高衛(wèi)軍 孫立 王長(zhǎng)杰 劉曉鵬 朱永紅 張繼友 湯天瑾 何紅艷 年華

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

2012年1月9日，“資源三號(hào)”衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，1月11日傳回第一軌高清晰影像。2012年4月20日完成了衛(wèi)星在軌測(cè)試及評(píng)審，目前衛(wèi)星在軌運(yùn)行正常?！百Y源三號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)第一顆民用高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星，集測(cè)繪和資源調(diào)查功能于一體，主要用于1∶50 000比例尺立體測(cè)圖和彩色數(shù)字正射影像制作，還可用于1∶25 000等更大比例尺地圖部分要素的更新、資源調(diào)查和區(qū)域規(guī)劃等任務(wù)。

三線陣相機(jī)分系統(tǒng)和多光譜相機(jī)分系統(tǒng)是“資源三號(hào)”衛(wèi)星的重要有效載荷，其中三線陣相機(jī)獲取2.1m地面像元分辨率（正視相機(jī)）和3.5m地面像元分辨率（前/后視相機(jī)）全色影像，多光譜相機(jī)獲取5.8m地面像元分辨率4譜段多光譜影像；前視、正視、后視相機(jī)生成立體影像，正視相機(jī)與多光譜相機(jī)影像融合生成彩色正射影像產(chǎn)品。

2 相機(jī)組成及工作原理

三線陣相機(jī)由前視相機(jī)主體、正視相機(jī)主體、后視相機(jī)主體、一體化支架、三線陣相機(jī)控制器、前視信號(hào)處理器、正視信號(hào)處理器、后視信號(hào)處理器組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

其中前視相機(jī)、后視相機(jī)與正視相機(jī)的交會(huì)角均為22°，3臺(tái)相機(jī)安裝在高穩(wěn)定性一體化支架上，相機(jī)光軸垂直于衛(wèi)星俯仰軸排列安放，如圖2所示。當(dāng)衛(wèi)星飛行時(shí)，每個(gè)TDICCD線陣連續(xù)推掃產(chǎn)生3條相互重疊的條帶圖像，對(duì)同一地面點(diǎn)進(jìn)行不同視角的觀測(cè)，正視相機(jī)進(jìn)行垂直攝影獲取正視圖像，前視相機(jī)、后視相機(jī)用于獲取航向重疊的立體影像，經(jīng)衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)傳送到地面站，依據(jù)外方位元素和內(nèi)方位元素（相機(jī)的主距、主點(diǎn)、相機(jī)夾角）建立嚴(yán)格的物像關(guān)系，則可以通過(guò)影像繪制地形圖[1]。

三線陣相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

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3 相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 高像質(zhì)高穩(wěn)定性鏡頭技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高精度立體測(cè)圖任務(wù)，測(cè)繪相機(jī)要求鏡頭具有優(yōu)異的像質(zhì)、極小的畸變和內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。提高鏡頭的傳函、減小鏡頭的畸變、抑制鏡頭的雜光散射可以有效地提高鏡頭的成像品質(zhì)，選用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)、提高鏡頭的一階頻率、采用精密熱控設(shè)計(jì)、與一體化支架“隔離”安裝則可以大大提高成像品質(zhì)的穩(wěn)定性和內(nèi)方位元素的穩(wěn)定性。主要設(shè)計(jì)措施如下：

1）采用折射式準(zhǔn)像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。折射式光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有遮攔，通過(guò)多個(gè)具有不同折射率和曲率面形的透鏡組合，該系統(tǒng)比反射系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高傳函的指標(biāo)。而且，盡管折射系統(tǒng)軸向（Z向）尺寸較大，但徑向（Y向）尺寸顯著減小，這一特性有利于三線陣相機(jī)的Y向排列。像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)較其它系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)低畸變?cè)O(shè)計(jì)，而且由于其出射主光線垂直于CCD線陣光敏面入射，有利于降低光敏面反射引起的雜光散射。通過(guò)對(duì)一般理想光學(xué)系統(tǒng)熱穩(wěn)定性的深入研究發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，當(dāng)鏡頭溫度波動(dòng)△t后，邊緣像點(diǎn)的像高變化可由公式（1）計(jì)算得出。

其中 y′31表示溫度波動(dòng)后邊緣像點(diǎn)的實(shí)測(cè)像高；y′21表示溫度波動(dòng)前邊緣像點(diǎn)的實(shí)測(cè)像高；△H為溫度波動(dòng)后像方主面的位移量；α′3為溫度波動(dòng)后邊緣視場(chǎng)主光線出射角；E為標(biāo)定焦距和理論焦距的差值；f′2表示溫度波動(dòng)后的理論焦距；α′2表示溫度波動(dòng)前邊緣視場(chǎng)主光線出射角；△P表示溫度波動(dòng)后入瞳位置位移量；α1為邊緣視場(chǎng)主光線入射角。

對(duì)于像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，溫度波動(dòng)前后出射角無(wú)變化（實(shí)際工程中有非常小的變化，可以忽略），出射主光線仍平行于光軸，即：

則像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的邊緣像點(diǎn)像高變化為：

由（3）式可見(jiàn)，像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性較好。實(shí)際工程中，為了減小鏡頭的Y向尺寸，采用了準(zhǔn)像方遠(yuǎn)心光路。光學(xué)系統(tǒng)型式見(jiàn)圖4。由窗口玻璃、第一至第八透鏡、拼接棱鏡組成，外形尺寸直徑225 mm、長(zhǎng)度1 860 mm。

2）鏡頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要保證由于發(fā)射振動(dòng)、在軌失重和在軌熱環(huán)境變化導(dǎo)致的成像品質(zhì)及其穩(wěn)定性變化在可承受的范圍之內(nèi)[2]。鏡頭結(jié)構(gòu)材料選用鈦合金，鈦合金材料比強(qiáng)度高、比剛度大，并且熱漲系數(shù)與光學(xué)玻璃系數(shù)相近，可以滿(mǎn)足與光學(xué)系統(tǒng)熱匹配設(shè)計(jì)的要求，減小熱應(yīng)力。結(jié)構(gòu)形式采用加筋圓筒設(shè)計(jì)，在減輕質(zhì)量的同時(shí)保持足夠的剛度。通過(guò)在鏡頭前加裝遮光罩、合理設(shè)置消雜光光闌、控制鏡筒內(nèi)壁的吸收率和粗糙度，將鏡頭的雜光系數(shù)控制在要求值以下。為了適應(yīng)在軌真空環(huán)境和失重環(huán)境，鏡頭裝調(diào)完成后進(jìn)行了真空放氣試驗(yàn)，隨后分別在光軸水平、繞光軸旋轉(zhuǎn)180°和光軸豎直3個(gè)工況下測(cè)試了鏡頭傳函，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳函幾乎沒(méi)有變化。

3）鏡頭與一體化支架采用了隔熱安裝，以減小二者的溫度干擾。將鏡頭一端設(shè)計(jì)為撓性支撐，起結(jié)構(gòu)解耦、釋放鏡頭熱變形作用。在溫升2℃時(shí)，可以釋放98.6%的光軸方向熱變形，光軸角度變化小于0.1″。

鏡頭組件結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，主要由各透鏡組件、連接筒、調(diào)整墊片、消雜光光闌組成。各透鏡之間的鏡間距通過(guò)墊片進(jìn)行調(diào)整。撓性支撐熱變形分析如圖6所示。

4）高精度熱控設(shè)計(jì)。盡管采取了以上措施，經(jīng)熱光學(xué)分析表明，仍然需要采用高精度熱控設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足極高的穩(wěn)定性要求。經(jīng)過(guò)熱計(jì)算和熱分析，采用主動(dòng)、被動(dòng)結(jié)合的熱控措施，鏡頭的溫度水平滿(mǎn)足20℃±1℃，透鏡的最大徑向溫差小于0.2℃，最大徑向溫差的波動(dòng)小于0.1℃。

3.2 高穩(wěn)定性一體化支架技術(shù)

為了提高衛(wèi)星的姿態(tài)確定精度，采用了將星敏感器安裝在三線陣相機(jī)一體化支架上的方案，并且對(duì)星敏感器組合體、一體化支架和衛(wèi)星頂板均進(jìn)行了高精度主動(dòng)控溫[3]。因此，一體化支架設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮兩方面的要求：

1）應(yīng)具有足夠高的穩(wěn)定性，以保證在軌環(huán)境下相機(jī)夾角以及相機(jī)和星敏夾角的穩(wěn)定。一體化支架構(gòu)型如圖7所示。主要由前視支撐部件、后視支撐部件、正視支撐部件和支架底板組成。為滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，同時(shí)盡量減輕質(zhì)量，前/后視支撐部件第一次采用了氰酸酯樹(shù)酯（Cyanate ester，CE）碳纖維復(fù)合材料[4]。該材料具有極低的吸濕率、較高的耐熱性、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、良好的力學(xué)性能以及與環(huán)氧樹(shù)脂相近的成型工藝性。星敏支架與后視支撐部件、支架底板與衛(wèi)星頂板均采用隔熱安裝，星敏組合體、一體化支架和衛(wèi)星頂板各自獨(dú)立主動(dòng)控溫，以盡量減小溫度的波動(dòng)，從而減小熱應(yīng)力的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

2）應(yīng)具有足夠的剛度，在發(fā)射主動(dòng)段為相機(jī)主體和星敏提供可靠的支撐。支架底板材料為鈦合金，對(duì)其進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化以達(dá)到高比剛度的要求。通過(guò)建模分析，對(duì)前/后視支撐部件鋪層、加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)一體化支架與衛(wèi)星安裝點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的方案。采用頻率相關(guān)性和振型相關(guān)性方法對(duì)整機(jī)模態(tài)進(jìn)行了仿真分析[5]，如圖8所示，分析結(jié)果表明相機(jī)基頻大于70Hz，仿真結(jié)果與振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

3.3 新一代高速低噪聲視頻電路技術(shù)

視頻電路主要由焦面電路和信號(hào)處理器組成。前/后視相機(jī)均采用10μm像元的全色TDICCD器件，正視相機(jī)采用7μm像元的全色TDICCD器件，TDICCD線陣由多片器件在半反半透棱鏡上拼接而成。以正視相機(jī)為例，相機(jī)視頻電路原理如圖9所示：

視頻電路具有以下特點(diǎn)：

1）首次在飛行任務(wù)中應(yīng)用了7μm的TDICCD器件。該器件傳函高、輻射響應(yīng)特性?xún)?yōu)異，而且具有抗彌散結(jié)構(gòu)，可以避免局部像元飽和時(shí)導(dǎo)致的周邊像元飽和[6-7]，成像效果好。

2）首次采用量化位數(shù)達(dá)14bit的信號(hào)處理技術(shù)，配合100萬(wàn)門(mén)FPGA，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD模擬信號(hào)的相關(guān)雙采樣、箝位、增益控制、A/D轉(zhuǎn)換、輔助數(shù)據(jù)注入、數(shù)據(jù)格式編排功能。實(shí)現(xiàn)了高集成度、低功耗、低噪聲的成像電路設(shè)計(jì)。

3）對(duì)模數(shù)混合電路進(jìn)行充分的硬件仿真工作，優(yōu)化電路板布局布線，采用LC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源的干擾加以抑制，電路引入的噪聲優(yōu)于1LSB，圖像噪聲明顯降低，細(xì)節(jié)信息更加豐富。

4）首次采用了星上動(dòng)態(tài)箝位技術(shù)，可以在軌設(shè)置參數(shù)去除大氣漫反射等造成的圖像襯底，提高圖像品質(zhì)。

3.4 高精度時(shí)標(biāo)技術(shù)

高分辨率立體測(cè)繪相機(jī)獲取的影像應(yīng)具有較高的幾何分辨率、輻射分辨率，同時(shí)為了獲得較高的定位精度，還要求有較高的時(shí)間精度。因此，相機(jī)具有精確的成像時(shí)刻標(biāo)定功能，可實(shí)現(xiàn)相機(jī)與衛(wèi)星之間精確的時(shí)間同步。三線陣相機(jī)分系統(tǒng)進(jìn)入成像模式時(shí)，將同時(shí)接收來(lái)自GPS子系統(tǒng)的硬件秒脈沖和數(shù)管分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的對(duì)應(yīng)秒脈沖的整秒時(shí)刻數(shù)據(jù)。信號(hào)處理器根據(jù)硬件秒脈沖啟動(dòng)本地計(jì)時(shí)時(shí)鐘，從而精確計(jì)算出每一行的成像時(shí)刻，并在對(duì)應(yīng)圖像行的輔助數(shù)據(jù)里標(biāo)出。記錄成像時(shí)刻的最小時(shí)間刻度為1μs，系統(tǒng)誤差小于30μs。

3.5 高精度內(nèi)方位元素及夾角測(cè)試技術(shù)

對(duì)于測(cè)繪相機(jī)，為了給后期圖像解析處理提供依據(jù)，必須精確測(cè)定相機(jī)的內(nèi)方位元素和3臺(tái)相機(jī)的夾角。內(nèi)方位元素主要包括相機(jī)系統(tǒng)主點(diǎn)、主距、畸變等。測(cè)試原理如圖10所示，被測(cè)相機(jī)通過(guò)專(zhuān)用相機(jī)支架固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，靶標(biāo)通過(guò)平行光管成像在被測(cè)相機(jī)焦面上，利用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)計(jì)算靶標(biāo)像的質(zhì)心位移，通過(guò)專(zhuān)用測(cè)角裝置測(cè)試被測(cè)相機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，計(jì)算主距和各個(gè)視場(chǎng)的畸變分布。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試

為滿(mǎn)足測(cè)繪要求，三線陣相機(jī)除了要保證相機(jī)的成像性能外，同等重要的是保證系統(tǒng)在軌運(yùn)行的穩(wěn)定性，主要有相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性和相機(jī)交會(huì)角穩(wěn)定性?xún)煞矫?。根?jù)用戶(hù)的要求，在軌期間半年之內(nèi)因相機(jī)內(nèi)方位元素變化而引起的像點(diǎn)移位均小于0.2像元（2μm），相機(jī)交會(huì)角（前/后視相機(jī)與正視相機(jī)的光軸夾角）穩(wěn)定性≤0.8″。

4.1 環(huán)境試驗(yàn)與測(cè)試

三線陣相機(jī)完成總裝后，依次進(jìn)行了驗(yàn)收級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和真空熱試驗(yàn)。相機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后，相機(jī)傳函、內(nèi)方位元素和相機(jī)夾角的變化均在允差范圍內(nèi)，相機(jī)成像性能穩(wěn)定，驗(yàn)證了相機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。真空熱試驗(yàn)各工況及試驗(yàn)前后的測(cè)試結(jié)果表明，相機(jī)熱控達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，在模擬熱真空環(huán)境中相機(jī)性能能夠滿(mǎn)足要求，試驗(yàn)前后相機(jī)傳函、內(nèi)方位元素和相機(jī)夾角變化均在允差范圍內(nèi)，表明相機(jī)具有良好的熱穩(wěn)定性。

4.2 相機(jī)穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

鑒于內(nèi)方位元素和交會(huì)角穩(wěn)定性對(duì)于立體測(cè)繪相機(jī)的重要性，利用三線陣相機(jī)鑒定產(chǎn)品進(jìn)行了內(nèi)方位元素和交會(huì)角穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)。在試驗(yàn)室環(huán)境下，在三線陣相機(jī)組合體上制造若干溫度水平差異工況和溫度梯度差異工況，在內(nèi)方位元素測(cè)試儀上實(shí)測(cè)相機(jī)視主點(diǎn)、主距和畸變，解算出不同溫度工況下相機(jī)內(nèi)方位元素的變化。同時(shí)，實(shí)測(cè)相機(jī)交會(huì)角，解算出不同溫度工況下相機(jī)交會(huì)角的變化。通過(guò)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，預(yù)估相機(jī)在軌工作時(shí)內(nèi)方位元素和交會(huì)角的變化趨勢(shì)和變化量，為在軌數(shù)據(jù)分析研究提供依據(jù)。

內(nèi)方位元素穩(wěn)定性試驗(yàn)選取了3種工況，分別為：1）相機(jī)主體均勻溫升1℃；2)相機(jī)主體Y向溫度梯度0.5℃；3）相機(jī)主體Z向溫度梯度1℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，各工況下相機(jī)畸變最大變化量與測(cè)試誤差相當(dāng)，滿(mǎn)足使用指標(biāo)要求。

交會(huì)角穩(wěn)定性試驗(yàn)也選取了3種工況：1）相機(jī)主體均勻溫升2℃；2）產(chǎn)品間溫度落差2℃；3）相機(jī)主體Z向溫度梯度2℃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各工況下相機(jī)交會(huì)角最大變化量與測(cè)試誤差相當(dāng)，滿(mǎn)足使用指標(biāo)要求。

仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)一系列有效的系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，結(jié)合精密溫控，相機(jī)內(nèi)方位元素和交會(huì)角的穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

5 在軌運(yùn)行及測(cè)試

經(jīng)初步分析，國(guó)內(nèi)圖像應(yīng)用專(zhuān)家認(rèn)為：三線陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)畸變?cè)O(shè)計(jì)，相機(jī)的穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異。圖11為三線陣相機(jī)拍攝的2.1m分辨率全色圖像與多光譜影像融合后影像。正視相機(jī)圖像值域范圍廣，直方圖峰谷特征良好，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果也表明地物清晰、層次感強(qiáng)，能夠有效反映不同地物的特征和局部細(xì)節(jié)，對(duì)地物細(xì)節(jié)信息的表現(xiàn)力優(yōu)于ALOS和SPOT-5衛(wèi)星圖像。

在軌測(cè)試結(jié)果表明：三線陣相機(jī)分辨率、幅寬滿(mǎn)足指標(biāo)要求；在軌動(dòng)態(tài)傳函優(yōu)于0.12；相對(duì)定標(biāo)精度0.52%；在太陽(yáng)高度角70°、地面發(fā)射率0.3條件下，信噪比優(yōu)于43dB（141）。其影像有控制點(diǎn)平面精度優(yōu)于3m（單景），高程精度優(yōu)于2m（單景）；無(wú)控制點(diǎn)平面定位精度優(yōu)于25m，滿(mǎn)足1∶50 000的立體測(cè)圖要求和1∶25 000地圖修測(cè)與更新要求。表2為三線陣相機(jī)與國(guó)外同類(lèi)相機(jī)的指標(biāo)對(duì)比。

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6 結(jié)束語(yǔ)

高精度空間立體測(cè)繪擁有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值?！百Y源三號(hào)”衛(wèi)星能夠提供我國(guó)最高分辨率的民用影像產(chǎn)品，利用其三線陣相機(jī)和多光譜相機(jī)獲取的影像不僅可以生產(chǎn)高分辨率測(cè)繪遙感影像產(chǎn)品，還可以充分利用三線陣立體成像功能生產(chǎn)多種立體測(cè)繪產(chǎn)品，如高級(jí)立體影像產(chǎn)品、數(shù)字高程模型（DEM）等，以及融合影像產(chǎn)品和三維可視化地形圖等專(zhuān)題產(chǎn)品，為防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、城市規(guī)劃、交通和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域提供有效的服務(wù)。

“資源三號(hào)”衛(wèi)星三線陣立體測(cè)繪相機(jī)的成功應(yīng)用，大大增強(qiáng)了我國(guó)獨(dú)立獲取地理空間信息的能力，有效推動(dòng)了地理信息產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，填補(bǔ)了我國(guó)民用測(cè)繪衛(wèi)星及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，對(duì)我國(guó)測(cè)繪事業(yè)發(fā)展具有里程碑意義。

目前，“資源三號(hào)”衛(wèi)星三線陣相機(jī)在軌運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到且部分優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。作為我國(guó)第一顆高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星的重要有效載荷，三線陣相機(jī)突破了高像質(zhì)、高穩(wěn)定性鏡頭技術(shù)、高穩(wěn)定性一體化支架技術(shù)、高速低噪聲視頻電路技術(shù)、高精度時(shí)標(biāo)技術(shù)、高精度內(nèi)方位元素及夾角測(cè)試技術(shù)。在軌測(cè)試結(jié)果表明，相機(jī)成像品質(zhì)優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)方位元素的高精度穩(wěn)定，對(duì)衛(wèi)星定位精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

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