“高分四号”卫星凝视相机的技术特点

马文坡 练敏隆

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星凝视相机的技术特点

马文坡 练敏隆

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星凝视相机具有高时间分辨率、较高空间分辨率和较大成像幅宽的特点。它包含可见光近红外（VNIR）通道和中波红外（MWIR）通道，VNIR通道有5个谱段，MWIR通道有1个谱段，具备昼夜成像能力。相机光学系统为折反射系统，采用分色片实现VNIR与MWIR谱段分离，利用旋转滤光轮将入射VNIR辐射分成5个谱段。VNIR焦面组件采用全局电子快门CMOS面阵探测器；MWIR焦面采用HgCdTe面阵探测器，由脉冲管制冷机制冷到80K。MWIR谱段采用两个黑体进行星上定标。基于用户需求和地球静止轨道环境开展了相机与卫星平台一体化设计、光学系统力学和热学稳定性设计、微振动抑制设计、活动机构长寿命高可靠性设计。

凝视相机 旋转滤光轮 面阵探测器 一体化设计 “高分四号”卫星

0 引言

空间分辨率优于1m的低地球轨道（LEO）光学成像遥感卫星已经广泛应用多年，但时间分辨率较低。例如，WorldView-3卫星全色谱段星下点空间分辨率高达0.31m，星下点幅宽为13.1km，通过卫星侧摆平均重访时间可达1天。地球静止轨道（GEO）气象卫星具有较高的时间分辨率和较大的成像幅宽，但空间分辨率较低。例如，正在研制的欧洲第三代气象卫星（MTG）全地球圆盘观测的重访时间为10min，四分之一地球圆盘观测的重访时间为2.5min，可见光谱段和短波红外谱段的星下点空间分辨率最高仅为500m[1-2]。为满足同时需要高时间分辨率和较高空间分辨率的对地观测需求，中国研制和发射了运行于地球静止轨道上的“高分四号”卫星。

“高分四号”卫星为世界首颗地球静止轨道高分辨率光学成像遥感卫星，星上装载了一台凝视相机。利用卫星长期驻留赤道上固定区域上空、持续提供上行和下行数据通道以及较强姿态机动能力，凝视相机可对中国及周边地区进行观测，可快速获取突发事件的遥感数据，并可根据需要灵活调整成像积分时间。

“高分四号”卫星主要为综合防灾减灾、气象预报、林业监测和地震监测等领域提供高时间分辨率和较高空间分辨率遥感数据，并可为海洋、农业、国土、水利等行业提供遥感数据服务。“高分四号”卫星于2015年12月29日发射，2016年1月4日开始获取图像，2016年6月13日投入使用。

“高分四号”卫星凝视相机工作在可见光近红外和中波红外谱段，可见光近红外谱段的星下点地面像元分辨率为 50m、幅宽为 500km×500km，中波红外谱段的星下点地面像元分辨率为 400m、幅宽为400km×400km，可通过卫星姿态机动实现“步进与凝视”成像，进一步扩大观测区域。

1 主要技术指标

“高分四号”卫星凝视相机的主要技术指标如表1所示。

表1 “高分四号”卫星凝视相机的主要技术指标Tab.1 Main specifications of the staring camera on board GF-4 satellite

2 设计概述

“高分四号”卫星凝视相机的组成框图如图1所示，相机主体如图2所示。其可见光近红外与中波红外通道既可同时成像也可分别成像，既可单次成像也可连续成像，可见光近红外通道5个谱段既可单谱段成像也可多谱段成像。“高分四号”卫星凝视相机的主要成像模式见表2。

图1 “高分四号”卫星凝视相机组成框图Fig.1 Block diagram of the staring camera on board GF-4 satellite

图2 “高分四号”卫星凝视相机主体Fig.2 Engineering qualification model of the staring camera on board GF-4 satellite

表2 “高分四号”卫星凝视相机的主要成像模式Tab.2 Imaging mode of the staring camera on board GF-4 satellite

3 技术特点

“高分四号”卫星凝视相机的主要技术特点如下：

1）采用较大规模的面阵探测器，配合大口径、长焦距光学系统以及高速低噪声信号处理电路，实现了高时间分辨率、较高空间分辨率、较高辐射分辨率以及较大单景成像幅宽。可见光近红外通道单谱段连续成像时间分辨率为5s，多谱段连续成像时间分辨率为分钟级，中波红外通道连续成像的时间分辨率为1s，特别适合于对动目标或快速变化目标进行监视成像。经测试，可见光近红外通道的星下点地面像元分辨率优于 50m，中波红外通道的星下点地面像元分辨率优于 400m，为目前空间分辨率最高的地球静止轨道光学成像仪器；可见光近红外通道的星下点单景成像幅宽优于500km×500km，中波红外通道的星下点单景成像幅宽优于400km×400km；可见光近红外谱段可实现的最大SNR优于50dB，中波红外谱段的NETD优于0.1K（@350K）。

2）光学系统采用折反射系统，利用分色片实现可见光近红外通道与中波红外通道分离，利用旋转滤光轮将入射可见光近红外辐射分成5个谱段。可见光近红外通道与中波红外通道既可同时成像也可分别成像，可见光近红外通道5个谱段分时成像，中波红外通道可昼夜获取图像。

3）可见光近红外焦面组件采用基于全局电子快门曝光方式的CMOS面阵探测器，成像时所有像元同时曝光，不存在曝光不同时引起的景内图像畸变。

4）中波红外焦面采用HgCdTe面阵探测器，由脉冲管制冷机制冷到80K，脉冲管制冷机在轨连续工作。为了提高可靠性，中波红外通道面阵探测器及制冷机均增加了冷备份。

5）探测器的积分时间准连续可调，可根据需要灵活设置每个谱段的积分时间，提升 SNR；还可对同一场景中的亮、暗目标采用不同的积分时间成像再进行图像融合，实现大动态范围观测；也可对目标多次曝光成像再进行累加，进一步提高SNR。

6）通过相机与卫星平台一体化优化设计，提升力学和热学稳定性以及图像辐射品质与几何品质。卫星的星敏感器和测控天线安装在相机上，而遮光罩的支撑段直接与卫星平台相连，从而避免将热量直接传导到相机结构上。

7）针对地球静止轨道冷热交变周期长（24h）、热环境恶劣、午夜前后一段时间阳光进入相机以及相机自身散热、温度稳定性和消杂光要求，通过采取相机结构与热控一体化优化设计、遮光罩高效导热与散热设计、南辐射板与北辐射板耦合散热设计、间接辐射热控和消杂光设计等措施，在实现光学系统高精度控温和杂光抑制的同时，降低了对卫星资源的需求。

8）针对地球静止轨道凝视成像的积分时间长、对微振动敏感，结合仿真和试验数据，采取减振与隔振措施，抑制微振动及其对成像的影响。

9）中波红外通道采用常温黑体和高温黑体进行星上定标，定标频次可根据需要进行设置，高温黑体的温度可根据需要进行调整。

10）为了满足功能和性能要求，相机需要多套机构，如旋转滤光轮机构、星上定标机构和脉冲管制冷机等，围绕在轨工作8年的寿命和可靠性要求，从设计、过程控制和试验验证等方面采取措施，提升机构的寿命和可靠性。

4 结束语

“高分四号”卫星凝视相机的成像方式、外热流变化情况、成像时阳光照射情况等与低轨卫星相机存在较大差异，给设计和研制工作带来巨大挑战。围绕用户需求和地球静止轨道成像环境条件，“高分四号”卫星凝视相机在设计上采取了一系列措施，如相机与卫星平台一体化设计、微振动抑制设计、光学系统力学和热学稳定性及消杂光设计、活动机构长寿命高可靠性设计、高速低噪声信号处理电路设计等。

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Technical Characteristics of the Staring Camera on Board GF-4 Satellite

MA Wenpo LIAN Minlong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The multispectral staring camera on board GF-4 satellite has the characteristics of high temporal resolution, higher spatial resolution and wider coverage. It includes visible and near infrared (VNIR) channel and middle wave infrared (MWIR) channel. The VNIR channel has five spectral bands, while MWIR channel has one spectral band with day and night imaging capability. Its optical system adopts a catadioptric system. A dichroic beam-splitter is utilized to separate VNIR spectral bands from MWIR spectral band, and a filter wheel assembly is used to split the in-coming VNIR radiant flux into 5 spectral bands. The VNIR focal plane assembly uses CMOS area array detector with global shutter, while the MWIR focal plane assembly uses HgCdTe area array detector cooled to 80K by pulse tube cooler. On board calibration of MWIR spectral band is achieved with two blackbodies. Integrated design of the camera and the platform, mechanical and thermal stability design of optical system, micro-vibration suppression design, long-life and high reliability design of mechanisms are conducted based on user’s requirements and geostationary earth orbit environments.

staring camera; filter wheel; area array detector; integrated design; GF-4 satellite

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0026-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.004

马文坡，男，1967年生，1992年毕业于中国空间技术研究院，博士生导师。研究方向为航天光学遥感器总体设计。E-mail：mawenpo@sina.com。

（编辑：庞冰）

2016-06-05

国家重大科技专项工程