时光子筛如咖啡滤网般折叠装载。

美国航空航天局制造的陆基光子筛太阳望远镜样机

2012年8月26日，美国空军学院研究人员利用美国航空航天局的“呕吐彗星”（Vomit Comet）飞机（经改造的波音－727）的零重力实验舱对猎鹰卫星－7的光子筛望远镜进行了测试，测试结果表明，光子筛在零重力条件下可以成功展开。

若猎鹰卫星－7在轨试验成功，美国还将利用6U～12U立方体卫星携带亚米级分辨率的光子筛成像系统。

（4）展望光子筛的低轨应用

为了解决战场态势感知数据获取不足，以及无法向基层作战人员按时按需提供卫星图像数据等问题，2012年美国国防高级研究计划局提出发展“提高军事作战效能的空间系统”计划，该计划利用低成本小卫星星座满足战术应用需求，以填补美国长久以来利用高成本、长寿命、大型侦察卫星获取图像数据的能力空缺，进一步巩固和扩大美军的信息优势。针对战术应用对侦察卫星及其应用模式的创新需求，该构想旨在基于低成本的小型成像卫星星座，通过空中发射方式快速部署，以向前线基层作战人员提供按需、快速的近实时战场图像数据。“提高军事作战效能的空间系统”计划同时将成为无人机技术的一种补充，能够弥补无人机燃料受限制而无法覆盖广大区域的问题。

光子筛薄膜在美国航空航天局零重力实验舱内进行展开测试

“提高军事作战效能的空间系统”计划致力于发展由“可丢弃”小卫星组成的卫星星座，由24颗卫星组成，每颗卫星在极低的轨道工作60～90天后离轨完全烧毁，不会造成空间碎片和坠地危险。“提高军事作战效能的空间系统”计划能够使海外作战人员利用现有的手持设备在90min内获得卫星图像。该计划将与美国国防高级研究计划局的“机载发射辅助进入空间”（ALASA）计划配套发展，利用其发展的机载卫星发射平台快速、廉价地将小卫星送入所需轨道。

“提高军事作战效能的空间系统”卫星的成像技术体制主要包括衍射成像技术或传统反射成像技术，而后者必须采用先进的图像处理技术，减轻光学系统质量，降低成本。

3 结束语

为在静止轨道部署高分辨率军用光学侦察监视卫星，美国国防高级研究计划局高度关注天基衍射成像技术，1998年支持劳伦斯-利弗莫尔国家实验室开展“眼镜”项目，又于2010年开展“莫尔纹”项目。两个项目的侧重点不同，“眼镜”项目目标是概念设计，以5m口径薄玻璃基底衍射主镜的成功研制结束，未研制可展开结构；而“莫尔纹”项目的目标是研制薄膜制造的5m口径衍射主镜，并研制整个成像系统，包括可展开结构和支撑结构，向衍射成像系统的最终在轨应用走出了坚实的一步。为在低轨部署面向战术应用的低成本、高分辨率小卫星星座，美国国防高级研究计划局于2012年开展了“提高军事作战效能的空间系统”项目，并支持美国空军学院开展猎鹰卫星－7项目，目标是在轨验证光子筛衍射望远镜。

在十几年内，美国国防高级研究计划局数次支持衍射成像技术的发展，说明衍射成像技术有巨大的发展潜力和应用价值，该技术将使静止轨道光学成像卫星具备超大口径和高分辨率，在区域持续监视和动态目标监视及指示方面的应用潜力巨大。该技术将使低轨高分辨率卫星超小型化、成本更低、易于发射和部署，在战术应用方面有巨大的作用。