空间光学遥感器技术发展成就与展望

2018-12-09王小勇北京空间机电研究所

国际太空 2018年1期

王小勇（北京空间机电研究所）

1 引言

我国空间光学遥感器研制始于1967年11月，迄今已走过50年光辉历程。经过长期的艰苦奋斗、自主创新，我国空间光学遥感器技术取得了一系列重大突破，建立了完整一流的空间光学遥感器的设计、制造、检测和试验体系，进入了一种新的发展业态。中国空间技术研究院作为我国空间光学遥感事业的主力军，主持并参与了多项遥感相关的国家重大科技攻关专项及项目，极大推进了遥感理论、技术及应用等方面的进步。

通过50年的建设与发展，可见多光谱探测技术、红外探测技术、光谱探测技术等取得了长足的进步，已形成了以陆地观测卫星、环境和灾害监控及预测小型卫星、海洋卫星、气象卫星以及高分辨率地球观测卫星等为系列的卫星系统，研制出系列化的空间光学遥感器产品，产品广泛应用于国防事业和国民经济建设相关领域，不断满足国家安全和人民生活等多方面需求，也为人类探索宇宙空间奥秘、更好地保护地球家园做出了重要贡献。

2 光学遥感发展历程

迄今为止我国研制发射成功了多品类的空间光学遥感器产品。从胶片型相机发展到遍布高、低轨道的各类传输型相机，从对地球观测的相机发展到对深空探测的相机，不断填补空白取得重要突破。

自1967年起步，20年间我们发展了两代胶片型对地观测相机和测绘相机。这些相机系统包括地相机和星相机。地相机拍摄地表目标，把信息记录在胶片上；星相机在地相机拍摄同时，对恒星成像，记录卫星摄影时姿态并确定所摄地面目标位置。相机的摄影胶片经暗道卷绕到回收片盒，随返回舱一起返回地面，后续经冲洗等处理后供用户使用。该型产品实现了2m分辨率的对地观测和1:100000比例尺地图测绘。

1999年，中巴资源-1卫星两台相机在轨应用，实现了从胶片型相机到传输型相机的跨越，以及从可见光相机向红外相机的拓展。卫星遥感系统覆盖了l1个谱段，4种分辨率，CCD相机通过侧摆镜可实现3天对重点地物重复观测，解决了多谱段、高分辨率和短观测周期的难题。2002年，海洋-1海岸带成像仪成功发射，实现从陆地观测到海洋观测的拓展。海洋一号海岸带成像仪采用了短焦距大视场光学系统，像元尺寸13μm×13μm的CCD探测器，达到了地面像元分辨率250m，幅宽500km。为满足多相机组合成像的需求，采用了齐焦技术、多视轴平行技术和像高测量技术，实现了高精度多相机全视场配准，配准精度优于2μm。

立体测绘相机因其内方位元素、稳定性、时间同步性的精度指标要求高，一直是众多遥感相机中的翘楚。2012年发射的资源-3三线阵相机是我国自主设计和发射的第一颗民用高分辨率立体测绘相机系统，其可提供幅宽大于51km、分辨率2.1m的全色影像和分辨率5.8m多光谱影像，主要用于1:50000基础地理信息产品的生产，1:25000以及更大比例尺地形图的修测和更新。高像质高稳定性镜头技术、高精度时标技术的应用等大幅提升了相机的稳定性和定位精度；为进一步提高摄影测量精度，资源-3的02星配置了国内首台自主研发的星载对地激光测距载荷，突破了国产激光测距检校与数据处理核心技术等，其测距精度优于1m，与三线阵立体测绘相机结合工作，显著提升了区域影像的高程精度。

“高分”专项立项极大地推动了空间光学遥感器技术飞速发展，实现了相机的空间分辨率、光谱分辨率提高及成像稳定性稳步提升。

高分-1卫星是我国重大科技专项高分辨率对地观测系统的首发星，星上配置了2台高分辨率相机和4台宽幅相机，实现了在小卫星上中高分辨率（2m/8m）和宽幅（带宽：830km）成像能力的结合。高分-2相机是我国首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感相机，观测幅宽达到45km。高分-1和高分-2协同工作，广泛应用于经济、科技和国防建设的各个领域。

2017年4月17日，高景-2卫星正式投入商业化服务，为全球用户提供遥感数据服务和应用系统解决方案服务。高景-1卫星的发射，标志着我国的商业遥感已进入0.5m分辨率时代；相机是目前国内F数最大的航天光学遥感相机，焦距达到10m，分辨率优于全色0.5m/多光谱2m，具有高敏捷特性，实现了高覆盖、多目标、多模式、快应用等能力。

高性能的光学遥感相机应用于静轨，提升我国的大范围监测和快速重访的能力势在必行。2015年，高分-4静止轨道相机的发射，这是目前国际上唯一在轨运行的静止轨道高分辨率光学遥感相机，实现了连续无间隔的对地观测；可以获取星下点可见光近红外谱段（全色及多光谱）50m中波红外谱段400m地面像元分辨率图像。相机数据在减灾、气象、地震、林业等多领域得到应用，高轨高分辨率相机相关的高精度热控技术、成像稳定控制等关键技术得到了突破和验证。

高几何分辨率成像技术发展的同时，遥感探测的谱段也不断细分，定量化探测水平逐步提升。不但可以获取目标的二维空间信息，还可以得到包含随波长分布的光谱辐射信息，形成“数据立方体”。多年来光谱仪相关的精密分光技术、大动态范围高灵敏度探测技术、大口径高效率傅里叶变换干涉仪技术、高精度辐射与光谱定标技术陆续突破，滤波器式光谱仪、色散式光谱仪和干涉式光谱仪均研制成功，主要用于农、林、水色、大气探测等领域。2017年，我国发射了极轨气象卫星风云-3，搭载了首台专门针对温室气体的遥感载荷—高光谱温室气体监测仪，主要具备温室气体CO2、CH4以及CO等气体柱总量的能力，光谱分辨率达到0.27cm-1。用于全球温室气体排放、温室气体源和汇分析、温室气体与气候变化关系等一系列科学问题研究。

伴随着人们对环境、自然灾害等生态问题的重视，我们也在不断拓展光学遥感器在该领域的应用。2016年，风云- 4闪电成像仪成功在轨运行，闪电成像仪是用于闪电探测的高速实时近红外相机，通过采用超窄带波段成像（中心波长777.4nm，带宽1.0nm），空间滤波、帧-帧背景去除（500帧/s高速成像）组合来实现瞬态多点源目标闪电信号的增强与探测。

多年来，为实现高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率、高定位精度的探测追求，空间光学遥感器的系统设计、光学设计与制造、电子信息获取、精密热控、机构与控制等关键技术得到突破，支撑了高分辨率观测、民用测绘、气象观测等一大批先进光学载荷的研制与研发，为高分专项、空间基础设施等国家重大工程建设奠定了坚实的基础。

3 光学载荷技术的发展成就

天地一体化协同设计能力不断提升，系统性能更优

随着目标背景特性研究的深入，载荷设计更注重实际应用，相机系统设计不再单纯的满足技术指标，而是从应用出发，进行天地一体化任务分析和设计，开展全链路的仿真与成像评估，结合应用场景，综合优化工作模式及载荷指标。

近年来，通过技术攻关，不断地完善了全链路仿真链路，建立了较为完整的光学卫星系统成像链路仿真模型。全链路仿真的发展分为了几个阶段：

1) 第一阶段，是从单机产品到相机系统设计的发展，定义了遥感器光学系统模型、探测器模型、电路模型组成，对信号、噪声的影响因素进行了系统级建模，本阶段主要应用于相机系统各组成部分的优化匹配，促进了大F数系统设计等技术的发展；

2) 第二阶段，是从系统设计到研制开发的发展，站在系统工程的角度，开发了遥感器光机热集成分析平台，对仿真数据源进行了拓展，包括材料、制造工艺误差、计量和检验、组装和集成、定标和试验等工程节点。使协同设计与分析具备了与工程数据相关的质量评价能力；

3) 第三阶段，是从相机系统拓展到全系统的在轨成像预估，建立了天地一体化设计验证仿真平台，完善了图像质量参量表征和量化评价方法，覆盖目标、地面场景、光学遥感器、卫星平台、数据传输和地面处理等环节，系统MTF模型精度达到80%，信号模型精度达到82%以上，通过仿真预估，具备对在轨成像质量进行预估，对在轨成像参数的调整提供参照的能力。

4) 第四阶段，正在建立系统优化函数，在系统中融入优化算法，对参数的置信度，对光学成像链路中影响要素的灵敏度进行分析及评价，进一步研究多目标多变量的成像质量增强模型及其参数的辨识方法，能够应用于多源数据获取体系的效能仿真。

空间光学遥感全链路仿真技术是开展光学遥感卫星系统概念设计、方案论证、系统优化和效能评估的基础，已成功应用于高景-1等项目。天地一体化协同设计能力不断提升，对于优化成像系统性能，预估系统成像质量，降低系统的研制难度意义重大，将促进我国光学遥感卫星研制能力不断跨越。

成像稳定性不断提升，目标定位更加准确

在空间分辨率、几何定位精度和影像辐射品质等方面，我国高分辨率卫星及载荷产品实现了跨越式发展，围绕在轨稳定性的要求，高稳定镜头技术、高稳定一体化支架技术、高精度时标技术、高精度几何标定技术、高精度星相机技术、大气校正技术和长寿命高可靠激光测距技术等技术不断突破。

遥感器成像稳定性的提升主要从几个方面取得了突破。

首先是相机内方位元素的稳定性提升，零畸变光学系统的设计，高湿热稳定性结构等技术的采用，保证了相机高像质、零畸变及内方位元素高度稳定性，可实现相机在轨半年内方位元素稳定性优于0.3像元。

其次，面向高精度立体测绘精度提升的需求，激光技术辅助提升了成像精度，同时一体化设计以及在轨光学质量测量与监视技术得到应用。高精度激光指向定位技术的应用使指向定位精度秒级。激光测距仪测高数据显著提升了区域影像的高程精度。

此外，随着大口径光学技术的发展需求，以及侦测一体化产品的发展，指向关联测量系统应用于高分成像系统，采用高精度的载荷指向角度测量技术，指向关联精度由5″~10″提高至0.5″，显著提高无控几何定位精度。

光谱分辨率不断提高，定量化探测水平逐步提升

目前探测谱段不断细分，光谱分辨率不断提高，定量化探测水平逐步提升。拟搭载在“高分五号”上的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪，采用了傅里叶变换时间调制干涉仪技术，其光谱分辨率达到0.03cm-1,达到国际先进水平；在关键技术方面，突破了大尺寸浸没式光栅技术，达到国际领先水平；高精度地面、星上辐射及光谱定标技术的应用，使长期在轨定标精度可见近红外2%，紫外3%（绝对定标精度），达到国际先进水平。

我们已经形成光栅光谱仪和傅里叶变换光谱仪两大系列产品，应用于全球大气温室气体测量中，为国家绿色可持续发展贡献力量。

光学系统研制能力不断提升

近年来，空间光学系统的设计及研制能力得到了跨越式发展，高空间分辨率、大幅宽的需求也促进了先进光学设计理论和方法的创新发展。空间光学系统从透射式、折反式到非球面全反射系统、再到自由曲面反射系统不断发展进步，遥感器体积是原来的1/2。系统的压缩比及视场不断增大，畸变控制能力不断增强，零畸变系统得以实现。

在光学加工方面，光学加工技术从初始采用手工抛光的“传统光加技术”发展到采用智能研抛设备的“确定性光加技术”。在不断的工艺摸索及型号产品应用基础上，掌握了高精度的超声轻量化加工等技术，非球面反射镜轻量化率优于80%。智能数控研抛技术使工艺参数高度集成化，达到定量性去除，研抛时间缩短30%以上；离子束抛光技术实现了对光学元件非接触、确定性、纳米级可控去除，加工精度可达到RMS ≤λ /100。

在装调测试方面，光学装调技术与遥感器的发展需求是紧密结合在一起的。在早期的光学遥感器中，受加工能力与检测技术能力的限制，为满足光学成像的要求，在光学装调中均采用“预留公差型”装调技术。随着计算机技术的发展，学装调技术已经从早期的“预留公差型”向“误差补偿型”发展。随着仿真精度的提高．全过程像质预估技术在反射式、折射式光学系统装调过程广泛使用。并且逐渐成为光学系统装调过程问题诊断及解决的有效方法。随着装调和检测的智能化程度逐步提升，1m量级光学系统的装调因子达到0.9。

成像电子学集成化程度不断提高，趋于智能化

高性能高可靠的光学遥感器离不开强有力的电子信息设备的支撑，电子信息产品经历了从无到有、稳步发展和量质齐增三个阶段。近年来，我国在CCD、互补金属氧化物半导体(CMOS) 探测器方面发展迅速。大面阵CMOS器件，长线列的时间延迟积分互补金属氧化物半导体（TDICMOS）器件日趋成熟。针对探测器的时序驱动、高速视频信号的低噪声处理、微小信号的探测、星上实时图像的相对辐射校正和压缩、智能管理的控制及其电子信息设备的低功耗、轻量化等难点有了突破性地解决方案并已付诸应用。单板数据动态存储能力从2Gbit提升到4Gbit，输出码速率从10～400Mbit/s提升到了10.3～15.8Gbit/s，遥感器电路的信号处理能力有了质的飞跃。

总的来说，10余年间光学遥感器电子信息技术发生了巨大的变化，从单一的数据管理技术，到高速高集成信息处理技术，从庞大的电路结构，到微封装技术、多芯片组件（MCM）和专用集成电路（ASIC）设计理念，从简单的功能实现，到性能指标的优良，电子信息产品慢慢地由“大、慢、少”逐渐升级为“快、小、多”。此外，基于高性能CPU、嵌入式操作系统、高速数据存储器以及高性能现场可编程门阵列（FPGA）的综合应用，以及系统架构设计、处理器设计、硬件构件设计、软件架构及并行映射实现在轨处理架构的综合优化设计，满足了多种载荷和在轨处理的应用需求。

4 光学遥感体制及技术发展趋势

（1）一体化综合探测技术

随着相机多通道技术、全谱段模块化光谱成像技术、图谱构时地表光谱数据应用技术等技术的发展，星载多功能一体化综合探测技术得到了进步。多功能一体化综合探测技术的发展方向主要体现在两个层面，首先“一型多用”，即面向目标高精度检测的跨谱段探测、多角度高光谱偏振多维信息一体化探测等。其次是“一型多能”，即测通一体化、测侦通一体化等。

卫星采用一体化设计载荷、卫星集群获取目标的多维信息，以较低的代价或成本，实现多种功能，是满足未来“跨域协同”作战各类各级用户信息服务与信息保障多种任务需求的必然要求。

（2）满足国家战略需求，发展超大口径遥感器在轨组装技术

为了满足高分辨率观测需求，我国对未来大型空间光学设施建造的需求主要面向超大口径光学遥感器，其光学系统主镜口径达到10m量级。同时，超大口径遥感器建造可以满足远距离暗弱目标探测以及天文观测等科学研究领域的大型规模需求。作为战略性轨道资源，加快建设大型遥感器建造是我国遥感器技术发展的重要任务方向。

（3）微纳、智能化载荷技术

具有感知、处理、控制、通信等功能的智能化集成微纳系统不断发展，建设遥感器智能设计系统，发展具备精确感知状态信息能力、成像参数自主可调的智能遥感器成为趋势。“微纳云”在轨服务模式正在积极论证，我国的微纳载荷及卫星的创新模式也在积极探索。

（4）遥感大数据挖掘及应用

随着遥感技术的不断进步，遥感数据的数据量越来越大，种类越来越多，分布越来越分散，遥感应用的复杂程度和个性化程度也不断提高，遥感正在走向大数据时代。人工智能技术逐步应用于遥感领域，为打破数据与信息的瓶颈提供了可行技术手段，是未来遥感大数据应用的重要方向。

综上，遥感在军民融合、商业服务等新兴应用领域有巨大应用潜力，同时，新兴市场对遥感也提出了新的挑战。光学遥感产业迫切需要创新，包括创新平台、创新载荷以及创新应用；需要探索新型研制模式，建设开放的平台，在前沿技术领域广泛合作，为市场提供更优质的遥感技术服务。