面向21世纪的航天光学有效载荷的发展动态

面向21世纪的航天光学有效载荷的发展动态22023/1/13报告内容一、航天光学有效载荷概念二、国内外发展概况三、发展动态32023/1/13一、航天光学有效载荷概念42023/1/13航天光学有效载荷概念卫星有效载荷卫星平台结构与机构热控制电源姿态与轨道控制卫星测控有效载荷是卫星中直接执行特定任务的分系统，是卫星的核心部分，是决定卫星性能水平的主要分系统。光学有效载荷是利用光学谱段获取目标信息的航天有效载荷，又称为光学遥感器，航天相机。光学有效载荷是集光学、精密机械、电子、热控和航天技术等多学科为一体的综合性高科技产品。在信息技术中属于上游的源头技术。52023/1/13航天光学有效载荷1958年前苏联发射第一颗卫星后，美苏开始研究把光学有效载荷装在卫星上，实现对地侦查。

1960年至今，针对军事、陆地资源、气象、海洋、天文等不同的观测目标，发展了军事侦察卫星、测绘卫星、导弹预警卫星，资源卫星，气象卫星，海洋卫星，天文卫星等各种卫星，研制了针对各自目标的光学有效载荷。62023/1/13航天光学有效载荷分类航天光学有效载荷天文卫星军事卫星资源卫星气象卫星海洋卫星空间望远镜侦察相机测绘相机多光谱CCD相机多光谱光机扫描仪多通道扫描成像仪扫描成像大气探测仪CCD成像仪海洋水色仪超光谱成像光谱仪导弹预警相机对天观测对地观测深空探测月球探测有效载荷火星探测有效载荷72023/1/13二、国内外发展概况

——国外现状82023/1/13侦察相机航天光学有效载荷起源于军事应用。侦察相机的研制水平代表了航天光学有效载荷的最高水平。1960年美国KH-1普查型照相侦察卫星发射成功，标志着这一技术在军事领域应用的开始，开创了航天遥感事业。目前美国的水平最高，其次是俄罗斯，法国、以色列、印度等国家。国家卫星分辨率美国KH-120.1m俄罗斯阿尔康优于0.5m法国太阳神0.5m以色列EROSA1.8m

92023/1/13侦察相机美国至今已研制6代，前四代为胶片型相机，后两代为为CCD传输型相机(KH-11,KH-12)可分为三个发展阶段1、前三代相机以提高空间分辨率为主要目标;2、第四代开始以提高单星的综合侦察能力为主，实现普查和详查的有机结合;3、从60年代至今已经形成了可见光和微波成像侦察的结合体系。KH－4胶片型侦察卫星相机示意图102023/1/13侦察相机美国最先进的侦察卫星KH-12，1992年首发成功。光学系统采用全反式R-C系统。主镜口径约达3m,焦距约27m采用自适应光学技术，分辨率达到0.1m，增加了红外侦察能力幅宽3-5km卫星与有效载荷一体化设计KH－12光学系统112023/1/13侦察相机1999年发射的8X侦察卫星为KH－12的改进型，解决前者幅宽小、较差大气及夜间不能观测的缺点由CCD光学相机和SAR相结合，SAR扩大幅宽，增为前者的8倍估计口径更大，达4m8X卫星122023/1/13导弹预警红外相机导弹预警卫星是冷战的产物，后来成为保卫国家不受导弹袭击的重要预警手段。1989年美国第三代国防支援计划(DSP)可探测洲际导弹和潜射弹道导弹的发射，提供预警，作出相应反应，目前在轨5颗组成星座。采用扫描型相机和凝视型相机，全反射R-C光学系统，谱段分别为中心波长2.7um，4.3um的红外谱段和紫外谱段。红外相机分辨率分别为1km和300m，40－50s确定导弹发射和飞行方向。DSP导弹预警卫星132023/1/13资源相机

第一代(1972年—1986年)：最初应用

1972年美国Landsat-1卫星发射成功标志着空间对地遥感时代的开始，它首次能持续的提供一定分辨率的地球影像，使利用卫星进行地球资源调查成为可能。其主要载荷为多光谱扫描仪MSS（分辨率80m）和光导摄像管RBV（分辨率100m）。第二代(1986年—1999年)：应用广泛，技术发展1986年法国SPOT-1卫星发射成功，标志着对地观测进入了新的历史时期，星上载有两套高分辨率可见光传感器(HRV)，首次采用线阵CCD传感器，推扫式成像，全色地面分辨率达10m，是第一个具有立体成像能力的卫星。Landsat拍摄的巴西森林砍伐情况142023/1/13资源相机

第三代（1999年至今）：新一代高分辨率卫星

1994年美国允许私人公司研制商用1m分辨率高分辨率卫星，促进了高分辨率遥感相机的产业化和商业化。1999年IKONOS-2卫星的发射成功，标志着民用对地观测卫星进入高分辨率成像阶段。第三代特点国家卫星全色分辨率地面幅宽美国Ikonos-10.82m11km美国Quickbird0.61m27km法国SPOT-55/2.5m美国LANDSAT－715/30m空间分辨率:全色0.6－3m，多光谱4m，超光谱8m幅宽：4－40km光谱分辨率：0.4-2.5um(200通道10nm谱分辨率)重访时间：小于3天数据传输：实时到地面站拥有者：多个国家152023/1/13高分辨率商业遥感相机Ikonos1999年发射，重720kg，太阳同步轨道（680km）采用了最先进的TDICCD，相机重171kg最高0.82m分辨率全色图像光学系统采用三反同轴消像散系统主镜0.7m，焦距10米，f/14.3视场角0.92°IKONOSOpticalPathforComparison162023/1/13Ikonos—天安门广场172023/1/13高分辨率遥感相机Quickbird2001年发射，重931kg，太阳同步轨道，高度450kmTDICCD相机0.61m分辨率全色图像光学系统采用三反离轴多光谱消像散系统视场角2.1°，幅宽16.5Km182023/1/13Quickbird—天安门广场192023/1/13气象卫星光学有效载荷1960年美国发射第一颗实验型太阳同步轨道气象卫星（TIROS-1），使用电视摄像机拍摄云图，具有气象价值。目前美国运行的为NOAA-14/15。1970年发射第一代实用化地球同步轨道GOES气象卫星，将光机扫描型的可见和红外扫描辐射计。目前美国运行的为GOES-8/10。主要光学有效载荷有：可见光红外扫描辐射计红外分光计成像光谱仪紫外臭氧探测器闪电成像仪等202023/1/13海洋卫星光学有效载荷1978年美国发射了世界第一颗海洋卫星Seasat1，其中的光学有效载荷为可见光和红外辐射计。由于微波可以在各种天气条件下，透过云层获取全天候、全天时的海洋信息，因此海洋观测以微波为主，可见光红外为辅。212023/1/13空间望远镜Hubble空间望远镜从20世纪70年代开始研制，与KH-11采用相似技术1990年发射成功轨道高度600km重达11,600kg采用R-C反射式光学系统主镜口径2.4m，f/24,焦距57.6m，视场角4'×4'采用自适应光学技术Hubble望远镜在太空222023/1/13Hubble望远镜结构图232023/1/13二、国内外发展概况

——我国现状242023/1/13我国光学有效载荷现状我国从1967年开始研制航天相机，1975年研制成功首台对地观测棱镜扫描式全景相机，开创了我国对地观测遥感事业，成为世界第三个掌握航天相机技术的国家。至今共研制成功超过60台（套）光学相机，装备在侦察、测绘、资源、海洋和气象系列的卫星上，为国防和国民经济建设作出了重大贡献。252023/1/13我国光学有效载荷现状卫星类型名称轨道类型数量发射年份返回式遥感胶片型相机低轨221975－2005气象风云一号风云二号太阳同步轨道地球同步轨道4388,90,99,0297，00,04资源资源一号资源二号太阳同步轨道太阳同步轨道2399,0300,02,04海洋海洋一号太阳同步轨道102环境环境一号太阳同步轨道1尚未发射262023/1/13技术发展概况首先研制胶片型相机——胶片型与传输型相机并行发展——重点发展传输型相机。遥感谱段从可见光到远红外——从单一全色谱段到多谱段。光学系统从折射式向折反式和全反式方向发展，高分辨率相机主要采用全反式光学系统。可见光探测器由线阵CCD向TDICCD发展和面阵CCD发展。相机向高分辨率轻小型化方向发展。272023/1/13气象卫星有效载荷FY-1太阳同步轨道气象卫星10通道扫描辐射计，分辨率1.1km数字云图。图像质量与美国NOAA－15相当。FY-2地球同步轨道气象卫星扫描辐射计的通道数为5，可见光分辨率1.25km,红外分辨率为5km。与美国目前用的GOESI-M卫星探测通道数相同

是继美国、法国后第三个拥有该先进技术的国家

FY－110通道扫描辐射计光路结构FY-1拍摄的云图282023/1/13资源一号卫星多光谱CCD相机1999年研制成功，共研制两台谱段蓝光谱段：0.45-0.52μm，绿光谱段：0.52-0.59μm，

红光谱段：0.63-0.69μm，近红外谱段：0.77-0.89μm

全色谱段：0.51-0.73μm采用折射式光学系统

f=520mm，F=4，2ω=8°，幅宽113Km，GSD=20mCCD相机太湖地区的2级影像图

多光谱性能指标与法国SPOT-4卫星相机相当，并多了一个蓝光谱段。292023/1/13海洋一号多光谱CCD相机采用折射式光学系统，用四个镜头实现四谱段的相机,f=30mm,F=4,ω=38°,GSD=250m,幅宽大于500Km谱段：B1:0.42-0.5umB2:0.52-0.6umB3:0.61-0.69umB4:0.76-0.89um海洋一号4波段CCD成像仪CCD成像仪拍摄的台湾岛2002年首发相机获取优质海洋水色照片填补我国海洋卫星CCD相机的空白302023/1/13我国正在研制的空间太阳望远镜“十五”预研项目主要有效载荷：1米口径可见光波段主望远镜，焦距36m，视场：2.8’×1.5’；4波段极紫外成象望远镜Ha和白光望远镜；宽波段光谱仪。312023/1/13三、21世纪光学有效载荷——发展动态（国外）322023/1/13光学遥感卫星发展趋势为获取信息优势，建立统一的卫星体系已成为国外军事卫星发展的重要方向将通讯、导航、测绘、侦察、监视、气象、海洋等卫星组成功能配套、综合利用的天基综合信息网，受到各国的高度重视美国航天司令部2020年天基综合信息网构想

光学有效载荷是信息网的重要组成部分,将大力发展1.光学遥感卫星同其它卫星形成统一体系，构成天基综合信息网332023/1/13SBIRS卫星星座2.各种光学遥感卫星配套使用，不同轨道高度、不同功能、不同分辨率的卫星组建星座在提高单星遥感能力的基础上，发展信息获取网络，把时间、空间、光谱三种分辨率进行有机结合美国下一代成像侦察卫星—“未来成像体系结构”(FIA)、美国下一代天基红外预警系统(SBIRS)等均基于以上思想构建光学遥感卫星发展趋势342023/1/133.大小卫星并存，遥感小卫星发展迅速大型卫星由于功能更强，具有更高的分辨率，将继续发展小卫星可以大大降低卫星及其系统的建造成本，缩短研制周期，同时也提高了卫星的生存能力，将得到迅速发展4.卫星智能化具有强大的星间与星地间信息传递能力具有强大的星上数据预处理能力，可变压缩比具有机动成像能力光学遥感卫星发展趋势352023/1/13光学有效载荷发展趋势基于以上光学遥感卫星的发展趋势，对光学有效载荷提出了新的要求：1、更高的空间分辨率采用特大口径、特长焦距的光学系统研究新概念、新原理、新方法2、更高的时间分辨率提高卫星轨道高度以增加幅宽从地球静止轨道观测组成卫星星座以减少重访时间ψ=1.22λ/D362023/1/13光学有效载荷发展趋势3、更高的光谱分辨率由于超光谱遥感具有精细的光谱分辩能力，能从获取的遥感数据中直接分析目标的物质成分，从而有效地分辩目标，正日益受到更大的重视美国军方提出为满足2020年的探测、覆盖、目标识别等要求，要发展超光谱成像、特超光谱成像等新技术372023/1/13光学有效载荷发展趋势4、激光雷达主动遥感利用激光这一新型的探查工具，通过主动遥感，解决地球上用常规方法无法探测的特征5、探讨新技术提高分辨率如亚像元技术，负折射率技术等382023/1/13侦察相机发展趋势和动态美国技术发展水平预测可见光侦察相机技术2010年装备未来成像体系结构（FIA）,相机体积更小,重量更轻,成本更低,提高时效性2020年详查相机具有超光谱成像能力，近实时侦察从战略型向战术型扩展加快超光谱成像技术的研发新需求导致新概念、新技术不断涌现，出现了新型可展开光学系统技术、光学合成孔径技术、充气可展开光学系统概念等新的研究领域392023/1/13美国预警相机发展动态技术发展水平预测预警红外相机技术2010年计划2006年发射天基红外预警系统(SBIRS),由6颗高轨道卫星和24颗低轨道卫星组成卫星星座。采用扫描性和凝视性红外相机。提高分辨率。能对导弹全程跟踪，预警时间20s，可探测到更小的导弹并提供精确的发射和飞行方向。2020年可实现全球监视，地理坐标达几分米，预警时间近实时。402023/1/13商用遥感卫星相机的发展趋势追求更高的空间分辨率采用新的设计理念，降低相机的技术难度，进一步轻小型化设计时引进系统参数F/p=1的新理念，相对孔径非常小应用地面图像处理应用MTFC补偿技术提高MTF应用图像复原技术相机F/pIKONOSQuickbird0.8PleiadesIKONOS-II≈1412023/1/13商用遥感卫星相机的发展动态IKONOS第二代卫星由双星系统构成，采用高/低轨道运行方式(770km/510km)口径1.1m,TDICCD像元大小8um，分辨率可达0.47m/0.27m0.47/0.27m分辨率图像

422023/1/13商用遥感卫星相机的发展动态法国Pleiades卫星军民两用，计划2006年发射光学系统:三反同轴消像散光学系统主镜直径:650mm,焦距:13m，相对孔径:1/20，视场角:1.7分辨率:全色0.7m，多光谱2.8m432023/1/13研究地球静止轨道（GEO）光学有效载荷目前低轨道的卫星，重访时间长，无法对地面目标进行连续观测，高分辨率相机的幅宽有限，如KH-12只有3－5km，时间分辨率差GEO轨道（36000km）对地面的覆盖范围大，单颗卫星即可恒定覆盖四分之一地球表面，只需几颗卫星即可覆盖全球，从而大大降低成本GEO成像卫星对特定区域的驻留时间长，能够连续观测统一地区，大大提高了时间分辨率442023/1/13GEO轨道光学有效载荷－欧美动态2004年美国报道，正在着手研制一种能在发射时处于折叠状态，而在进入太空后可自动展开的光学望远镜。预计在今后20年，将把装有这种望远镜的成像卫星放到GEO，分辨率为1m，口径达30m，估计f＝250m。在2005年的欧洲AAAF会议上，法国Alcatel公司提出在GEO轨道进行对地观测,同时法国国家航空航天研究院正在研发基于多孔径的光学望远镜系统.设想如下:实现时间地面分辨率等效口径技术手段2010年10m4m单一孔径望远镜2020年4m约8m可展开望远镜2020年后1m约30m合成孔径望远镜452023/1/13超大口径光学系统面临的技术挑战体积加工运载能力重量材料研制能力检测难以实现难以发射制约因素面临的技术挑战特大口径、特长焦距视轴的高稳定性(角稳定10nanoradian)462023/1/13解决超大口径限制的主要技术途径可展开式光学系统光学合成孔径光学系统472023/1/13可展开光学技术－空间望远镜JWST美国于20世纪90年代提出接替HST的下一代空间望远镜（NGST）,计划于2011年发射为了达到NGST的科学目标，需要望远镜口径达到6m以上，因此NASA选择了空间可展开望远镜技术即光学系统发射前折叠，入轨后展开，在自适应光学系统的调整下达到设计要求。目前该项目已进入B阶段的尾期，正式命名为JamesWebbSpaceTelescope(JWST)JWST482023/1/13JWST—OTE光学望远镜单元（OTE）组成采用三反同轴消像散光学系统，视场角达到9.1′×18.2′主镜口径6.6米，由18块边长1.32m的六边形分块Be镜组成，焦距131.4m,F/20像稳定镜用于校正光轴抖动波长范围0.6-29um，在2um处达到衍射极限492023/1/13JWST—关键技术NASA从1996年开始，资助了一系列的关键技术项目以完成NGST计划，均取得突破轻量化低温环境(30K)主镜的制造技术低温致动器低温变形镜波前传感与控制方法大尺寸、低噪声红外探测器精密展开机构等502023/1/13光学合成孔径技术共次镜合成孔径系统组合望远镜阵列原理1（组合孔径法）：直接采用多个子系统组合成大孔径系统，要求各子系统达到共相位的精度。原理2（干涉法）：利用光的部分相干理论，通过测量各子望远镜两两之间的干涉结果，把这些干涉结果综合成观测目标的谱，进行傅立叶变换重构出目标的图像。512023/1/13稀疏孔径望远镜—光学

合成孔径技术美国空军研究实验室的稀疏孔径可展开空间望远镜概念:通过稀疏孔径、可展开光学技术实现大口径、高分辨率子镜为Golay6布局522023/1/13空间望远镜—TPF—光学合成孔径技术TerrestrialPlanetFinder美国NASA在研的TPF项目，集光孔径4个，孔径大小3.5m，最长基线1000m；采用分布式卫星编队飞行，其分辨率比哈勃望远镜高出百倍。