“高分二号”卫星轻小型高分辨率相机技术

姜海滨 罗世魁 曹东晶 宗肖颖 黄伟 靳利锋 兰丽艳

（北京空间机电研究所，北京100190）

0 引言

“高分二号”（GF-2）卫星工程是国家高分辨率对地观测系统重大专项中首批启动立项的重要项目之一，于2014年8月19日成功发射，卫星配置两台分辨率相同的1m全色/4m多光谱的高分辨率轻小型相机。相机具有一个全色和4个多光谱谱段，采用同轴三反光学系统以推扫的方式对地面景物成像，在标称轨道高度可实现星下点地面像元全色谱段分辨率 0.8m，多光谱谱段 3.2m，两台相机拼接后提供的地面覆盖宽度优于45km，目标定位精度优于50m，设计寿命达到5～8年。相机所获得的图像可实现土地资源监测及调查、矿产资源开发多目标遥感调查与监测、地质灾害调查与监测、城乡规划管理、交通运输管理、林业生态工程监测等领域的业务化应用。

“高分二号”卫星已于2014年3月6日正式交付用户，卫星数据品质满足1∶1万～1∶2.5万制图精度要求；满足土地、地矿、城镇、景区、主要路网、航道航标、林地、湿地、沙化地等要素识别对遥感数据的品质要求，支撑1∶1万～1∶5万国土资源、住房和城乡建设、交通运输、林业等主体业务遥感数据品质要求，具备巨大应用潜力。

1 相机系统描述

1.1 相机系统组成

GF-2卫星相机分系统由两台1m/4m相机组成（如图1所示），包括两台光机主体、视频处理器、相机控制器、二次电源箱、相机遮光罩，以及安装于光机主体之上的三个星敏感器支架。相机采用推扫成像方式，通过光学系统将地面景物的反射光会聚在焦面5片TDICCD探测器上，完成光电转换后，由信号处理电路对探测器输出的电信号进行信号处理，通过数传分系统传到地面。相机控制器实现相机的配电控制、与数管分系统的通讯、调焦控制以及遥测数据采集等功能。二次电源箱提供视频电路工作所需的各路二次电源。

图1 相机系统组成Fig.1 Diagram of the camera composition

两台相机按卫星飞行方向前后放置，光轴沿垂直飞行方向2.01°夹角安装，实现双相机拼幅45km。星敏感器安装于光机主体之上，进一步提高其与相机之间的结构稳定性，保证图像定位精度。图2为双相机模装图，可看出双相机之间和与星敏感器之间的设计状态。

图2 相机系统模装图Fig.2 Mock up of the camera

1.2 技术指标

按照研制要求，在标称轨道高度，相机应提供地面像元分辨率（GSD）为全色0.8m、多光谱3.2m，两台相机组合后，可获取覆盖宽度为45km的全色和多光谱影像。相机主要技术指标见表1。

表1 相机主要技术指标Tab.1 Key technical parameters of the camera

2 相机关键技术及实现

2.1 星地一体化设计技术

成像系统的MTF作为衡量成像品质的重要指标之一，国军标GJB2705-96中规定相机的静态MTF要求在Nyquist频率处大于0.2。随着技术的发展，国外近十年来成功在轨应用的高分辨率相机均采用了小相对孔径的TDICCD相机，对应的相机静态MTF分别为0.1左右，图像经地面复原处理后，能满足高品质图像的判读要求，且可以大幅度减小星上相机的设计难度，将部分工作放在地面进行，即保证了图像品质又减小了相机研制难度，不追求部分性能指标最优，而是靠星地一体化设计保证最终图像品质。

过去的胶片式成像系统通常被认为是一个低通滤波器，MTF越高成像品质越好(模糊越小)。对于CCD器件的成像系统，大多数自然景物是非周期性的，其频率为无限宽，而CCD器件受像元尺寸大小限制，采样频率不可能做到无限高，因此基于 CCD的成像系统为欠采样成像系统，由于欠采样引起的频谱复制造成的混叠效应会影响成像品质，MTF越大混叠越严重，而且混叠一旦产生、无法恢复。所以在成像系统的设计过程中，应该考虑 MTF模糊效应与混叠效应之间的折衷，也就是考虑探测器和光学系统之间的匹配问题，研究发现相机系统采样频率与光学系统衍射截止频率的比值（λF/p）接近 1，相机静态传函0.1左右，图像进行地面复原处理后，效果最优。

图3给出了不同采样频率与光学截止频率比值下的传函与空间频率的关系曲线，图中归一化空间频率0.5处为奈奎斯特频率处。可以看出，λF/p越小，相机的MTF越高，混叠面积越大，图像混叠也越严重，增加了图像噪声；当λF/p gt;2时，在奈奎斯特频率处，传函为零，无法获得有效信息；而在λF/p=1时，混叠适中，同时在奈奎斯特频率处保持了一定MTF，此时通过地面 MTFC算法复原，可有效地提升 MTF，并减小混叠信息的影响。GF-2相机系统采用了小相对孔径的设计，F数15，MTF=0.12。经在轨实际验证，原始图像经过MTFC复原处理之后，图像能够达到相机MTF=0.2的图像品质。对比效果见图4，图4（a）为相机在轨获得的原始图像，传函较低；图4（b）为地面进行MTFC处理后，传函得到有效提升，图像品质明显提高。

图3 相机混叠与传函关系Fig.3 Relation between aliasing and MTF

图4 相机图像MTFC前后效果对比Fig.4 The contrast between Non-MTFC and MTFC

2.2 轻小型高稳定光学系统设计及装调技术

光学系统采用折叠式Korsch系统，光学系统长度为1 000mm，宽550mm，高800mm，体积小，结构紧凑，光学系统如图5所示；经过优化设计，视场角达到2.1°，在同等分辨率水平下，超过美国以及法国相同TMA光学系统视场角。

针对光学系统设计特点，相机光机主体构型采用主承力板结构，主承力板直接支撑着主镜组件、三镜组件、前镜筒组件、遮光罩组件及焦面组件；同时，主承力板通过阻尼桁架与相机底板连接，相机底板提供与卫星的接口。此设计消除了反射镜支撑结构的过渡环节，有效节省了空间；主、次镜安装分离，避免了主镜组件的重力对敏感度最高的次镜的影响；主承力板直接负担着所有的反射镜与组件，传力路线直接，结构利用率高；相机整体结构刚度高、变形小；主承力板同时提供主镜、次镜、三镜、焦面组件的机械接口，加工时各反射镜光轴的机械基准关系容易保证，有利于装调精度的实现。详细结构形式见图6。

通过主镜选用SiC材料、镜筒选用C/SiC材料、外遮光罩选用复合材料、三镜调焦等多种技术，实现了相机光学镜头的轻小型化，与传统设计方案相比，质量减小到原来的1/3～1/4。

小相对孔径光学镜头的成像品质对面形及装调误差的敏感度更高，装调手段采取量化控制，确保镜头成像品质。对反射镜组件及其与主承力结构的接口均进行了应力及热变形的卸载设计。装调过程中，在各反射镜装框前、后，反射镜组件与主承力结构组装前、后进行面形测试，确保整机装调完成后反射镜面形精度满足光学设计要求。采用吊索配重实现了水平装调的重力卸载；次镜采用离散化调整，调整与固定分离的设计，提高装调精度。光学系统最终装调因子达到0.92以上。

图5 光学系统Fig.5 Optical layout

图6 光机主体剖面Fig.6 Mock up of telescope

2.3 相机与整星结构一体化设计技术

为满足高空间分辨率光学遥感器研制对整星姿控、热控、结构动特性等需求，进行了整星一体化设计，主要包括：1）星敏感器直接安装在相机的主承力结构上，这样可以保证星敏感器与相机视轴之间良好的连接刚度，避免了因卫星舱体在轨结构变形引入的定位误差；2）相机的构型设计与整星的构型设计同步进行，相机参与整星的动力学耦合分析，以寻求相机良好的整机刚度，同时也有利于整星借助相机的高刚度来提高自身刚度。

这种装星方式具有以下优点：

1）相机与星敏感器的光轴指向精度的稳定性依靠相机的主承力板的性能保证；2）这种立式安装方式，相机安装位置靠近卫星质心，动力学环境得到很好的改善；3）相机两侧设置设备舱，相机电子学组件放置在设备舱内，避免其质量直接支撑在相机主承力框上，有效保证了相机镜头的精度；4）相机遮光罩直接安装在卫星设备舱结构上，与相机镜头采用软连接，避免遮光罩的重力对镜头产生动态干扰。

2.4 支撑结构的减振设计技术

使用阻尼支撑桁架（如图7所示）实现对相机主体的支撑，具有适当的刚度才能保证相机主体具有良好的频率特性。针对相机在发射主动段及在轨抗振具有的宽频段振动特性的特点，采用阻尼设计使振动响应在发射主动段和在轨均得到了良好的抑制。

阻尼支撑桁架的设计频率为 30Hz，经验证对频率大于100Hz的卫星激振有良好的抑制，可有效的抑制卫星在轨阶段产生的微振动，保证成像品质；同时在主动段随机振动中，从卫星安装面到主相机承力结构三个方向均方根加速度衰减至输入的一半以下，为光机主体提供了良好的发射动力学环境。

图7 阻尼桁架Fig.7 Damping truss

2.5 杂光抑制技术

杂光是指入射到光学系统或在系统内产生的非成像光束。非成像光线形成的杂光入射到像面视场范围内，会降低光学系统成像的对比度，使图像的背景抬高，降低系统的动态范围，同时杂光带来了额外的散弹噪声，降低了图像的信噪比。GF-2卫星相机光学系统属于三反同轴类型，此类系统主要有三种杂光：

1）不经主次镜由物空间直接射到一次像最终到达像面的杂光；为阻挡这类杂散光，采用次镜安装内遮光罩和主镜安装内遮光筒消除。

2）视场内的成像光束，不按成像光路，经镜面来回反射到像面的杂光；消除办法主要是通过提高反射镜镜面的光洁度，在反射镜镜面镀高反射率反射膜，以减少漫反射光；并在适当位置设置光栏。

3）视场外的光线经筒壁漫反射而射到像面的杂光。为防止视场外杂散光，相机加装外遮光罩，并在镜筒内壁和透镜边缘涂消光漆。

建立杂光抑制仿真模型（如图8所示），通过杂散光仿真分析可知，相机抑制杂散光能力较好，杂光系数小于3%。

图8 杂光抑制仿真模型Fig.8 Model of miscellaneous optical extinction simulation of camera

2.6 高速低噪声电路技术

由于相机的积分时间短，成像电路的工作频率非常高，而入瞳能量又较低，为实现相机的高信噪比要求，成像电路的噪声要非常小。要在高速的前提条件下实现低噪声的电路设计，抑制电路自身和由于高速而增加的各类噪声，采用了以下技术：

1）对CCD器件进行了低温控制，通过CCD器件背面安装的4根微型高效热管，建立CCD器件→热管→散热面的传热途径，实现CCD探测器工作在–2℃～+5℃的低温水平，大大减小了器件产生的暗电平和暗电平噪声。

2）采用量化位数达14bit的信号处理芯片，配合550万门FPGA，实现对CCD模拟信号的相关双采样、箝位、增益控制、A/D转换、辅助数据注入、数据格式编排功能。实现了高集成度、低功耗、低噪声的成像电路设计。

3）采用了星上数字增益和动态箝位技术，可以在轨设置参数，去除大气漫反射等造成的图像衬底，提高信噪比。

4）采用高速并串转换数据传输接口TLK-2711，实现了每通道高达2Gbit/s的数据传输能力，有效的提高了数据传输效率和可靠性，同时抑制了高频串扰噪声对系统信噪比的影响。

5）通过GPS硬件秒脉冲、卫星整秒计数和相机本地时钟相结合的方式，信号处理器根据硬件秒脉冲启动本地计时时钟（1MHz），从而精确计算出每一行的成像时刻，并在对应图像行的辅助数据里标出。同时通过锁存相临两个秒脉冲沿之间的计数值能够实现对时钟频率的标定。实现了对每一帧图像成像时刻的精确标定，从而提高了定位精度。

2.7 高精度热控技术

为了保证 GF-2卫星相机成像品质，要求光学镜头及主要支撑结构的在轨温度稳定度在全寿命周期内保持±0.3℃，相比于目前国内在轨大口径光学遥感器±1℃或±2℃的温度稳定性而言，热控难度显著增大。为此，相机在方案设计过程中大量采用了结构热控一体化的设计思想，在主动控温与被动隔热设计中采用了间接辐射控温技术和指令控制式补偿加热技术等多种创新设计方法，并达到了很好的效果。

GF-2卫星相机热设计中创新性的采用了间接热控与结构一体化的设计方法，即相机结构设计与热控设计同步开展，在结构设计的同时充分考虑热控的需要。在被控对象周围合适的区域布置控温结构板，对其进行发黑处理以提高红外发射率同时对其进行控温，通过控温结构板与被控对象之间的辐射换热达到对被控对象进行间接控温的目的。上述方法利用了辐射换热热阻较大，被控对象温度变化缓慢的特点，使得外界温度发生较大波动时，只需控制控温结构板的温度在一个相对较小的范围内波动，即可以确保被控对象具有很高的温度稳定性。其原理见图9。

图9 间接辐射控温示意Fig.9 Indirect radiation thermal control

GF-2卫星相机的CCD器件在工作时均会产生大量的热量，造成CCD的温度迅速升高，对CCD的温度稳定性产生不利的影响。由于常规的功率补偿方法存在控温延迟，无法满足 1m全色/4m多光谱相机CCD的温度稳定性要求，为此，提出了通过相机发送指令控制补偿加热回路开关的方式对CCD进行恒温化设计。当相机开机瞬间，相机的管理控制器发送指令关闭 CCD控温加热回路，当相机成像结束瞬间，相机管理控制器发送指令打开CCD控温加热回路，使CCD附近一直保持恒定的发热功率，从而降低了CCD的温度波动。

相机在轨温度遥测数据显示，光机主体的温度稳定性达到了±0.2℃，CCD的温度稳定性达到±1℃，相机各位置的温度数据均优于设计指标。

3 在轨应用评价

2014年8月20日，GF-2卫星首次进行在轨成像测试，下传首批影像数据，包括0.8m分辨率全色和3.2m分辨率多光谱影像，影像清晰、层次丰富、细节表现力强，图像直方图分布合理。图10为相机全色和B1，B2，B3谱段融合图像。

图10 相机在轨获取图像（真彩色）Fig.10 Photograph taken by the camera in orbit (true color images)

GF-2卫星经过 6个月的在轨测试与评价：PMS1相机的星下点 GSD分别为全色 0.799m、多光谱3.200m，PMS2相机的星下点GSD分别为全色0.800m和多光谱3.200m；PMS1相机幅宽为23.37km，PMS2相机幅宽为23.36km，组合幅宽为45.74km；PMS1和PMS2影像在沿轨和垂轨方向图像数据波段配准精度均优于0.3像元；图像无控几何定位精度为39.8m；全色图像在沿轨方向和沿CCD方向内部几何精度分别约1.3m与0.7m，多光谱图像在沿轨方向和沿CCD方向内部几何精度分别约2.1m与1.6m。

4 结束语

GF-2相机设计理念先进，采用了多项创新技术，是现今我国焦距最长、分辨率最高的民用航天遥感相机，也是国际上同等分辨率幅宽最大的遥感相机，标志着我国民用航天遥感正式跨入“亚米级”时代。亚米级遥感数据不仅为我国经济建设、生态文明建设、民生安全保障和推进国家治理能力现代化起到信息支撑作用，同时对于遥感数据国产化、开拓国际市场、推动空间信息产业发展等方面也具有重要意义。

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