航天光学遥感器光学装调技术现状与展望

航天光学遥感器光学装调技术现状与展望
伏瑞敏;岳丽清
【摘要】航天光学遥感器工作于太空中,长期恶劣的空间环境及短暂发射入轨时的状态对光学系统的设计与装调提出了苛刻的要求,确保光学系统在轨像质优异是航天光学遥感器研制的关键技术.文章结合国际上航天光学遥感器的发展需求对光学系统装调技术及发展现状进行了分析、总结,提出了中国后续航天光学遥感器装调与测试技术的突破方向.%With the tough working environment in the space and the temporary state during the launching procedure, higher demands of the design and alignment of optical system are required. Based on the analysis and summarization on the present and developing state of alignment technology for optical system, which has been used to meet the development requirements for foreign space remote sensor, this paper presents the direction of the alignment and testing technology of domestic space optical remote sensor.
【期刊名称】《航天返回与遥感》
【年(卷),期】2011(032)003
【总页数】6页(P30-35)
【关键词】光学系统；装调技术；航天遥感；综述
【作者】伏瑞敏;岳丽清
【作者单位】西北工业大学，西安7100072;北京空间机电研究所，北京100190;北京空间机电研究所，北京100190
【正文语种】中文
【中图分类】TP705
1 引言
航天光学遥感器工作于外太空环境中，其发射入轨阶段的加速度及震动、入轨后辐射、真空等环境对光学系统的设计及装调提出了不同于地面光学仪器设备的苛刻要求。

航天光学遥感器的装调必须结合使用环境的需求，要保证各光学元件位于正确的位置并符合严格的面形要求，还需要保证光学元件的高可靠性，对于大口径光学系统还应考虑重力影响。

总之，保证遥感器的光学系统在轨像质优异是遥感器光学装调追求的最终目标。

2 国外航天光学遥感器发展介绍
航天光学遥感器光学装调技术与遥感器的发展需求是紧密结合在一起的。

自从人类发射第一颗遥感卫星以来，卫星遥感图像的空间分辨率不断刷新，20世纪70年代美国陆地卫星分辨率为50m，80年代法国SPOT系列卫星的分辨率达10m，到1992年美国的KH-12卫星分辨率提高到了0.1m的量级[1-2]。

空间分辨率的提高与光学系统的参数密切相关，最突出的就是光学系统的焦距越来越长，口径越来越大。

遥感器的发展一方面带动了光学加工、检测、装调技术的迅猛发展，同时其最终指标的实现与光学加工、检测、装调的水平密切相关，二者相辅相成。

随着光学技术的发展，航天光学遥感器的光学系统型式从折射式、折反式逐渐向反射式发展，逐步形成反射式光学系统占主导的趋势。

同时，光学零件的材料、形状等也在发生着概念性的改变。

以美国为例，其Landsat系列、KH系列卫星光学系统在前期均为折射式系统，从
Landsat、KH系列后期及IKONOS、QuickBird等其他系列卫星开始大量采用反
射式光学系统；光学系统焦距从以往的几百毫米逐步向几米、几十米发展；口径从以往的几十毫米、几百毫米向超过1m发展。

由于反射式系统对镜体内部的气泡
或条纹的要求比折射式系统的要求低，因此在材料的选择上逐渐选用非传统材料以减轻整个相机的质量。

目前国内外常用铍（Be）、铝（Al）、融石英（Fs）、微
晶玻璃（Mc）及钛（Ti）、碳化硅（SiC）作为镜坯材料。

国外已经成功在轨运行的几种光学技术指标见表1[3-8]。

表1 国外主要光学遥感器光学系统技术指标?
光学遥感器光学系统型式的发展可以从以下两方面概括：
1）随着光学系统口径增大、焦距加长，反射式系统占主导，且在光学零件及支撑结构方面大量采用SiC等新型材料，以减轻总质量。

2）当主镜口径超过700mm以上时，三反同轴（Three Mirror
Anastigmat,TMA）系统使用更多一些；三反离轴主要应用于中等口径及焦距的系统上，该形式具有视场角大（2.1°）、MTF高的特点，在轨成功运行最大口径为QuickBird-2的主镜600mm，焦距8.8m，其它光学系统主镜的口径均在123～218mm，焦距均在1～2m。

由于三反同轴系统的结构对称性、工程可实现性及相比离轴系统体积、质量与图像品质间的性价比更优等特点，应用前景会更好。

3 遥感器相关光学装调技术及发展现状
空间遥感器涉及光、机、电、热等多专业，遥感器的光学装调实际是光、机、热系统设计实现的过程。

装调性能的评判分为3个层次：1）装调后的光学像质；2）
经历环境实验后的光学像质；3）入轨后的光学像质。

最终评判以入轨图像像质为标准。

光学装调是光学系统设计的实现过程，涵盖了对光学材料均匀性、折射率等的控制，光学零件面形、几何尺寸的检测，装调过程空间位置的控制及装调后系统性能的检
测多个环节。

光学装调技术与航天光学遥感器光学系统的型式是密切相关的。

随着光学遥感器的发展，遥感器光学系统型式的转变和光学系统口径的增大，都带动了光学装调技术的进步。

同时，光学装调技术与光机设计技术是紧密联系的，即使是对于同一种光学系统形式，也会由于不同的光机结构设计而采用不一样的光学装调技术。

由于遥感器的形式多样性，以及光机设计的方案变化，在光学装调中，光学组件固定方式也从单一托框形式向背板、背部支撑等多种方式发展，系统固定方式从以往的筒式发展成框架式、杆式、箱式等多种形式。

上述几种典型的遥感器结构型式见图1。

图1 几种典型的遥感器结构型式
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。

所谓“预留公差型”是依据光学设计所确定的各项公差，首先进行零部件的加工，而后再通过装调设备来控制装调环节的各项调整偏差。

在这个过程中，所有偏差项目都是依据设计图纸事先设定，因而会导致加工误差与装调误差分别独立地作用于光学系统的组装、调试过程中。

这种装调方式不能等量地直接预估最终系统成像品质，主要应用于折射式光学系统的装调，装调流程如图2所示。

图2 预留公差型光学装调流程图
随着计算机技术的迅猛发展，光学装调技术已经从早期的“预留公差型”向“误差补偿型”发展。

“误差补偿型”是根据光学设计给定的公差范围，综合考虑加工误差与装调误差的叠加作用，通过调节光学系统中一个或多个元件的空间位置补偿其他元件空间位置误差引起的附加像差。

“误差补偿型”装调技术在仿真与计算机技术飞速发展的带动下形成并逐步完善，在反射式光学系统及新型光学系统的装调过程中，这种装调方式更为实用。

对于折射式光学系统，由于系统光学零件比较多，相应装调过程控制的各项元素也非常多，很难通过单一或几个元件的空间位置补偿其它光学元件空间位置误差造成的附加像差。

基于上述因素并考虑光学遥感器光机结构设计的可靠性需求，将“预留公差型”与“误差补偿型”装调技术相互结合，形成了全过程仿真像质预估装调技术，即在原有预留公差型装调技术基础上，利用现代化的测试技术和计算机技术，实时测量装调过程中的各控制参数；根据测量结果对光学系统进行实时的像质仿真预估，再依据像质仿真预估的结果来指导、确定、调整相关参数。

随着仿真精度的提高，全过程仿真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。

图3
为全过程仿真像质预估方法光学装调流程示意图，从该流程可以发现：计算机技术在光学装调过程中发挥着重要的作用，计算机技术的飞速发展在促进反射式光学系统在遥感器中大量应用的同时，还促进了光学装调全过程数字化制造技术的应用。

图3 全过程仿真像质预估装调方法光学装调流程图
4 航天光学遥感器光学装调核心技术分析
从遥感器的发展趋势来看，大口径反射式光学系统的应用越来越广泛，因而对装调技术也提出了新的要求。

首先，反射镜口径增大导致反射镜质量急剧增加，必须提高反射镜轻量化程度。

但由此会造成装调精度更容易受装配应力、热环境变化、零件残余应力等因素的影响，加上地面重力环境与在轨空间环境的差异，给在地面重力环境下装调、检测带来了许多问题。

因此，大口径反射镜的装调、检测成为光学装调过程中必须解决的关键技术。

其次，受光学反射镜加工、检测能力的限制、运载工具对有效载荷体积和质量的约束及成本的制约，传统的整体主镜光学系统难以满足系统反射镜口径越来越大的要求，因此出现了空间可展开光学系统和稀疏孔径成像系统等新的成像系统，这给光
学系统的装调与检测带来了新的挑战。

大口径反射式光学系统的广泛应用，使“误差补偿型”技术得到全面应用，检测技术与仿真分析技术贯穿于光学装调每一过程，二者已经成为光学装调中的关键环节，特别是对于空间可展开光学系统以及稀疏孔径成像系统等新型光学系统。

目前，国际上航天光学遥感器光学装调技术的发展趋势主要体现在以下两方面：（1）大口径反射镜检测技术的突破
对于采用单块主镜的光学系统来说，建立地面状态下与在轨状态下大口径反射镜面形品质评价的相关性，是确保相机光学系统在轨性能优异的关键技术。

大口径反射镜的地面装调检测与检测设备、检测现场的搭建、测试方法、数据处理和仿真分析等因素密切相关，考虑在轨微重力环境，系统的光轴是水平方向还是竖直方向是装调检测环节应重点分析的内容。

为建立大口径反射镜面形品质在地面时与在轨时的评价相关性，光学系统在地面装调时可采用带误差装调的方式，即让光学系统带有一定的装调误差，当带误差装调后的光学系统在轨运行时该装调误差能够在微重力环境下得到修正进而满足相机在轨后的性能要求。

这样的装调方式对反射镜的地面检测、空间微重力影响的仿真、数据处理的真实可靠性提出了更高的要求。

成功应用带误差装调的事例是IKONOS-2卫星。

该卫星主镜为口径700mm的抛物面，质量仅13.4kg，在磨、抛反射面的过程中，通过严格计算引入了适当的表
面误差，以补偿在轨时由于重力释放产生的面形改变，从而保证相机的在轨成像性能接近于衍射极限。

另外，对于大口径反射镜，也可采用主动或被动卸载技术来保证其装调品质。

通过卸载技术或在轨解锁，使大口径反射镜的面形品质在地面装调检测与在轨成像这两种不同的环境状态下均满足设计像质要求。

大口径反射镜的装调，无论是采用主动或被动卸载技术还是通过在轨解锁，精确仿真由重力、外太空环境等因素对光学系
统的影响的技术必不可缺。

（2）自适应光学技术的应用
随着反射镜口径的增大，重力、温度、气流的扰动、微震动干扰等对光学系统品质的影响越来越大，自适应技术的应用也是光学技术发展的必然。

自适应光学技术成功应用的事例是KH-12卫星，主镜口径3m，采用自适应光学
成像技术在轨调整，改变主镜表面曲率，补偿大气扰动对影像的影响。

另外，空间可展开光学系统以及稀疏孔径成像系统的出现，解决了整体式大口径光学系统研制和发射中难以克服的大口径反射镜加工、检测、体积庞大等种种问题，但同时也带来了可展开系统装调方面的技术难题。

对于采用多反射镜拼接的空间可展开光学系统的主镜来说，利用拼接检测技术正确评价主镜品质，是自适应技术实现各分块镜共相位干涉成像的基础。

在詹姆斯·韦
伯空间望远镜（JWST）的装调过程中，检测技术与仿真分析技术贯穿于光学装调每一过程，其主镜及主镜组件在装调中采用了两种测试技术4种测试方案，通过
仿真分析并结合主镜组件旋转测试分离重力影响。

图4为JWST望远镜的结构示
意图，其主镜直径6.5m，由18块边长1.32m的六边形分块铍镜组成[9-10]。

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。

图4 詹姆斯·韦伯太空望远镜收拢（左）和展开（右）示意图
根据国内外光学遥感器装调技术发展趋势以及大口径光学遥感器的研制成果，光学装调技术的核心可总结为以下3点：
1）仿真、验证手段丰富，能分离重力、振动、温湿度、装调应力等多种耦合因素。

2）仿真分析精度高，能准确预测反射镜失重状态下的面形及各反射镜之间的位置关系，地面测试不确定性越小越好。

3）地面装调设备完善，真正实现光学遥感器的装调与过程测试评价。

5 结束语
综上所述，由于航天光学遥感器工作于空间环境，为了能保持其良好的工作性能，对光学系统的设计尤其是装调工作提出了不同于地面设备的苛刻要求。

通过利用现代化测试技术和计算机技术，光学装调水平得到了极大提高。

为了满足“保证在轨像质优良”这一光学装调的最终目标和评定标准，必须把握光学装调核心技术，并结合使用环境的需求，对航天光学遥感器进行科学装调。

参考文献
【相关文献】
[1] 杨秉新.美国IKONOS和QuickBird2卫星相机的主要性能和特点分析及看法[J].航天返回与遥感,2002,23（4）:10-12.
[2] Takanori Iwata,Precision Attitude and Position Determination for the Advanced Land Observing Satellite（ALOS）[J].SPIE, 2005,5659:34-50.
[3]Caltagirone F,Angino G,Coletta A,et al.COSMO-SkyMed Program:Status and Perspectives[C].Proceedings of Third InternationalWorkshop on Satellite Constellations and Formation Flying.Pisa,Italy,2003,24-26.
[4]Stokes G H,von Braun C,Sridharan R,et al.The Space-Based Visible Program[J].Lincoln Laboratory Journal,1998,11（2）:205-238.
[5]Chesters D,Jenstrom D.GATES-A Small Imaging Satellite Prototype for GOES-
R[J].SPIE,1996,2812:30-37.
[6] Safa F,Levallois F,Bougoin M,et al.Silicon Carbide Technology for Large Submillimetre Space Based Telescope[C].Proceedings International Conference on Space Optics
ES,Toulouse,1997.
[7]Price M E.TopSat-A Small Satellite Approach to High Resolution Optical
Imaging[J].SPIE,2002,4814:162-172.
[8] 赵秋艳.美国成像侦察卫星的发展[J].光机电信息,2001,16（10）:15-23.
[9]Clampin M.Status of the JamesWebb Space Telescope（JWST）
[J].SPIE,2008,7010:70100L-1-7.
[10]Gardner JP.The Scientific Capabilities of the JamesWebb Space
Telescope[J].SPIE,2008,7010:70100K-1-7.。