国外卫星光学遥感器前沿技术发展探析

陈建光 （中国航天系统科学与工程研究院）

国外卫星光学遥感器前沿技术发展探析

Analysis on the Emerging Technology of Foreign Satellite Optical Remote Sensor

陈建光 （中国航天系统科学与工程研究院）

卫星遥感利用卫星平台搭载光学、雷达、红外等遥感器，获取地球陆地、海洋和大气的特征信息，形成图像以及反映物质成分的光谱信息等遥感产品。国外正在大力发展天基薄膜衍射成像、空间分块可展开光学成像、天基光学合成孔径成像、天基超光谱成像等新型卫星遥感技术，实现在空间、时间、光谱等不同维度的高分辨率光学探测。

1 国外卫星光学遥感器前沿技术发展重点

高轨高分辨率光学成像是未来实现持续目标侦察与监视的重要途径。目前的成像卫星尽管已实现0.5m空间分辨率，但主要部署在700km以下的低地球轨道，仅能在飞经目标上空时才能进行十几分钟“过顶”观测，再次重访需要1天以上。天基薄膜衍射成像、空间分块可展开光学成像、天基光学合成孔径成像等技术可有效解决研制和部署大口径光学系统的技术瓶颈，在距离地球表面约36000km的地球静止轨道实现高分辨率“凝视”成像，满足对目标连续监视以及紧急事态响应的需求。

高光谱分辨率成像是辨析未来战场态势的重要手段。天基超光谱成像技术可在成百上千个近似连续的光谱谱段上成像，分析出被喻为物质“指纹”的光谱特征，辨别目标物质成分，进而识别伪装。

2 典型卫星光学遥感器前沿技术

天基薄膜衍射成像技术开辟高轨高分辨率成像卫星的新途径空间分块可展开光学成像技术推动大口径光学系统的空间应用

薄膜衍射成像技术采用衍射成像原理，利用轻质可折叠薄膜替代传统光学系统镜片，解决高轨道（如地球静止轨道）光学成像卫星光学口径的瓶颈问题。

美国“莫尔纹”项目地面样机

菲涅尔波带片（左）和光子筛（右）

天基大口径衍射成像系统的概念最早是美国在1996年提出的，并在2003年成功研制和测试了一个5m口径的原理样机，验证了天基衍射成像技术的可行性。2010年后，美国开展了基于不同衍射薄膜的“莫尔纹”（MOIRE）、猎鹰卫星-7（FalconSat-7）等项目，探索利用天基薄膜衍射成像技术实现高轨高分辨率成像的技术途径，并且取得重大突破，其他国家尚未实施类似项目。“莫尔纹”项目采用一组透明和不透明同心圆环间隔组成的光栅薄膜（即菲涅尔波带片），已在2014年完成5m口径地面样机的衍射成像试验，技术成熟度达到4级；猎鹰卫星-7项目采用表面布满微孔环带阵列的光子筛薄膜，具有较高的光束聚焦性能，技术成熟度达到7级。美国计划在2018年发射1颗立方体卫星，开展在轨飞行试验。

天基薄膜衍射成像技术实现应用需要突破两大关键技术，包括高控制精度卫星平台和轻质衍射薄膜技术。首先，由于衍射成像系统的焦距较长，高控制精度卫星平台应满足所需长支撑结构或者双星编队飞行的需求。例如，部署在地球静止轨道的20m口径侦察卫星，其支撑结构长度需要达到50m。其次，轻质衍射薄膜可大幅降低光学系统质量和加工要求。在相同分辨率下，薄膜衍射成像系统的质量仅为反射光学系统的1/7，且对镜面加工精度的要求降至反射系统的1/2，易于批量生产。

天基薄膜衍射成像技术未来可应用在高轨或者低轨成像侦察卫星系统。一是应用于地球静止轨道高分辨率成像侦察卫星，美国计划研制一颗20m口径的侦察卫星，实现视场10km×10km、分辨率1m、成像速率1帧/秒的地球静止轨道连续成像；二是构建低轨小卫星星座，利用轻质、小型的薄膜衍射成像系统获取高分辨率图像，“按需”向前线作战人员提供可靠的持续监视图像。

天基薄膜衍射成像技术代表了高分辨率光学成像卫星的一个重要发展方向。无论是高轨卫星还是低轨卫星星座，都将使美军实现有效的全球侦察，以及对目标的连续、实时监视。这种实时、近实时的高分辨率成像侦察能力将拨开“战争迷雾”，推动游戏规则的变革。

空间分块可展开光学成像技术采用“分块”概念，将大口径（如3m以上）光学系统的主镜分成多个尺寸较小的轻量化子镜，经折叠后可适应运载火箭对载荷尺寸的要求，入轨后展开并锁定，按设计的排列方式拼接形成一个主镜。

分块拼接镜片的设计方案最早在1977年提出，用于建造地基天文望远镜，并在1993年首次应用于10m口径的“凯克”（Keck）望远镜。其主镜由36块子镜拼接而成。美国在1996年提出利用该技术研制“詹姆斯·韦伯空间望远镜”（JWST），同期也曾研制“分块反射镜望远镜”侦察卫星，但在2005年完成样机研制后终止。空间分块可展开光学成像技术主要由美国开展研究，已处于工程研制阶段，“詹姆斯·韦伯空间望远镜”实现该技术的首次空间应用。该望远镜主镜由18个六边形子镜拼接成一个口径6.5m的镜片，约为美国现役“锁眼”（Keyhole，KH）侦察卫星主镜口径的2倍；发射时，两侧的分块子镜可向后折叠，使整星包络直径小于4.5m，以满足运载火箭的整流罩尺寸要求。“詹姆斯·韦伯空间望远镜”尽管设计用于天文观测，也为未来的对地成像侦察奠定了技术基础，如果部署在地球静止轨道，可实现1.75m分辨率，且具备对目标的持续监视能力。受限于现有运载火箭能力，大口径的空间分块可展开光学系统必须采用超轻质分块子镜，以折叠状态发射并在入轨后展开，涉及轻量化镜片材料、镜片面形精度、子镜拼接、精密展开、自适应光学等多项关键技术。轻量化镜片技术是其中的关键。美国历经11年才实现“詹姆斯·韦伯空间望远镜”主镜的工程研制，其轻量化铍镜的面密度仅为10.3kg／m2，是“哈勃空间望远镜”（HST）的1/16，大幅降低了卫星质量。

“凯克”地基望远镜

空间分块可展开光学成像技术是实现大口径光学系统空间应用的重要途径。该项技术的工程应用具备在地球静止轨道实现1米量级高分辨率成像侦察的能力，并且可借助对地相对静止的优势，使对目标的持续侦察监视成为可能。这种能力将能够显著增强对战场态势的感知能力，提供实时的战前战后侦察和评估，有效支持战术行动计划的制定和执行。

天基光学合成孔径成像技术处于方案设计和验证阶段

天基光学合成孔径成像技术利用精确排列的多个小口径光学元件或者光学系统，使通过各子孔径的光束在成像传感器上实现干涉成像，达到大口径光学系统的分辨率，且可有效避免大口径光学系统的加工难度。

“詹姆斯·韦伯空间望远镜”

“詹姆斯·韦伯空间望远镜”主镜的在轨展开过程

由3个或6个子孔径组成的光学合成孔径成像方案

光学合成孔径成像技术可分为斐索干涉成像和迈克尔逊干涉成像两种类型，在20世纪80～90年代均已应用于地基天文观测，天基应用仍处于方案设计和验证阶段，美国处于全球领先水平，欧洲也在积极探索相关技术。

斐索干涉成像将不同子孔径的光束汇聚后可直接形成目标的模糊像，经图像恢复运算得到清晰图像，因此成为早期天基应用研究的重点。美欧从20世纪90年代末开始陆续提出多望远镜结构、共次镜结构等方案，但均未能进入工程研制阶段，如欧洲“地球静止轨道1米分辨率”方案等。迈克尔逊干涉成像通过测量不同子孔径光束形成的干涉信息，如振幅和相位等，经逆傅里叶变换得到目标图像。由于需要测量大量的干涉信息，迈克尔逊干涉成像虽然可通过长基线获得极高分辨率，但成像周期长达数小时，多用于对静止目标成像，如天文观测。近年来，美国正在研发利用大规模微型干涉仪阵列的干涉成像系统，即“蜘蛛”（SPIDER，即“分块式平面光电成像”探测器）系统，通过增加干涉测量基线数量，将成像周期大幅降低到数百毫秒。

基于大规模微型望远镜阵列的“蜘蛛”成像仪

光学合成孔径成像技术的天基应用不仅要具备相位同步、图像恢复与增强、高稳定姿态控制等关键技术，还必须采用轻质光学系统。其中，斐索干涉成像可利用多个小镜片取代单个镜片，降低了研制难度和系统质量；在迈克尔逊干涉成像方面，“蜘蛛”系统的核心器件光子集成电路采用微机电加工工艺制造，整个系统的尺寸和质量仅为传统系统的1%，且相同口径情况下成像水平可提高10倍以上。该系统有望在未来5～10年达到实用化程度，可应用于小型卫星、无人机平台等。

天基光学合成孔径成像技术是高分辨率卫星光学遥感器的新发展途径，尽管目前处于方案设计和技术验证阶段，但应用于大口径光学系统的潜力巨大。该技术既可用于高轨大口径侦察卫星，也可用于目前正在创造“轨道革命”的微小卫星，形成高分辨率低轨卫星星座，从而为未来军事行动提供广泛的侦察与监视、目标变化监测等战术支持。

天基超光谱成像技术正在从技术试验转向业务应用

天基超光谱成像技术是一种在数百到数千个“连续”的光谱谱段获取目标区域图像的卫星遥感技术。由于在接近连续谱段成像，超光谱成像可获取目标的光谱“指纹”，从而用于辨别目标物质成分或者识别伪装，可广泛应用于军事侦察、环境监测等领域。

国外在20世纪末开始探索超光谱成像技术的天基应用，美国、欧洲、日本已陆续实施多个在轨试验项目。与多光谱成像卫星通常仅采用几个目标特征谱段成像不同，超光谱成像卫星的成像谱段可达到数百到数千个。现有在轨试验卫星的成像谱段超过400个，主要覆盖可见光／近红外谱段，光谱分辨率已达到1～5nm（多光谱成像卫星的光谱分辨率通常大于100nm）。其中，美国的战术卫星-3（TacSat-3）已验证了天基超光谱成像技术的战术支持能力，响应时间为10～30min。目前，天基多光谱成像与超光谱成像比较技术正在从技术试验转向应用，美国、欧洲已开始规划和构建利用超光谱成像技术的商用、民用遥感卫星系统。美国率先提出在2018年构建全球首个商用超光谱成像卫星系统，可通过商业采购或其他形式满足目标侦察、伪装识别等军事应用的需求。

多光谱成像与超光谱成像比较

为实现数百上千的成像谱段，天基超光谱成像技术必须解决光谱分离问题。目前较先进的分光技术是利用外加射频使各向异性的晶体形成光栅，通过调节射频选择成像谱段。例如，在计算机控制下液晶可调滤波片具备400个成像谱段，且光谱分辨率达到5nm。

天基超光谱成像技术的连续光谱成像能力可获取目标的精细光谱特征，在军事上可广泛应用于作战环境探测、军事装备的侦察和伪装识别、战场上的武器（如核武器或生化武器）利用情况分析，以及确定海滩特征和水下危险物等，支持海军近海作战。结合高轨高分辨率侦察卫星、低轨侦察卫星星座，天基超光谱成像技术可大幅扩展基于卫星的战场态势感知能力，形成在空间、时间、光谱等不同维度的全面感知。

3 总结

国外卫星光学遥感器技术未来重点发展对战役战术行动的支持能力，不仅要求能够提供高分辨率卫星图像，并已着手改进重访时间和加强对图像的特征分析。通过发展上述卫星光学遥感器前沿技术，美国、欧洲等期望实现在全球范围的多维度、综合探测能力，加强对重点目标的定位和持续监视，强化对战场态势感知的“单向透明”能力，确保掌控战争进程。