“高分二号”卫星高分辨率相机技术创新及启示

杨秉新 曹东晶

（北京空间机电研究所，北京 100190）

0 引言

“高分二号”（GF-2）卫星是“国家高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）”的重要项目，于2014年8月19日发射成功。卫星上装载有北京空间机电研究所自主研发的两台高分辨率轻小型相机，相机全色谱段（PAN）分辨率为0.8m，多光谱谱段（MS）分辨率为3.2m，两台相机拼接后的幅宽为45.7km。目前卫星已完成在轨测试，各项指标满足设计要求，并已交付使用。这标志着我国民用遥感卫星进入了亚米“高分时代”。图1为GF-2卫星相机拍摄的北京和上海影像。

图1 GF-2卫星相机拍摄的影像Fig. 1 The images captured by GF-2 satellite camera

随着卫星相机分辨率的提高，相机的焦距增长、口径增大，研制难度和成本增加，费效比问题更加突出。按传统设计，相机静态传递函数（modulation transfer function，MTF）需要达到0.2。经计算，GF-2卫星相机口径（D）需要达到0.78m才可能满足分辨率及MTF=0.2的要求。在卫星平台对相机体积和质量的严格限制下，该相机的研制面临较大的技术难度和较长的周期。为实现相机的高分辨率并满足卫星平台的约束条件，GF-2卫星相机进行了多项技术创新，为我国高分辨率卫星相机研发探索了新的技术途径。

本文将重点介绍 GF-2卫星相机在总体方案、光学系统、光机结构、高速低噪声电子学线路、精密热控、重力卸载装调等方面的技术创新及由该相机的研制得到的启示。

1 卫星相机概述

1.1 相机主要参数

GF-2卫星相机的主要参数如表1所示。

表1 相机主要参数Tab. 1 Main parameters of the camera

1.2 相机特点

GF-2卫星相机的光学系统采用折叠式Korsch系统，体积小、结构紧凑、几何精度稳定。利用新材料及轻量化技术实现光机结构的轻型化，单台相机镜头质量为150kg。相机与卫星平台采用一体化设计，星敏感器安装在相机的光机主体结构上，减少了中间环节，有利于提高卫星定位精度。相机与卫星一体化仿真图如图2所示。在动力学耦合分析基础上，相机与卫星平台的支撑采用了隔振及隔热的卸载支架，减小了环境对相机成像品质的影响。采用“间接辐射热控”方法实现精密热控，镜头温度水平在轨全周期优于（20±0.3）℃，径向温度差优于0.2℃。

图2 相机与卫星一体化仿真图Fig. 2 Simulation map of satellite and cameras

1.3 主要性能比较

美国从20世纪末至今三代民用卫星相机、法国Pleiades-HR卫星相机以及GF-2相机的主要性能对比见表2。从表中可以看出：中国GF-2卫星相机分辨率与美国第一代IKONOS-2相机和法国Pleiades-HR相机水平相当，但与美国第二、三代的卫星相机还有较大的差距；GF-2卫星相机的幅宽优于美国和法国卫星相机。

表2 相机主要性能比较Tab. 2 Comparison of camera main performances

2 相机技术创新

2.1 总体优化选取相机的F数

通过星地一体化设计，确定相机采用适中的MTF和高的信噪比（SNR）[1]，通过地面图像处理进行像质复原与提升，实现相机高分辨率和高图像品质

GF-2卫星相机在国内首次采用λF/P（λ为中心波长，F为镜头F数，P为CCD器件像元尺寸）接近1的设计理念[2]，优选相机的F数。在λF/P=1时，相机光学系统的截止频与CCD采样频率相等，图像混叠将减少。取λ=0.65μm（相机的平均波长），P=10μm时，经计算，当满足λF/P=1的条件时，F=15，镜头全色谱段在fN（Nyquist）频率处的MTF=0.12。若按传统设计理念，全色谱段要求fN处MTF =0.2，计算得到F=10。表3列出了利用传统理念和λF/P=1理念计算得到的相机参数。由表3可以看出，相对于传统的设计，相机口径减小了32%，这样，相机的质量将大幅减小。

表3 传统理念和λF/P=1理念计算得到的相机参数Fig. 3 Camera parameters with traditional concept and λF/P=1 concept

与传统设计相比，在λF/P=1条件下，相机的MTF有所下降。图3为λF/P、MTF和混叠信息的关系。由图3可知，适当的减小MTF，可减小图像的混叠；λF/P越小，相机的MTF越高，混叠面积越大，混叠也越严重，图像噪声增加[3]。

为了提高全色谱段静态 MTF=0.12时的图像品质，可以通过地面图像传递函数补偿（modulation transfer function compensation，MTFC）技术提高图像MTF。全链路成像仿真分析的结论表明：采用MTFC新方法，在提高MTF时，图像噪声增加很小；当光学系统取F=15、全色谱段的静态MTF=0.12时，原始图像经过MTFC处理后，MTF可达到0.2；经过MTFC处理的图像边缘更清晰，有利目视判读，目视图像噪声无变化。相机光学系统如图4所示。

图3 λF/P、MTF和混叠信息的关系Fig. 3 Relationship between λF/P, MTF and aliasing information

图4 相机光学系统 Fig. 4 Optical system of the camera

根据上述设计理念，设计时相机全谱段的静态 MTF=0.12（fN=50对线/mm），F=15，相机在实验室测试时静态MTF接近0.15，与法国Pleiades-HR相机静态MTF=0.13（fN=38.5对线/mm）相当。卫星在轨测试时，相机动态MTF全色谱段在fN处，沿轨道方向为0.097 3，垂直轨道方向为0.109 1，平均约0.1，经过MTFC处理后图像良好，满足设计要求。

2.2 光学优化设计扩大视场角

GF-2卫星相机的光学系统采用Korsch系统，长度为1 000mm，宽550mm，高800 mm，体积小，结构紧凑。光学系统的视场角达到2.1°，扩大了横向幅宽，并超过了美国和法国同类相机光学系统的视场角。

2.3 光机结构技术创新

GF-2卫星相机的镜筒首次采用陶瓷基复合材料（carbon fiber reinforced polymers，CFRP）。表4列出了航天相机常用结构材料Invar、TC4、ZTC4和CFRP材料的主要性能参数，由表4可以看出，CFRP性能优异、稳定性高，可以保证主镜和次镜的力学稳定性和热稳定性。

表4 几种材料的性能参数Tab. 4 Performance parameters of several materials

GF-2卫星相机首次采用整体柔性阻尼技术，通过三组BiPod阻尼支撑杆实现相机与卫星平台在三个支撑上连接，解决了在轨卫星平台连接面热变形对相机的影响，隔振频率为30Hz。在这种情况下，支撑桁架频点处加速度响应放大率小于 3，随机均方根加速度在三个方向上分别衰减至原来的 36%、35%、82%，为光机主体提供了良好的动力学环境。另外，次镜正弦加速度响应放大为18.4倍（无阻尼措施仿真结果为52倍），随机均方根加速度放大仅1.89倍。

经试验验证，该支撑结构对频率大于100Hz的微振动有良好隔振效果，可减少微振动对像质的影响，并减少卫星主动段振动对相机的影响，提高相机的可靠性。

2.4 高速低噪声电子学线路创新

GF-2卫星相机首次采用2Gbit/s的高速数传接口，保证海量遥感数据的稳定传输。另外，该相机还采用电源滤波、阻尼匹配、优化布局等措施将视频电子学焦平面的噪声降至 1mV（RMS），使相机最大信噪比达到了316。

2.5 高精度热控创新

GF-2卫星相机采用“间接辐射热控”方法来实现镜头温度水平优于(20±0.3)℃，径向温度差优于±0.2℃。这一数据是我国目前在轨运行相机的最高水平。为确保良好图像品质，GF-2卫星相机还采用新型槽道热管和补偿加热技术，将TDICCD温度范围稳定维持在±2℃，有效抑制了电路噪声，确保焦平面的几何尺寸稳定。

2.6 重力卸载装调

在 GF-2卫星相机的装调中，首次采用吊索配重解决水平装调检测的重力卸载难题，在地面近似模拟相机失重工作状态，确保在轨图像品质。

3 启示

GF-2卫星相机研制成功，取得了多项创新成果，为我国高分辨率相机研发探索了新的技术途径，有以下主要启示：

（1）采用λF/P≥1设计参数优化相机设计是可行的

相机采用小相对孔径（大F数）、全色谱段静态MTF取0.12～0.15（fN处）是合理可行的，这样设计出的相机体积小，质量比传统取MTF=0.2减少约32%，实现了相机轻小型化和高分辨率，使我国高分辨率对地观测相机达到世界先进水平。

贯彻天地一体化设计理念和成像链路仿真分析优化相机设计参数，结合运用地面MTFC技术，可以保证图像品质达到用户的要求。

（2）提高相机信噪比，保证图像品质

通过优化视频电子线路，可以实现噪声1mv（RMS）；通过运用新型槽道热管对TDICCD散热，可以进一步降低电路的噪声，提高相机的信噪比。

（3）高精度热控是必须的

高分辨率卫星相机采用全反式光学系统，反射镜对温度波动非常敏感。温度的波动将影响反射镜面型精度，降低图像品质，因此必须采用新技术提高热控精度，实现镜头的高精度热控，为相机获取高质量图像提供可靠保障。

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