面向21世紀的航天光學有效載荷的發(fā)展動態(tài)

面向21世紀的航天光學有效載荷的發(fā)展動態(tài)22023/1/13報告內(nèi)容一、航天光學有效載荷概念二、國內(nèi)外發(fā)展概況三、發(fā)展動態(tài)32023/1/13一、航天光學有效載荷概念42023/1/13航天光學有效載荷概念衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)與機構(gòu)熱控制電源姿態(tài)與軌道控制衛(wèi)星測控有效載荷是衛(wèi)星中直接執(zhí)行特定任務的分系統(tǒng)，是衛(wèi)星的核心部分，是決定衛(wèi)星性能水平的主要分系統(tǒng)。光學有效載荷是利用光學譜段獲取目標信息的航天有效載荷，又稱為光學遙感器，航天相機。光學有效載荷是集光學、精密機械、電子、熱控和航天技術等多學科為一體的綜合性高科技產(chǎn)品。在信息技術中屬于上游的源頭技術。52023/1/13航天光學有效載荷1958年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆衛(wèi)星后，美蘇開始研究把光學有效載荷裝在衛(wèi)星上，實現(xiàn)對地偵查。

1960年至今，針對軍事、陸地資源、氣象、海洋、天文等不同的觀測目標，發(fā)展了軍事偵察衛(wèi)星、測繪衛(wèi)星、導彈預警衛(wèi)星，資源衛(wèi)星，氣象衛(wèi)星，海洋衛(wèi)星，天文衛(wèi)星等各種衛(wèi)星，研制了針對各自目標的光學有效載荷。62023/1/13航天光學有效載荷分類航天光學有效載荷天文衛(wèi)星軍事衛(wèi)星資源衛(wèi)星氣象衛(wèi)星海洋衛(wèi)星空間望遠鏡偵察相機測繪相機多光譜CCD相機多光譜光機掃描儀多通道掃描成像儀掃描成像大氣探測儀CCD成像儀海洋水色儀超光譜成像光譜儀導彈預警相機對天觀測對地觀測深空探測月球探測有效載荷火星探測有效載荷72023/1/13二、國內(nèi)外發(fā)展概況

——國外現(xiàn)狀82023/1/13偵察相機航天光學有效載荷起源于軍事應用。偵察相機的研制水平代表了航天光學有效載荷的最高水平。1960年美國KH-1普查型照相偵察衛(wèi)星發(fā)射成功，標志著這一技術在軍事領域應用的開始，開創(chuàng)了航天遙感事業(yè)。目前美國的水平最高，其次是俄羅斯，法國、以色列、印度等國家。國家衛(wèi)星分辨率美國KH-120.1m俄羅斯阿爾康優(yōu)于0.5m法國太陽神0.5m以色列EROSA1.8m

92023/1/13偵察相機美國至今已研制6代，前四代為膠片型相機，后兩代為為CCD傳輸型相機(KH-11,KH-12)可分為三個發(fā)展階段1、前三代相機以提高空間分辨率為主要目標;2、第四代開始以提高單星的綜合偵察能力為主，實現(xiàn)普查和詳查的有機結(jié)合;3、從60年代至今已經(jīng)形成了可見光和微波成像偵察的結(jié)合體系。KH－4膠片型偵察衛(wèi)星相機示意圖102023/1/13偵察相機美國最先進的偵察衛(wèi)星KH-12，1992年首發(fā)成功。光學系統(tǒng)采用全反式R-C系統(tǒng)。主鏡口徑約達3m,焦距約27m采用自適應光學技術，分辨率達到0.1m，增加了紅外偵察能力幅寬3-5km衛(wèi)星與有效載荷一體化設計KH－12光學系統(tǒng)112023/1/13偵察相機1999年發(fā)射的8X偵察衛(wèi)星為KH－12的改進型，解決前者幅寬小、較差大氣及夜間不能觀測的缺點由CCD光學相機和SAR相結(jié)合，SAR擴大幅寬，增為前者的8倍估計口徑更大，達4m8X衛(wèi)星122023/1/13導彈預警紅外相機導彈預警衛(wèi)星是冷戰(zhàn)的產(chǎn)物，后來成為保衛(wèi)國家不受導彈襲擊的重要預警手段。1989年美國第三代國防支援計劃(DSP)可探測洲際導彈和潛射彈道導彈的發(fā)射，提供預警，作出相應反應，目前在軌5顆組成星座。采用掃描型相機和凝視型相機，全反射R-C光學系統(tǒng)，譜段分別為中心波長2.7um，4.3um的紅外譜段和紫外譜段。紅外相機分辨率分別為1km和300m，40－50s確定導彈發(fā)射和飛行方向。DSP導彈預警衛(wèi)星132023/1/13資源相機

第一代(1972年—1986年)：最初應用

1972年美國Landsat-1衛(wèi)星發(fā)射成功標志著空間對地遙感時代的開始，它首次能持續(xù)的提供一定分辨率的地球影像，使利用衛(wèi)星進行地球資源調(diào)查成為可能。其主要載荷為多光譜掃描儀MSS（分辨率80m）和光導攝像管RBV（分辨率100m）。第二代(1986年—1999年)：應用廣泛，技術發(fā)展1986年法國SPOT-1衛(wèi)星發(fā)射成功，標志著對地觀測進入了新的歷史時期，星上載有兩套高分辨率可見光傳感器(HRV)，首次采用線陣CCD傳感器，推掃式成像，全色地面分辨率達10m，是第一個具有立體成像能力的衛(wèi)星。Landsat拍攝的巴西森林砍伐情況142023/1/13資源相機

第三代（1999年至今）：新一代高分辨率衛(wèi)星

1994年美國允許私人公司研制商用1m分辨率高分辨率衛(wèi)星，促進了高分辨率遙感相機的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。1999年IKONOS-2衛(wèi)星的發(fā)射成功，標志著民用對地觀測衛(wèi)星進入高分辨率成像階段。第三代特點國家衛(wèi)星全色分辨率地面幅寬美國Ikonos-10.82m11km美國Quickbird0.61m27km法國SPOT-55/2.5m美國LANDSAT－715/30m空間分辨率:全色0.6－3m，多光譜4m，超光譜8m幅寬：4－40km光譜分辨率：0.4-2.5um(200通道10nm譜分辨率)重訪時間：小于3天數(shù)據(jù)傳輸：實時到地面站擁有者：多個國家152023/1/13高分辨率商業(yè)遙感相機Ikonos1999年發(fā)射，重720kg，太陽同步軌道（680km）采用了最先進的TDICCD，相機重171kg最高0.82m分辨率全色圖像光學系統(tǒng)采用三反同軸消像散系統(tǒng)主鏡0.7m，焦距10米，f/14.3視場角0.92°IKONOSOpticalPathforComparison162023/1/13Ikonos—天安門廣場172023/1/13高分辨率遙感相機Quickbird2001年發(fā)射，重931kg，太陽同步軌道，高度450kmTDICCD相機0.61m分辨率全色圖像光學系統(tǒng)采用三反離軸多光譜消像散系統(tǒng)視場角2.1°，幅寬16.5Km182023/1/13Quickbird—天安門廣場192023/1/13氣象衛(wèi)星光學有效載荷1960年美國發(fā)射第一顆實驗型太陽同步軌道氣象衛(wèi)星（TIROS-1），使用電視攝像機拍攝云圖，具有氣象價值。目前美國運行的為NOAA-14/15。1970年發(fā)射第一代實用化地球同步軌道GOES氣象衛(wèi)星，將光機掃描型的可見和紅外掃描輻射計。目前美國運行的為GOES-8/10。主要光學有效載荷有：可見光紅外掃描輻射計紅外分光計成像光譜儀紫外臭氧探測器閃電成像儀等202023/1/13海洋衛(wèi)星光學有效載荷1978年美國發(fā)射了世界第一顆海洋衛(wèi)星Seasat1，其中的光學有效載荷為可見光和紅外輻射計。由于微波可以在各種天氣條件下，透過云層獲取全天候、全天時的海洋信息，因此海洋觀測以微波為主，可見光紅外為輔。212023/1/13空間望遠鏡Hubble空間望遠鏡從20世紀70年代開始研制，與KH-11采用相似技術1990年發(fā)射成功軌道高度600km重達11,600kg采用R-C反射式光學系統(tǒng)主鏡口徑2.4m，f/24,焦距57.6m，視場角4'×4'采用自適應光學技術Hubble望遠鏡在太空222023/1/13Hubble望遠鏡結(jié)構(gòu)圖232023/1/13二、國內(nèi)外發(fā)展概況

——我國現(xiàn)狀242023/1/13我國光學有效載荷現(xiàn)狀我國從1967年開始研制航天相機，1975年研制成功首臺對地觀測棱鏡掃描式全景相機，開創(chuàng)了我國對地觀測遙感事業(yè)，成為世界第三個掌握航天相機技術的國家。至今共研制成功超過60臺（套）光學相機，裝備在偵察、測繪、資源、海洋和氣象系列的衛(wèi)星上，為國防和國民經(jīng)濟建設作出了重大貢獻。252023/1/13我國光學有效載荷現(xiàn)狀衛(wèi)星類型名稱軌道類型數(shù)量發(fā)射年份返回式遙感膠片型相機低軌221975－2005氣象風云一號風云二號太陽同步軌道地球同步軌道4388,90,99,0297，00,04資源資源一號資源二號太陽同步軌道太陽同步軌道2399,0300,02,04海洋海洋一號太陽同步軌道102環(huán)境環(huán)境一號太陽同步軌道1尚未發(fā)射262023/1/13技術發(fā)展概況首先研制膠片型相機——膠片型與傳輸型相機并行發(fā)展——重點發(fā)展傳輸型相機。遙感譜段從可見光到遠紅外——從單一全色譜段到多譜段。光學系統(tǒng)從折射式向折反式和全反式方向發(fā)展，高分辨率相機主要采用全反式光學系統(tǒng)。可見光探測器由線陣CCD向TDICCD發(fā)展和面陣CCD發(fā)展。相機向高分辨率輕小型化方向發(fā)展。272023/1/13氣象衛(wèi)星有效載荷FY-1太陽同步軌道氣象衛(wèi)星10通道掃描輻射計，分辨率1.1km數(shù)字云圖。圖像質(zhì)量與美國NOAA－15相當。FY-2地球同步軌道氣象衛(wèi)星掃描輻射計的通道數(shù)為5，可見光分辨率1.25km,紅外分辨率為5km。與美國目前用的GOESI-M衛(wèi)星探測通道數(shù)相同

是繼美國、法國后第三個擁有該先進技術的國家

FY－110通道掃描輻射計光路結(jié)構(gòu)FY-1拍攝的云圖282023/1/13資源一號衛(wèi)星多光譜CCD相機1999年研制成功，共研制兩臺譜段藍光譜段：0.45-0.52μm，綠光譜段：0.52-0.59μm，

紅光譜段：0.63-0.69μm，近紅外譜段：0.77-0.89μm

全色譜段：0.51-0.73μm采用折射式光學系統(tǒng)

f=520mm，F(xiàn)=4，2ω=8°，幅寬113Km，GSD=20mCCD相機太湖地區(qū)的2級影像圖

多光譜性能指標與法國SPOT-4衛(wèi)星相機相當，并多了一個藍光譜段。292023/1/13海洋一號多光譜CCD相機采用折射式光學系統(tǒng)，用四個鏡頭實現(xiàn)四譜段的相機,f=30mm,F=4,ω=38°,GSD=250m,幅寬大于500Km譜段：B1:0.42-0.5umB2:0.52-0.6umB3:0.61-0.69umB4:0.76-0.89um海洋一號4波段CCD成像儀CCD成像儀拍攝的臺灣島2002年首發(fā)相機獲取優(yōu)質(zhì)海洋水色照片填補我國海洋衛(wèi)星CCD相機的空白302023/1/13我國正在研制的空間太陽望遠鏡“十五”預研項目主要有效載荷：1米口徑可見光波段主望遠鏡，焦距36m，視場：2.8’×1.5’；4波段極紫外成象望遠鏡Ha和白光望遠鏡；寬波段光譜儀。312023/1/13三、21世紀光學有效載荷——發(fā)展動態(tài)（國外）322023/1/13光學遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢為獲取信息優(yōu)勢，建立統(tǒng)一的衛(wèi)星體系已成為國外軍事衛(wèi)星發(fā)展的重要方向?qū)⑼ㄓ崱Ш?、測繪、偵察、監(jiān)視、氣象、海洋等衛(wèi)星組成功能配套、綜合利用的天基綜合信息網(wǎng)，受到各國的高度重視美國航天司令部2020年天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想

光學有效載荷是信息網(wǎng)的重要組成部分,將大力發(fā)展1.光學遙感衛(wèi)星同其它衛(wèi)星形成統(tǒng)一體系，構(gòu)成天基綜合信息網(wǎng)332023/1/13SBIRS衛(wèi)星星座2.各種光學遙感衛(wèi)星配套使用，不同軌道高度、不同功能、不同分辨率的衛(wèi)星組建星座在提高單星遙感能力的基礎上，發(fā)展信息獲取網(wǎng)絡，把時間、空間、光譜三種分辨率進行有機結(jié)合美國下一代成像偵察衛(wèi)星—“未來成像體系結(jié)構(gòu)”(FIA)、美國下一代天基紅外預警系統(tǒng)(SBIRS)等均基于以上思想構(gòu)建光學遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢342023/1/133.大小衛(wèi)星并存，遙感小衛(wèi)星發(fā)展迅速大型衛(wèi)星由于功能更強，具有更高的分辨率，將繼續(xù)發(fā)展小衛(wèi)星可以大大降低衛(wèi)星及其系統(tǒng)的建造成本，縮短研制周期，同時也提高了衛(wèi)星的生存能力，將得到迅速發(fā)展4.衛(wèi)星智能化具有強大的星間與星地間信息傳遞能力具有強大的星上數(shù)據(jù)預處理能力，可變壓縮比具有機動成像能力光學遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢352023/1/13光學有效載荷發(fā)展趨勢基于以上光學遙感衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，對光學有效載荷提出了新的要求：1、更高的空間分辨率采用特大口徑、特長焦距的光學系統(tǒng)研究新概念、新原理、新方法2、更高的時間分辨率提高衛(wèi)星軌道高度以增加幅寬從地球靜止軌道觀測組成衛(wèi)星星座以減少重訪時間ψ=1.22λ/D362023/1/13光學有效載荷發(fā)展趨勢3、更高的光譜分辨率由于超光譜遙感具有精細的光譜分辯能力，能從獲取的遙感數(shù)據(jù)中直接分析目標的物質(zhì)成分，從而有效地分辯目標，正日益受到更大的重視美國軍方提出為滿足2020年的探測、覆蓋、目標識別等要求，要發(fā)展超光譜成像、特超光譜成像等新技術372023/1/13光學有效載荷發(fā)展趨勢4、激光雷達主動遙感利用激光這一新型的探查工具，通過主動遙感，解決地球上用常規(guī)方法無法探測的特征5、探討新技術提高分辨率如亞像元技術，負折射率技術等382023/1/13偵察相機發(fā)展趨勢和動態(tài)美國技術發(fā)展水平預測可見光偵察相機技術2010年裝備未來成像體系結(jié)構(gòu)（FIA）,相機體積更小,重量更輕,成本更低,提高時效性2020年詳查相機具有超光譜成像能力，近實時偵察從戰(zhàn)略型向戰(zhàn)術型擴展加快超光譜成像技術的研發(fā)新需求導致新概念、新技術不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了新型可展開光學系統(tǒng)技術、光學合成孔徑技術、充氣可展開光學系統(tǒng)概念等新的研究領域392023/1/13美國預警相機發(fā)展動態(tài)技術發(fā)展水平預測預警紅外相機技術2010年計劃2006年發(fā)射天基紅外預警系統(tǒng)(SBIRS),由6顆高軌道衛(wèi)星和24顆低軌道衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。采用掃描性和凝視性紅外相機。提高分辨率。能對導彈全程跟蹤，預警時間20s，可探測到更小的導彈并提供精確的發(fā)射和飛行方向。2020年可實現(xiàn)全球監(jiān)視，地理坐標達幾分米，預警時間近實時。402023/1/13商用遙感衛(wèi)星相機的發(fā)展趨勢追求更高的空間分辨率采用新的設計理念，降低相機的技術難度，進一步輕小型化設計時引進系統(tǒng)參數(shù)F/p=1的新理念，相對孔徑非常小應用地面圖像處理應用MTFC補償技術提高MTF應用圖像復原技術相機F/pIKONOSQuickbird0.8PleiadesIKONOS-II≈1412023/1/13商用遙感衛(wèi)星相機的發(fā)展動態(tài)IKONOS第二代衛(wèi)星由雙星系統(tǒng)構(gòu)成，采用高/低軌道運行方式(770km/510km)口徑1.1m,TDICCD像元大小8um，分辨率可達0.47m/0.27m0.47/0.27m分辨率圖像

422023/1/13商用遙感衛(wèi)星相機的發(fā)展動態(tài)法國Pleiades衛(wèi)星軍民兩用，計劃2006年發(fā)射光學系統(tǒng):三反同軸消像散光學系統(tǒng)主鏡直徑:650mm,焦距:13m，相對孔徑:1/20，視場角:1.7分辨率:全色0.7m，多光譜2.8m432023/1/13研究地球靜止軌道（GEO）光學有效載荷目前低軌道的衛(wèi)星，重訪時間長，無法對地面目標進行連續(xù)觀測，高分辨率相機的幅寬有限，如KH-12只有3－5km，時間分辨率差GEO軌道（36000km）對地面的覆蓋范圍大，單顆衛(wèi)星即可恒定覆蓋四分之一地球表面，只需幾顆衛(wèi)星即可覆蓋全球，從而大大降低成本GEO成像衛(wèi)星對特定區(qū)域的駐留時間長，能夠連續(xù)觀測統(tǒng)一地區(qū)，大大提高了時間分辨率442023/1/13GEO軌道光學有效載荷－歐美動態(tài)2004年美國報道，正在著手研制一種能在發(fā)射時處于折疊狀態(tài)，而在進入太空后可自動展開的光學望遠鏡。預計在今后20年，將把裝有這種望遠鏡的成像衛(wèi)星放到GEO，分辨率為1m，口徑達30m，估計f＝250m。在2005年的歐洲AAAF會議上，法國Alcatel公司提出在GEO軌道進行對地觀測,同時法國國家航空航天研究院正在研發(fā)基于多孔徑的光學望遠鏡系統(tǒng).設想如下:實現(xiàn)時間地面分辨率等效口徑技術手段2010年10m4m單一孔徑望遠鏡2020年4m約8m可展開望遠鏡2020年后1m約30m合成孔徑望遠鏡452023/1/13超大口徑光學系統(tǒng)面臨的技術挑戰(zhàn)體積加工運載能力重量材料研制能力檢測難以實現(xiàn)難以發(fā)射制約因素面臨的技術挑戰(zhàn)特大口徑、特長焦距視軸的高穩(wěn)定性(角穩(wěn)定10nanoradian)462023/1/13解決超大口徑限制的主要技術途徑可展開式光學系統(tǒng)光學合成孔徑光學系統(tǒng)472023/1/13可展開光學技術－空間望遠鏡JWST美國于20世紀90年代提出接替HST的下一代空間望遠鏡（NGST）,計劃于2011年發(fā)射為了達到NGST的科學目標，需要望遠鏡口徑達到6m以上，因此NASA選擇了空間可展開望遠鏡技術即光學系統(tǒng)發(fā)射前折疊，入軌后展開，在自適應光學系統(tǒng)的調(diào)整下達到設計要求。目前該項目已進入B階段的尾期，正式命名為JamesWebbSpaceTelescope(JWST)JWST482023/1/13JWST—OTE光學望遠鏡單元（OTE）組成采用三反同軸消像散光學系統(tǒng)，視場角達到9.1′×18.2′主鏡口徑6.6米，由18塊邊長1.32m的六邊形分塊Be鏡組成，焦距131.4m,F/20像穩(wěn)定鏡用于校正光軸抖動波長范圍0.6-29um，在2um處達到衍射極限492023/1/13JWST—關鍵技術NASA從1996年開始，資助了一系列的關鍵技術項目以完成NGST計劃，均取得突破輕量化低溫環(huán)境(30K)主鏡的制造技術低溫致動器低溫變形鏡波前傳感與控制方法大尺寸、低噪聲紅外探測器精密展開機構(gòu)等502023/1/13光學合成孔徑技術共次鏡合成孔徑系統(tǒng)組合望遠鏡陣列原理1（組合孔徑法）：直接采用多個子系統(tǒng)組合成大孔徑系統(tǒng)，要求各子系統(tǒng)達到共相位的精度。原理2（干涉法）：利用光的部分相干理論，通過測量各子望遠鏡兩兩之間的干涉結(jié)果，把這些干涉結(jié)果綜合成觀測目標的譜，進行傅立葉變換重構(gòu)出目標的圖像。512023/1/13稀疏孔徑望遠鏡—光學

合成孔徑技術美國空軍研究實驗室的稀疏孔徑可展開空間望遠鏡概念:通過稀疏孔徑、可展開光學技術實現(xiàn)大口徑、高分辨率子鏡為Golay6布局522023/1/13空間望遠鏡—TPF—光學合成孔徑技術TerrestrialPlanetFinder美國NASA在研的TPF項目，集光孔徑4個，孔徑大小3.5m，最長基線1000m；采用分布式衛(wèi)星編隊飛行，其分辨率比哈勃望遠鏡高出百倍。