空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法

邱民朴 马文坡

空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法

邱民朴1,2马文坡1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

高分辨率、大视场成像是空间光学遥感器发展的重要方向之一；针对红外成像系统的特点，文章提出了一种基于像方远心光路主光学系统与物方远心光路中继透镜组相结合，在主光学系统像面处通过反射镜分视场实现多探测器组件光学拼接的方法；在此基础上对影响成像系统可实现性的关键问题进行了分析，并给出了解决途径；最后针对大幅宽成像应用需求，给出了光学拼接实现推扫成像的实例。

红外探测器 推扫成像 光学拼接 反射镜调焦 空间遥感

0 引言

在国民经济建设和国防领域，高分辨率红外遥感图像发挥着非常重要的作用，其典型应用包括资源调查、生态环境监测、灾害评估等领域。星载或机载对地红外成像系统在获取地面目标图像方面具有快速、高效以及信息量大等诸多优点，成为各国关注的重点。

空间分辨率、辐射分辨率和成像幅宽是体现红外成像系统性能的三个核心技术指标。随着技术发展，采用长线阵红外探测器实现推扫成像方式是提高辐射分辨率、降低遥感器体积和质量的重要技术途径；应用于陆地资源探测、海洋和环境监测等领域的多种红外光学遥感器，在特定的空间分辨率下，为了实现大幅宽推扫成像，所需的线阵红外探测器在数千个像元规模，而目前常见的红外线阵器件模块一般为1024像元，需要多片拼接来满足成像幅宽需求。

对于可见光成像系统，国内外已有多篇相关文献描述了通过光学拼接实现长线阵推扫成像的方法和途径[1-7]，但对于红外成像系统而言，由于受探测器—杜瓦—制冷机一体式结构限定、光学系统后截距较短等约束条件，使得通过光学拼接方法扩大红外探测器规模的难度大幅增加。

本文针对红外光学系统以及探测器—杜瓦组件的特点，以规模为1024个像元的线阵红外探测器组件为例，提出了一种像方远心光路的主光学系统配合物方远心中继透镜组实现多片线阵红外探测器组件光学拼接的方案；成像系统像质优良且冷屏效率可达100%；在无需对现有的探测器—杜瓦—制冷机组件进行任何改动的情况下，即可实现扩大成像系统幅宽的目的。

1 光学拼接技术简介

1.1 可见光焦面光学拼接

光学拼接是利用光学方法，将成像光学系统的视场分割到不同的空间位置，用多块焦面接收；再通过图像处理的方法把多块焦面获取的图像进行拼接，从而等效为连续、完整的长线阵成像，实现扩大成像系统幅宽的目的。

从实际应用角度来讲，为了达到较好的成像品质、减少后期图像处理难度，要求光学拼接实现长线阵探测器的方法具有视场无缝、无渐晕，几何关系固定而且结构形式简单、可靠等特点[8-14]。

图1为法国PLEIADES卫星HR相机采用的光学拼接方案示意[5]，首先利用折转反射镜把主焦面分为全色和多光谱两部分，然后分别通过分割反射镜把线视场分为5段，从而把5片6 000（多光谱1 500）像元线阵焦面拼接为30 000（多光谱7500）像元的长线阵焦面组件。

图1 法国PLEIADES卫星HR相机焦面光学拼接方案示意

1.2 红外光学系统的特点

红外成像系统，特别是红外光学系统及红外探测器组件与可见光成像系统的不同点主要体现在以下两个方面[15-17]。

（1）冷屏与杜瓦限制

出于抑制背景杂散辐射以及探测器制冷等方面的需要，红外探测器一般是以焦平面—杜瓦—制冷机组件（IDDC）的形式应用于红外成像系统。

红外焦平面、杜瓦、冷屏之间的几何关系如图2所示：焦平面封装于杜瓦里面，且杜瓦的体积远大于红外焦面的尺寸；冷屏的开口以及到焦平面的距离决定了成像光束的最大锥角；冷屏与焦平面平行且与各自中心的连线垂直，决定了探测器组件的中心轴必须与光学系统光轴重合，即探测器组件的位置既不能平移也不能倾斜，否则将引起光学离焦和渐晕。

冷屏与杜瓦对光学系统出瞳的几何约束是造成红外探测器组件光学拼接困难的最直接因素。

图2 探测器–杜瓦组件结构示意

（2）光学系统后截距影响

受衍射效应的影响，为了提高空间分辨率和辐射分辨率，红外成像系统的数较小，一般在1~4之间，使得成像光束的锥角增大，光学系统后截距一般小于可见光系统。

而通常情况下，光学系统的数越大，后截距越长，越有利于探测器的拼接。

2 红外探测器光学拼接原理

2.1 拼接原理

基于前文所介绍的红外光学系统及探测器组件特点，本文提出了一种光学拼接实现长线阵红外探测器推扫成像的方法：整个光学系统采用二次成像结构形式，由一个像方远心的主光学系统和多个（本文以3个为例）完全相同的物方远心中继透镜组组合而成；首先利用平面反射镜把主光学系统的线视场分为3段，左右两边分别向上/向下反射，中间部分直接透过，然后分别直接进入相应的中继透镜组成像；在主光学系统与中继透镜组之间，光学系统各个视场的主光线都与光轴平行，因此对于3路中继透镜组而言，相应的入射光束具有旋转对称性；通过合理分配主光学系统与中继透镜组之间的参数，可以使组合系统焦距满足要求，并且3个中继成像透镜组的出瞳与探测器组件冷屏完全匹配。

图3为3个红外探测器组件光学拼接实现长线阵的光学系统示意，其中图3（a）为探测器光学拼接系统的俯视图，图3（b）为拼接系统的侧视图。

（a）俯视图（a）Vertical view（b）侧视图（b）End view

2.2 二次成像光学系统的参数分配

图4为一个典型的二次成像系统光路，由主光学系统和中继光学系统两部分组成；探测器组件的冷屏位于像面前一定距离，中继光学系统的作用在于：把主光学系统所成的一次像成像到探测器组件的焦平面处，并把主光学系统的出瞳成像到探测器组件的冷屏处，最终通过二次成像使得光学系统的焦距满足要求，并且实现出瞳与探测器组件的冷屏完全匹配。

图4 二次成像系统组成

组合光学系统的后截距f表示为

主光学系统的出瞳与组合光学系统的出瞳′之间的关系可以表示为

实际上因为本文所提出的光学拼接方法的特殊要求，在具体设计过程只要主光学系统为像方远心光路，组合光学系统的孔径光阑设在中继光学系统的像方焦点处，则式（3）自动成立。

3 探测器拼接光学系统调焦方法

对于空间光学遥感系统，发射时的振动、冲击以及在轨工作时的气压、温度等环境因素，均会引起相机焦面偏离理想的成像面，因此在轨运行期间一般需要进行焦面调整，以保证良好的成像品质。

鉴于非远心光路在反射镜移动过程中，不同视场的主光线与探测器冷屏的夹角会发生改变，不能实现调焦功能，故本文提出了像方远心主光学系统配合物方远心中继透镜组实现长线阵推扫成像的系统方案。由于远心光路的主光线与光轴平行，可在拼接光路前面增加一块平面反射镜，通过调整反射镜在光轴方向的位置，即可实现焦面位置的调整。

远心光路反射镜调焦的原理如图5所示，平面反射镜位于主光学系统与中继光学系统之间的远心光路中间，即各视场的主光线均与光轴平行，此时沿光轴方向调节反射镜的位置，即可前后调整光学焦面的位置，而各视场的主光线与探测器组件的方向不变，所以能保证相应视场的光线进入探测器杜瓦。

图5 反射镜调焦方案示意

4 探测器光学拼接实例

根据前文光学拼接实现长线阵红外探测器推扫成像的方法，结合2.2节光学系统参数分配方法以及可能的空间红外成像系统应用需求，本节给出具体的实现结果。

4.1 光学系统设计结果

针对如表1所列的空间应用需求，采用离轴三反的主光学系统（孔径光阑设置在次镜上），形成像方远心光路，与物方远心的透射式中继成像系统组合，实现红外线阵器件的光学拼接。

表1 空间红外成像系统主要参数

Tab.1 Requirements of space infrared imaging system

以3路探测器组件光学拼接为例，图6给出了满足表1指标要求的光学系统拼接光路，分别由一个像方远心离轴三反主光学系统（视场角3.6°）、主光学焦面处的视场分割反射镜组件以及3路物方远心光路中继透镜组（视场角1.2°）组成；视场分割反射镜把通过3路中继透镜组的光线分别反射到不同方向。

图6 红外探测器光学拼接系统光路

图7为探测器拼接光学系统的MTF曲线，从图中可以看出，设计的MTF值达到了光学衍射极限，而且各视场的像质一致性较好。

图7 红外探测器光学拼接系统光学MTF曲线

图8为通过光学拼接实现长线阵红外推扫成像的光学系统调焦光路，从图中可以看出，通过采用上述光学拼接方法，3个中继透镜组之间有较大的空间、互不干涉，可以较好的实现3个拼接光路以及调焦反射镜之间空间布局。

图8 红外探测器光学拼接成像系统反射镜调焦光路

综上所述，采用像方远心光路的离轴三反主光学系统与物方远心的中继透镜组配合，通过在主光学焦面处合理分割主成像视场，可以实现多个红外探测器组件拼接，能够较好的满足长线阵推扫成像的应用需求。

参加光学拼接的3路中继透镜组的参数完全一致，所以简化了系统的设计难度；而且由于中继透镜组的直径较小，使得拼接系统的布局较为紧凑，可实现性高。

4.2 公差分析

对于光学拼接实现长线阵的光学系统方案，中继透镜组本身的公差及多路中继透镜组之间的一致性是影响工程可行性的关键因素。

以中继透镜组1为例，表2给出了平移、倾斜等误差对光学系统焦距、离焦量以及光学系统MTF的影响分析结果。

通过分析可以看出，中继透镜组整体沿着、、轴向的平移、绕、轴的倾斜等误差对光学系统成像性能（MTF）以及3个拼接光路之间的不一致性（焦距）影响很小，通过焦面位置调整基本可以补偿，说明这种光学拼接实现长线阵红外探测器推扫成像的方法合理可行。

表2 红外探测器光学拼接方案中继透镜组公差分析

Tab.2 Tolerance of relay lens for optical butting system

5 结束语

通过分析红外成像光学系统以及探测器组件的特点，基于目前可获得的红外线阵探测器规模，本文针对性的提出一种光学方法实现长线阵红外探测器组件的拼接，可实现较大视场的推扫成像。

经公差分析，红外线阵探测器组件光学拼接技术对中继透镜组的位置误差不敏感；无需对现有的红外探测器组件进行任何修改便可实现，本方法既能满足多种应用对长线阵红外探测器组件的迫切需求，也能用于扩展成像系统的视场和红外探测器组件的备份（不需要切换机构等活动部件），或者通过两个探测器组件并排错开0.5个像元间隔放置实现穿轨方向的过采样成像等多种应用。

References)

[1] 李延春, 董吉洪, 陈立恒, 等. 紧凑型多光谱空间光学遥感器焦平面的设计与拼接[J]. 光机电信息, 2010, 27(8): 47-52. LI Yanchun, DONG Jihong, CHEN Liheng, et al. Design and Assembly for a Multispectral Compact Focal Plane of Space Optical Remote Sensor[J]. OME Information, 2010, 27(8): 47-52. (in Chinese)

[2] 徐彭梅, 杨桦, 伏瑞敏, 等. CBERS-1卫星CCD相机的光学拼接、配准和定焦[J]. 航天返回与遥感, 2001, 22(3): 12-15. XU Pengmei, YANG Hua, FU Ruimin, et al. Optical Butting, Registration and Focus-fixing of CCD Camera for CBERS-1 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2001, 22(3): 12-15. (in Chinese)

[3] 李朝辉, 王肇勤, 武克用. 空间相机CCD焦平面的光学拼接[J]. 光学精密工程, 2000, 8(3): 213-216. LI Zhaohui, WANG Zhaoqin, WU Keyong. Optical Butting of CCD Focal Plane for Space Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2000, 8(3): 213-216. (in Chinese)

[4] 任建岳, 孙斌, 张星祥, 等 TDICCD交错拼接的精度检测[J]. 光学精密工程, 2008, 16(10): 1852-1857. REN Jianyue, SUN Bin, ZHANG Xingxiang, et al. Precision Measurement of TDICCD Interleaving Assembly[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(10): 1852-1857. (in Chinese)

[5] 吕恒毅, 刘杨, 郭永飞. 遥感相机焦面CCD机械拼接中重叠像元数的确定[J]. 光学精密工程, 2012, 20(5): 1041-1047. LV Hengyi, LIU Yang, GUO Yongfei. Computation of Overlapping Pixels of Mechanical Assembly CCD Focal Planes in Remote Sensing Cameras[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(5): 1041-1047. (in Chinese)

[6] 郭疆, 龚大鹏, 朱磊, 等. 测绘相机焦平面CCD交错拼接中重叠像元数计算[J]. 光学精密工程, 2013, 21(5): 1251-1256. GUO Jiang, GONG Dapeng, ZHU Lei, et al. Calculation of Overlapping Pixels in Interleaving Assembly of CCD Focal Plane of Mapping Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(5): 1251-1256. (in Chinese)

[7] 肖占全, 翟林培, 丁亚林, 等. 光学拼接误差对TDI-CCD相机的影响[J]. 半导体光电, 2008, 29(5): 795-798. XIAO Zhanquan, ZHAI Linpei, DING Yalin, et al. Research of Optical Assembly Errors Effects on TDI-CCD Camera[J].Semiconductor Optoelectronics, 2008, 29(5): 795-798. (in Chinese)

[8] 李丙玉, 王晓东, 李哲. 在轨完成CCD非均匀性校正的方法[J]. 液晶与显示, 2011, 26(2): 255-259. LI Bingyu, WANG Xiaodong, LI Zhe. Method of CCD Non-uniformity Correcting in Orbit[J]. Liquid Crystals and Displays, 2011, 26(2): 255-259. (in Chinese)

[9] 童子磊. CCD相机的像移补偿技术[J]. 激光与红外, 2005, 35(9): 628-632. TONG Zilei. Compensation Technology for the Image Motion of CCD Camera[J]. Laser & Infrared, 2005, 35(9): 628-632. (in Chinese)

[10] 闫得杰, 徐抒岩, 韩诚山. 飞行器姿态对空间相机像移补偿的影响[J]. 光学精密工程, 2008, 16(11): 2199-2203. YAN Dejie, XU Shuyan, HAN Chengshan. Effect of Aerocraft Attitude on Image Motion Compensation of Space Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(11): 2199-2203. (in Chinese)

[11] 樊超, 李英才, 易红伟. 偏流角对TDICCD相机像质的影响分析[J]. 光电工程, 2007, 34(9): 70-73. FAN Chao, LI Yingcai, YI Hongwei. Influence Analysis of Drift Angle on Image Quality of TDICCD Camera[J]. Opto-electronic Engineering, 2007, 34(9): 70-73. (in Chinese)

[12] ROGALSKI A. Progress in Focal Plane Array Technologies[J]. Progress in Quantum Electronics, 2012, 36(2): 342-473.

[13] 朱鼎勋, 陈绍菱. 空间解析几何学[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 1984. ZHU Dingxun, CHEN Shaoling. Analytic Geometry of Space[M]. Beijing: Beijing Normal University Publishing House, 1984. (in Chinese)

[14] 耿文豹, 翟林培, 丁亚林. 振动对光学成像系统传递函数影响的分析[J]. 光学精密工程, 2009, 17(2): 314-320. GENG Wenbao, ZHAI Linpei, DING Yalin. Analysis of Influence of Vibration on Transfer Function in Optics Imaging System[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(2): 314-320. (in Chinese)

[15] SMITH W J. Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems[M]. 3rd ed. New York: McGraw-Hill., 2000:45-49.

[16] SULTANA J A, O’NEILL M B. Design, Analysis and Testing of a CCD Array Mounting Structure[C]//Proceedings of SPIE Vol. 1532, Analysis of Optical Structures. San Diego, California, USA: SPIE, 1991.

[17] JORDEN P R, MORRIS D G, POOL P J. Technology of Large Focal Planes of CCDs[C]//Proceedings of SPIE Vol. 5167, Focal Plane Arrays for Space Telescopes. San Diego, California, USA: SPIE, 2004.

[18] 张以谟. 应用光学[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008: 8. ZHANG Yimo. Applied Optics[M]. Beijing: Electronic Industry Publishing House, 2008: 8. (in Chinese)

[19] LE GOFF R, PRANYIES P, TOUBHANS I. Focal Plane AIT Sequence: Evolution from HRG-SPOT5 to PLEIADES-HR[C]//Proceedings of ESA/CNES ICSO 2006. Noordwijk, The Netherlands: ESTEC, 2006.

[20] DOUGLASS J W, MOORE R L. Demonstration of an Opticallly-butted Infrared Sensor[C]//Proceedings of SPIE Vol. 1059, The International Society for Optical Engineering. [S.l.]: SPIE, 1989: 180-187.

[21] BERNIER J, PLAINCHAMP P, BARDON D. Infrared Pushbroom Camera Breadboard Using Off-the-shelf 2D Array of Detector[C]//Proceedings of SPIE Vol. 2209, The International Society for Optical Engineering. [S.l.]: SPIE, 1994: 262-274.

Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems

QIU Minpu1,2MA Wenpo1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

High resolution and large FOV represent the developing trends of space optical imaging systems, Considering the characters of infrared optical systems, a new optical butting concept with low cost and technical risk is presented in this paper, which offers the promise of butting smaller arrays into long linear detector assemblies. The design method of optical butting is described, and a hypothetical system is demonstrated as well.

infrared detector; pushbroom imaging systems; optical butting; refocusing; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2019)06-0051-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.007

邱民朴，男，1979年生，2012年获中国空间技术研究院飞行器设计专业博士学位，研究员。研究方向为空间光学遥感成像技术。E-mail：qiumpu@163.com。

2019-05-08

国家重大科技专项工程

邱民朴, 马文坡. 空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法[J]. 航天返回与遥感, 2019, 40(6): 51-58.

QIU Minpu, MA Wenpo. Optical Butting of Linear Infrared Detector Array for Space Pushbroom Imaging Systems[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 51-58. (in Chinese)

（编辑：夏淑密）