资源一号02D卫星可见近红外相机技术与验证

李庆林 徐先锋 魏志勇 袁安波 张占东 安萌 于生全

(1 北京空间机电研究所，北京 100094)(2 北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094)(3 重庆光电技术研究所，重庆 400060)(4 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着遥感器技术的进步，空间遥感器相机向着多谱段、大幅宽、实时传输等方向不断发展。获取多个谱段的景物信息对资源普查、矿物勘测、农作物监测等具有极高的应用前景。然而受现有成像探测器研制工艺限制，目前较为成熟的成像探测器一般不多于5个谱段，例如资源三号多光谱相机具有4个多光谱谱段[1]，资源一号01星CCD相机具有1个全色和4个多光谱谱段。要想获取更多的谱段图像需要增加遥感相机的数量来实现，由此引起卫星尺寸和质量成倍增加。为了降低卫星尺寸和质量，资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)主载荷——可见近红外相机通过光路分光设计实现拥有1个全色和8个多光谱谱段，提升了遥感相机谱段的数量，满足了目前对多谱段的迫切应用需求。

可见近红外相机在研制过程中从四色探测器国产化研制入手，解决了双通道间像元配准难题、焦面设计面对调焦机构设置、集成电路及主动控温等多学科交叉难题，实现在轨相机大幅宽、谱段数量多，极大提高了国土资源普查效率。本文阐述了可见近红外相机系统的技术指标与相机采用的关键设计技术，地面环境试验与性能测试结果，以及在轨测试情况。

1 相机组成及工作原理

可见近红外相机由光机主体、视频信号处理器、管理控制器和二次电源组成。系统组成框图如图1所示。可见近红外相机模装图如图2所示。

当卫星飞行时，可见近红外相机采用推扫成像方式，将来自地面的信息经光学系统传递到到两个通道的焦面探测器上，探测器将入射光信号转换为电信号，电信号经视频信号处理器进行放大和模数转换等处理后送给数传分系统和地面图像采集处理系统。

可见近红外相机主要技术指标如表1所示。

表1 可见近红外相机主要技术指标Table 1 Key technical parameters of visible and near-infrared camera

续 表

2 相机关键技术及实现

2.1 双通道多谱段高集成焦平面技术

焦平面是相机光机主体的重要组成部分，焦面的热稳定性、结构稳定性直接影响光学系统的成像质量，对相机总体质量和可靠性起着至关重要的作用。可见近红外相机谱段数多达9个，在有限的空间内实现通道分光、多谱段成像、探测器拼接、电路板安装、探测器散热等功能，是焦平面设计的难点。经过多种方案的分析对比，综合考虑多谱段需求和光学设计难度，最终采用双通道焦面成像形式。相机光学系统在焦面处通过分光镜分光，形成两个成像通道，两个通道分别采用五色和四色探测器成像[2]。双通道多谱段高集成焦平面技术能够获取更多的地面景物元素，通过一台相机获取以往两台相机才能获取的景物信息，提高了单台相机的利用率，节省了载荷成本。

由于采用双通道组合焦面形式，焦面部分的热控及电路组件需要高度集成。首先探测器背面采用小型组合槽道热管耦合热量并外接散热面进行散热，因为功耗差异，两个焦面通道独立控温散热。焦面电路组件与探测器直接插接，通过隔热结构件实现其在焦面拼接结构上的隔热安装。焦面热源除了探测器还有焦面电路部分，焦面电路采取大型槽道热管耦合热量并外接散热面的形式进行散热。可见近红外相机焦面拼接线阵总长达330 mm，焦面主框架及双通道拼接基框均采用钛合金，同时焦面主框架、拼接基框、探测器槽道热管、焦面电路结构件上均设有主动控温回路，保证了相机在轨成像期间内的图像稳定性。可见近红外相机高集成度焦平面如图3所示。

图3 高集成双通道焦面结构示意图Fig.3 Mechanical model of dual channel focal plane assembly

2.2 自主研发国产多光谱探测器研制

可见近红外相机中四色焦面通道探测器采用了自主研发的国产多光谱四色TDICCD器件。四色探测器研制过程中攻克了探测器流片工艺空间适应性和可靠性、探测器性能指标及接口的符合性、探测器多光谱滤光片的设计加工及考核验证[3-4]、探测器的封装对准以及探测器的拼接配准等难关。

四色TDICCD探测器如图4所示，通过各项测试四色探测器多项性能优于同类进口器件。四色探测器采用电荷连续转移模式对成像系统进行像移补偿，有效提高系统动态传函。自主研发探测器的“定制性”不仅节约成本，还可显著提升遥感相机的成像质量。

图4 四色TDICCD实物图Fig.4 Picture of four-multispectral TDICCD sensor

2.3 通道焦面高精度配准技术

多通道成像可有效地利用光学系统的线视场范围，降低光学设计难度，但同时带来了通道间的配准问题。为获得高品质的多谱带融合图像，不同通道探测器间各谱带像元位置要求在光学空间上一一对准，以保证通道间图像的融合精度。经分光镜分光后的不同通道探测器分属不同结构组件，在不同结构组件间实现探测器亚像元级的配准精度非常困难。针对通道间配准精度测试，研制了一款用于该相机的九谱段焦面配准测试仪，配准测试工作原理如图5所示。使用平行光管对狭缝成无限远像，狭缝模拟目标同时照明双通道上的九个谱段，分别在四色五色探测器上成放大的狭缝像，通过灰度重心法提取狭缝像质心位置，依据质心位置调整焦面通道位置，实现通道间的高精度配准。该方法能够对两个通道的谱段同时照明成像，在同视场下调整配准，不受环境及测试转台等外界因素的干扰，测试稳定性高。另外，不同于传统的人眼识别判读像元位置，为定性判读，精度低，该测试仪基于数字图像处理的质心提取方法，属定量判读，结果准确可靠，可见近红外相机双通道间的配准精度优于0.3像元。

图5 图像配准测试工作原理图Fig.5 Principle diagram of image registration test

2.4 相机主体高刚度、高稳定性结构设计

可见近红外相机采用三反离轴光学系统，根据光学系统特点，相机主体结构选用整体框架结构形式[5-6]，材料选用铸造钛合金。通过有限元仿真分析[7]，相机主体结构一阶模态频率达119.7 Hz，相机主体结构模态如图6所示。

为减少卫星发射段传递给相机的振动载荷，相机采用阻尼隔振技术[8-9]，该方法是一种结构简单且又高效的隔振方法，其结构如图7所示。通过隔振大大降低了相机在卫星发射段的振动响应，确保了相机在卫星发射过程中的安全，保证在轨图像质量。

相机设计时采用与星敏感器一体化设计，提高了相机图像的定位精度，同时相机采用精密控温设计，确保了相机在轨过程中反射镜具有秒级稳定性，相机视轴与星敏感器间的角度变化小于10 s的精度。

图6 相机主体模态图Fig.6 First order modal simulation results of camera

图7 阻尼隔振构型图Fig.7 Structure of vibration isolator

2.5 高精度相机热控设计技术

资源一号02D卫星运行于太阳同步轨道，可见近红外相机安装在卫星舱板外部，暴露于冷黑空间，相机表面各部分所受的辐射能量不均匀，造成其表面温度分布不均匀和波动。由于离轴式空间相机结构、力热载荷非对称的特点，即使整体温度水平均匀变化，光机结构也将产生非对称的几何尺寸变化，由热引起的光学和机械误差将导致相机的视轴漂移和波前畸变，严重时将影响成像质量甚至无法成像。为保证相机成像质量，需对相机主要部组件进行高精度温度控制[10]。

1)主要热控措施

(1)间接辐射控温

相机外热流波动大的部位采用局部加装复材保护板，如图8所示。结合多层隔热组件包覆及隔热垫片设计，极大增加传热热阻，减小相机结构温度波动。

图8 保护板安装示意图Fig.8 Assembling of protection plate

(2)单回路非均匀加热

改变单个主动控温加热回路热流密度一致的常用设计，采用同一加热回路不同电加热器设计不同热流密度，实现相机结构非均匀加热。结合多层隔热组件包覆及隔热垫片设计，在不增加相机分系统热控回路资源的情况下，减小因CCD器件间歇工作带来的焦面拼接基座温度波动。

2)被动热控措施

(1)相机外表面均包覆多层隔热组件以减小轨道外热流、空间冷黑背景、卫星舱板及其它载荷等温度波动对相机的热辐射影响；

(2)采用分层隔热垫片极大降低相机安装位置卫星舱板温度波动对相机的热传导影响；

(3)通过结构-热控一体化设计实现相机光机结构与其它部组件的强化隔热；

(4)采用热管将相机电子设备工作产生的热量传递到散热面进行排散，以降低发热部组件的温度水平，减小CCD器件的暗电流，并确保各电子元器件在许可温度范围。

2.6 多线阵全色/多光谱TDICCD低噪声视频电路集成技术

由于采用双通道九谱段成像，相机焦面电路规模庞大，从探测器输出的模拟信号达一百多路。为了减少模拟信号的长线传输，电路设计上将信号的模数转换部分前移，形成前置的焦面电路[11]。处理完的数字信号再经线缆传输至视频处理器，这种电路设计方式大大减小了成像电路的规模，极大降低了系统的功耗，节省了整星资源。同时由于电路数据采用高速串行接口传输，大大提高了系统的抗电磁干扰能力和可靠性。

3 试验验证与在轨测试

3.1 环境试验与测试

为满足卫星在轨使用要求，可见近红外相机在研制过程中进行了一系列的试验验证、功能性能测试以及外景成像试验，试验结果表明可见近红外相机设计合理可靠，性能满足指标要求。

3.1.1 振动试验

为验证可见近红外相机的刚度及稳定性，在相机完成总装后，依次进行了准鉴定级正弦振动试验与随机振动试验，振动试验前后，对相机传函、外方位元素及通道间配准精度进行了测试，测试结果表明相机性能稳定，验证了相机结构的稳定性。

3.1.2 真空热试验

可见近红外相机在真空罐内进行了模拟真空热试验，真空热试验各工况及试验前后的测试结果表明，相机热控达到了设计指标，在模拟热真空环境中相机性能能够满足要求，试验前后对相机传函、外方位元素及通道间精度进行了测试，测试结果表明相机具有良好的热稳定性。

3.1.3 外景成像试验

可见近红外相机完成研制后，进行了外景成像试验，图9是可见近红外相机单谱段图像，从图像中可以看出相机图像清晰，图像信息层次分明，表明相机成像质量良好。

3.2 在轨应用评价

2019年9月13日，资源一号02D卫星首次在轨成像测试，获得首批影像数据，图10为可见近红外相机在轨影像图。经过在轨测试与评价，可见近红外相机影像清晰，层次分明，相机性能指标满足用户要求。相机关键性能指标测试符合性见表2。

图10 可见近红外相机在轨影像图Fig.10 Photographs taken by camera in-orbit

表2 可见近红外相机指标符合情况Table 2 Compliance of visible and near-infrared camera’s technical parameters

4 结束语

资源一号02D卫星可见近红外相机作为新一代资源普查相机，将全面接替资源一号02C卫星，开展国土资源1∶5万比例尺遥感图像数据业务，将服务于我国国土资源管理、矿产资源勘探、地质灾害预警、水质监测等领域，为国计民生的方方面面带来深刻变革。