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1 引言
空间遥感技术是衡量一个国家科技水平的重要指标,也是各个国家必须掌握和极力发展的技术,广泛应用于**侦察勘探、环境与灾情监测、气象预报、摄影测绘、农业发展等领域。随着空间遥感技术的不断发展,人们对光学遥感器分辨率的要求也不断提高[1],而光学镜头会直接影响遥感器的成像效果和体积规模,很大程度决定了整个遥感器方案的优劣[2]。可见光遥感相机是近年来发展的重点,其遥测感知能力是高效率获取地球信息的关键。线阵推扫式空间光学系统是获取高分辨率卫星影像的主要方式[3],但线阵CCD相机受卫星振动、姿态变化等因素的影响,难以保证图像的保真度。且其时间分辨率受卫星重返时间的影响,难以适应高时间、空间分辨率的发展趋势。因此对地持续观测能力强的视频遥感相机成为高分辨率遥感领域重要的研究方向。
2014年美国发射的首颗低轨道微纳视频卫星SkySat采用马卡结构,地面分辨率为0.9 m[4]。2006年以色列与法国合作发射的对地观测小卫星VENμS,采用传统的两镜折反结构使地面分辨率达到了m级[5]。2014年9月中国国防科技大学研制的试验卫星“天拓二号”发射升空,可拍摄分辨率为5 m的黑白视频[6]。2015年10月,中国长光卫星公司发射的“吉林一号”,采用卡塞格林结构,可拍摄分辨率为m级的全彩视频[7-8]。
目前提高卫星空间分辨率的方式主要有增长光学系统的焦距和降低卫星运行轨道的高度。因后者受电子技术和卫星技术的限制,所以通常使用第一种方式。但增加光学系统的焦距容易导致相机的体积增大、质量增加,而微小卫星的承载能力有限。为了在提高地面分辨率的同时,考虑成本和小卫星平台的适用问题,需要设计体积小、质量轻,且能对面视场成像的长焦光学系统。
主三镜一体化结构在中国科学院成都光电所、大型综合巡天望远镜(LSST)均有应用,但地基光电成像系统,相对于空间光电系统,体积、质量要求较为宽松。成都光电所的主三镜一体化结构,三镜占主镜口径大,遮拦比较大。LSST虽然采用了主三一体化设计,但其基本形式为带有校正镜组的卡塞格林式光学系统,其筒长焦距比约为1/3[9],难以满足微小卫星的实际应用需求。因此本文提出了一种超紧凑型主三镜一体化的多反射镜互嵌式同轴光学系统。根据信噪比计算系统模型,通过合理分配各反射镜的光焦度、二次系数和镜间距,完成全谱段成像的全反射式和小遮拦比设计,在不降低光学系统成像质量的同时,压缩了光学系统的体积和质量。该系统相比传统光学系统在形式和筒长焦距比上均有较大提高,可有效解决高空间分辨率和卫星小型化之间的矛盾。通过主三镜一体化结构,将四镜系统变成两镜系统,系统装调自由度减少到6个,大大降低了装调难度[10]。同时将主镜、三镜的背部支撑结构合二为一,对低轨轻小型高分辨率动态遥感视频卫星光机结构的轻量化设计有重要意义。
2 总体指标要求和光学参数
根据应用需求,光学成像要求的相机总体指标:
1) 谱段范围为400~750 nm;
2) 相机幅宽优于12 km;
3) 调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率处优于0.26;
4) 像元尺寸为6.4 μm×6.4 μm;
5) 地面分辨率优于1.8 m;
6) 系统尺寸优于250 mm×250 mm×200 mm;
7) 信噪比(SNR)大于25 dB。
地面分辨率g与探测器像元p的关系为
式中,H为卫星轨道高度,取500 km,代入相机指标可求得焦距f=1750 mm。设地面幅宽z=12 km,则H与半视场角w之间的关系为
由(2)式求得相机视场角2w=1.4°。奈奎斯特频率fn与像元尺寸p的关系为
代入相机指标可求得fn=78 lp/mm。
3 光学系统方案分析
轻小型高分辨动态遥感视频卫星的光学系统需具备焦距长、视场大、体积小、质量轻等特点。长焦距透射式系统,透镜口径大不利于加工和装调,且需要较多的透镜校正二级光谱色差,系统的体积和质量大,与微小卫星轻量化的设计理念相悖。而反射式光学系统需要的光学零件少,不存在色差,且结构紧凑、简单,容易实现轻量化。两反光学系统结构简单、易装调,但自由变量较少,在大的相对孔径下像质较差。因此可通过增加反射镜数量来增加自由变量,产生三反系统、四反、五反等系统,增强消除像差能力。三反系统具有同轴三反和离轴三反两种形式,相比两反系统,可以同时校正四种初级像差。离轴三反系统能避免中心遮拦,在空间相机中应用广泛,但结构松散容易导致系统在垂直方向的尺寸较大,难以满足微小卫星的应用需求。因此实验采用同轴方案设计光学系统,由于同轴三反、四反系统的横向距离较长,需利用折轴反射镜,系统复杂。所以将同轴四反系统的三镜与主镜一体化,用次镜充当四镜,得到主三镜一体化的光学系统。
同轴系统的孔径存在中心遮拦,导致有效通光孔径减小,而光学系统的MTF值受限于系统的F数、工作波长和有效通光口径。因此,中心遮拦会引起同轴系统的MTF值下降[11]。
表 1. 系统遮拦比与MTF的关系
Table 1. Relationship between system blocking ratio and MTF
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4 光学系统设计
同轴主三镜一体化结构是由同轴四反结构演变而来,
系统共有6个自由变量:α1、α2、α3、β1、β2、β3,分别为次镜对主镜的遮拦比、三镜对次镜的遮拦比、四镜对三镜遮拦比、次镜放大率、三镜放大率、四镜放大率。
表 2. 结构参数
Table 2. Structural parameters
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式中,h1、h2、h3、h4分别为主镜、次镜、三镜、四镜的半径,u2、u3、u4分别为次镜、三镜、四镜的物方孔径角,u'2、u'3、u'4分别为次镜、三镜、四镜的像方孔径角。
设系统的孔径光阑在主镜上,系统焦距为f1,根据高斯几何光学对光学系统初始结构进行求解,则主镜曲率为
次镜曲率为
三镜曲率为
四镜曲率为
主镜到次镜间距为
次镜到三镜间距为
三镜到四镜间距为
四镜到像面距离为
由赛德尔像差理论可知,光学系统的像差系数SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ、SⅤ是关于α1、α2、α3、β1、β2、β3以及四个反射镜的二次曲面系数-
令SⅠ=SⅡ=SⅢ=SⅣ=SⅤ=0,且SⅠ=SⅡ=SⅢ=SⅤ=0可求得4个二次项系数
当系统的焦距、口径和系统尺寸等相关参数给定时,选择合理的αi、βi给各反射镜分配光焦度,完成系统初级像差的校正。
对于主三镜一体化结构,初始结构参数需满足的条件:1)d2=-d3;2)r2=r4;3)
为了实现光学系统的小遮拦比设计,需约束主三镜一体化结构的遮拦比。根据以往设计经验,取次镜对主镜遮拦比α1=0.25[14]。由近轴光线追迹轴外视场光线,根据主镜半口径h1与半视场角w可求出次镜h2半口径为
光学系统总长L由次(四)镜到三镜的距离d2与后工作距LX决定,可用次镜对主镜遮拦比、四镜对三镜遮拦比、三镜放大率及主镜到次镜距离d1表示为
联立(4)式、(10)式、(16)式可得
次镜对主镜遮拦比α1,三镜对次镜遮拦比α2可由主镜到次镜的距离d1与三镜放大率β2限制。由F数、后工作距与主镜到次镜的距离可以求得h1、h2、h3和一组确定的初始结构参数r1、r2、r3、r4、d1、d2、d3、d4。
对主三镜一体化光学系统的信噪比进行分析,从而确定系统的F数。在太阳高度角为30°,地表反射率为0.05的光照条件下,用MODTRAN进行仿真计算得出不同波长的辐射亮度图,如
在入瞳亮度已知时,设τ为光学系统反射率,Tint为曝光时间,RCMOS为互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器量子效率,σs为散粒噪声,σd为暗电流噪声,σr为实际测量的电子噪声,V为卫星对地飞行速度,可得出信噪比的数学计算模型[15]
根据信噪比数学模型,可求得在太阳高度角30°,地表反射率为0.05,RSN≥25 dB时,F数小于7,与三镜对主镜遮拦比α3=α1α2小于0.45。得到一组初始光学结构为
(19)式中的光学参数均以mm为单位,当四镜系统近似变为二镜系统,系统中可优化自由变量减少,为获得更好的像质需适当增加主镜上的高次非球面。
由
MTF是评价光学系统性能的参数[16]。如
系统场曲及畸变图如
图 6. 系统的场曲及畸变图。(a)场曲;(b)畸变
Fig. 6. Field curvature and distortion of the system. (a) Field curvature; (b) distortion
5 公差分析
光学系统的公差直接影响了光学系统的可加工性,加工、装调误差会影响实际光学系统的成像质量,因此在光学系统设计完成后,还需对公差进行分析,确保其可实现性。将MTF值作为公差敏感度,通过分析元件倾斜、偏心、镜间距以制定合理的公差,
根据加工难度,将光学系统曲率半径加工误差控制在1个光圈范围内,根据各反射镜的公差影响因子合理分配各光学组件的参数,令倾斜公差为-5″;偏心公差为-2 μm;主镜次镜的间距公差为-2 μm,次镜三镜的间距公差为-4 μm。进行500次蒙特卡罗数值分析,结果如
表 3. 蒙特卡罗的分析结果
Table 3. Monte Carlo analysis results
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6 结论
针对高分辨率动态遥感微小卫星的应用需求,基于赛德尔像差理论,设计了一种主三镜一体化的同轴四反光学系统。在满足微小卫星系统信噪比优于25 dB实际成像需求下,对焦距为1750 mm,成像全视场角为1.4°,相对孔径为1/7的光学系统进行验证实验。该系统重复利用次镜,将镜面数量由4面减到2面,相比LSST系统去除了校正镜组,装调自由度数量由18个减少到6个,大大减小了装调难度和结构的体积、质量,实现了光学系统的轻量化;增加遮拦后,全视场MTF在奈奎斯特频率处优于0.26,成像质量优良。实现了长焦距下,系统的超紧凑化、小遮拦比,筒长仅为焦距的1/8.75,相比LSST系统提高了2.92倍,对空间高分辨率微小卫星光学系统的超紧凑化设计具有重要意义。
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