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高分7號衛星相機在軌開機 成像區域縱貫南海細節清晰

http://dailynews.sina.com   2019年11月06日 17:34   環球時報

  11月5日10時44分,北京空間機電研究所研製的高分七號衛星主載荷雙線陣相機首次在軌開機成像。成像區域斜跨東經114度與東經127度,依次過境東北平原、遼東半島、山東半島、東南沿海,並縱貫南海。目前獲取的圖像細節清晰,層次豐富,達到預期水平。

  北京空間機電研究所在軌支持團隊已開啓在軌測試各項工作,爲優質圖像獲取保駕護航。

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  功能各異的“雙胞胎” 地球的專屬 “攝影師”

  ——解碼高分七號衛星雙線陣相機

  11月3日11時22分,我國高分辨率對地觀測系統重大專項(簡稱高分專項)的收官之作——高分七號衛星在太原衛星發射中心順利發射入軌,開啓了精準測繪之旅,也拼上了高分專項這幅宏偉拼圖的最後一塊。

  北京空間機電研究所相機項目負責人楊居奎介紹到,高分專項是2006年列入《國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006-2020年)》的16個重大專項之一。高分七號衛星是我國首顆民用亞米級高分辨率傳輸型立體測繪衛星,衛星上搭載的雙線陣相機由北京空間機電研究所研製,任務是進行1:10000精確比例尺立體測圖和數字影像製作,在未來的8年壽命期間,將爲地球繪製彩色立體的精準圖像,服務於測圖生產及更大比例尺基礎地理信息產品的更新。

  功能各異的“雙胞胎”

  ——繪“站”起來的地圖

  承擔高分七號衛星高分辨率測繪成像主任務的是北京空間機電研究所研製的雙線陣相機。雙線陣相機,顧名思義,就是兩臺線陣推掃成像相機,位置一前一後,分別稱爲前視相機和後視相機,爲地球拍攝出清晰立體的圖像。

  楊居奎介紹說,前後視相機的成像光機主體,相當於單反相機的長焦鏡頭,設計完全相同,從外觀看上去一模一樣,就像一對雙胞胎。爲什麼要在一臺相機上裝這樣一對“雙胞胎”呢?主要是立體成像需求。另外,兩臺相機採用相同的光機主體設計,可以大大減少設計和後期相機鏡頭裝調的工作量,縮短研製週期和成本;同時,兩臺相機在裝調階段產生的數據,還可以互相比對印證,提高效率。所以說,這倆兄弟也是工作上的好搭檔。

  那麼,相機是如何協助衛星測繪得到立體的影像效果的呢?直白地說,就是一顆衛星上,攜帶兩臺或三臺相機,從不同的角度先後拍攝同一目標區的景物,然後依靠極高精度的處理,達到3D立體觀測效果。

  隨着高分七號衛星的穩定飛行,前、後視相機以推掃方式,分別從前後兩個方向對地面同一景物進行不同角度的觀測,先從後面拍攝,前行到它前方時再對其拍攝,這兩張前後一定角度的成像,結合衛星的精確定軌參數,經過大量數據處理和座標轉換等,能夠反演出平面數據和高程數據。同時,衛星攜帶的激光測高儀測出來的高程數據能夠對前面提供的高程數據進行標定,高精度立體影像就出爐了。

  但雙胞胎的工作模式還有些不同,其中後視相機比前視相機另外多設計了4個多光譜譜段成像功能,用來製作彩色地圖。從506公里的軌道高度,前視相機對地角度取值26°,後視相機對地角度爲5°。這樣取值的優點是,既能夠得到立體的成像效果,而且後視相機對地拍照角度設計接近0°正視,可以得到近似於正視地球的效果。正視及接近於正視的遙感圖像,還可以滿足除測繪外的國土普查、地物辨別、農作物種植等方面的需求。

  地球的專屬“攝影師”——拍更高清的大片

  比例尺1:10000,字面上看,是一個比較大的比例數字,但是對於給地球進行表面成像並且編制詳細地圖來說,是一個相當高精度的指標了。如此高精度成像的高分七號雙線陣相機就像是地球的專屬“攝影師”,專門爲其拍攝高清畫面立體大片。

  貼身“攝影師”,清晰度不能差!

  高分七號雙線陣相機兩臺“雙胞胎”相機分辨率是亞米級的:前視相機分辨率爲0.8米左右,後視相機出圖有兩種分辨率,全色譜段(黑白照片)分辨率爲0.64米,多光譜譜段(彩色照片)分辨率爲2.6米左右。

  作爲測繪衛星,高分七號衛星的主要任務是爲地球做精細的表面詳查並忠實繪製成立體地圖,即包含地物高度信息的地圖。爲了這個“測繪功能”的特殊性,高分七號雙線陣相機的設計不同於其他高分辨率相機。

  據雙線陣相機的技術負責人王長傑介紹,對地面的高分辨率成像,如今已不是什麼新鮮事兒了。0.8米左右的分辨率,也並非我國自行研製的遙感相機最高分辨率水平。但是,測繪遙感相機有其特殊要求:成像系統除了需要提供優異的像質外,還需要極高的系統穩定性,對地攝影效果的穩定性要求特別苛刻。爲建立地物點像方和物方座標之間的準確幾何對應關係,前後視兩臺相機主距、相機畸變及前後視相機光軸指向等指標要求,均比普通遙感相機要高得多,需要提交的性能測試數據也更多。

  專業“攝影師”,鏡頭不能差!

  要實現上述所說的高分辨率成像,對相機結構穩定性要求極高。爲了達到1:1萬的測繪需求,相機結構和光學設計人員在對比了若干設計方案的基礎上,採用了一種離軸三反消畸變的光學系統設計方案。離軸光學系統對比同軸光學系統,在F數相同的條件下,離軸光學系統容易實現較高的傳函和較大的視場,畸變小、能量足且無遮攔,可以更好地實現高分辨率遙感測繪相機在大視場、低畸變、高穩定和高像質等方面的需求。

  楊居奎談到,高分七號雙線陣相機光學鏡頭組件面形及穩定性的保證難度很大,沒有任何裝調經驗可以借鑑。同時,各組件裝調公差均需保證在10秒以內,裝調精度要求極爲苛刻。研製團隊提早做工作,優化裝調和測試流程,編制高效詳實的測試細則,大量採用自動化或者半自動化的測試手段,測試方法更科學合理高效。

  有了合適指標的光學系統,只是邁出了長征的第一步。爲了實現此光學系統,在具體光機設計方面,研製人員比對了若干種方案後,選擇了一種盒式主框架結構設計,來力爭達到最大的穩定性效果。主框架的材料,選擇了碳碳化硅材料,這種材料膨脹係數小,熱穩定性能好,溼膨脹小,而且比剛度高,利於輕量化設計和複雜構型設計。

  高分七號雙線陣相機不僅分辨率高,圖像層次細節更多,成像幅寬還達到了20公里,爲製圖的高效性奠定基礎。

  專屬“攝影師”,細節不能差!

  溫度環境控制得好。高分辨率近似於零畸變的相機鏡頭在離地500多公里的軌道上工作,需要一個極爲穩定的溫度場環境,才能達到設計的高穩定性效果。實現這種穩定的溫度場環境,相機研製團隊雙管齊下,做到了合體的熱控設計以及精細的控溫實現。不但實現了溫度波動範圍僅1℃,而且還能保證穩定度控制在0.2℃範圍內。

  前視相機配了把“遮陽傘”。仿真階段,設計團隊發現前視相機在軌工作時,存在太陽光從一定角度照入鏡頭的時間段。這種情況會導致相機鏡頭內局部溫度急升,破壞相機鏡頭內部的溫度穩定狀態,從而影響相機成像效果和內方位元素穩定性,從而降低相機測繪製圖精度。同時,受體積、外形等因素的影響,傳統的固定式遮光罩無法滿足各方面的要求,爲此,設計團隊創造性地提出了可展開遮光罩的設計,就相當於爲相機定製了一把“遮陽傘”,在發射階段是收起來的,相機順利入軌後,地面會發出指令讓傘打開,爲前視相機的成像質量保駕護航,保證測繪圖像的精度。

  “從資源三號三線陣測繪相機到高分七號雙線陣測繪相機,我國測繪相機又上了一個臺階。雙線陣相機已經順利入軌,爲地球定製的大片我們拭目以待,測繪相機研製團隊也將繼續前進,爲國家測繪發展貢獻航天力量,爲我國遙感領域發展再立新功。”楊居奎說。

  來源:北京空間機電研究所

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