[科普中国]-航天光学遥感

基本原理

地球表面接受太阳光的辐照后，带有地表图像信息的反射光经过大气层，进入光学遥感器，在光学系统像面上，形成目标景物的像，并被接收器接收，经进一步处理后便可得到图像产品。航天光学遥感的成像方式、图像信息的类别和用途等如右图所示。图中的GSD为地面像元分辨率，是英文ground sample distance的缩写，即接收器上的像元间距对应于地面上的尺寸。GSD大于1m时，作为军事侦察普查用；小于1m时，则可作为详查之用。按图像信息的类别，航天光学所用光学仪器分为两类：一类用以获得地面目标的黑白图像，称为全色相机或全谱相机，主要提供目标的空间特征；另一类用以获取在多个不同波段处的图像，称为超/多光谱成像或成像光谱技术。常用的成像方式有凝视和扫描两类。扫描方式又分为全景式、刷扫式及推扫式三种。全景式扫描每次曝光得到目标局部的二维图像，随着相机与地物间的相对运动，在感光快门控制下，获取多幅局部图像，经拼接处理后，得到完整图像。目前使用最多的是刷扫式和推扫式，都是线视场扫描方式。推扫和刷扫相机都只需要一维探测器，也只需要光学镜头仅在线视场内具有好的成像质量。光学系统和探测器的结构较简单，特别是推扫方式成像不需要机械扫描，而是借助平台的飞行和地球的自转来实现扫描，用一维线阵探测器就能得到物体的二维时间信息。在这种方式下，若采用二维探测器将易于实现高分辨率的光谱成像。

航天光学遥感的主要参数指标为：

1、轨道高度，即飞行器在工作时离地面的高度，100～ 1000km为低、中轨道，1000km以上为高轨道；

2、刈幅宽度，为一次照相时能拍摄到的地面范围，这取决于轨道高度和遥感器的视场角；

3、工作谱段，这需由用途决定；

4、地面像元分辨率，这是很重要的指标，与像元尺寸、轨道高度和光学系统焦距有关；

5、质量和体积；

6、功耗。1

航天光学遥感设备的光学系统全色成像全色遥感相机的光学原理如右图所示。航天相机的焦距远小于卫星轨道高度，可认为相机离地面目标物体无穷远，因而可认为是一种望远物镜。地面物点发出的光以平行光进入望远物镜，经会聚后，在焦平面形成目标的像，形成的光学像可用多种探测器接收、记录。

全色相机使用的光学系统有折射式、折射-反射式、纯反射式等三种类型。折射式光学系统较适用于可见光和近红外光，全部由反射光学元件组成的纯反射系统适用于全波段。在紫外和中、远红外波段，使用含有折射元件的光学系统时，需要考虑折射材料对光的吸收。

地面物体在望远照相物镜焦面上所成像的大小与其焦距成正比，焦距越长，地面目标看得越清楚。然而，由于衍射效应，点物的像不是一个点，而是一个斑，为了看清物体的细节，必须使点物的像斑足够小，以使两相邻物点的像能分开。由于像斑的大小正比于光学系统的F数或相对孔径的倒数，因此增大焦距的同时，必须增大口径，才能保证具有足够高的空间分辨率。但另一方面，口径和焦距的增大会使光学系统的体积、质量增大，发射成本提高，光学设计和制造难度加大，所以，必须综合考虑，选择适当的光学系统和成像方式。

折射式光学系统较适合于视场大、分辨率要求低、焦距较短及通光口径不大的场合。右图是地面反射光偏振和取向特性探测仪的光学系统，为折射式光学系统。

随着分辨率要求的不断提高，要求光学系统的焦距越来越长，对于折射系统来说，存在着一些难以克服的困难。元件的通光口径、系统的体积和质量要相应地增大，获得大尺寸光学均匀的材料较困难；二级光谱正比于焦距，随着焦距变长，其影响难以消除。因此，越来越多地采用折射-反射混合式或纯反射式结构。

折射-反射式系统具有外形尺寸小、孔径和视场较大的优点。主要由反射镜产生所需的光焦度，而用无光焦度的多块折射元件校正像差，扩大视场，因此，不会带来色差。

光谱成像由光学成像和分光技术相结合形成的一种新的探测技术，不仅能提供地面目标的空间信息，还能提供光谱信息。光谱成像的目的就是要得到（x，y，λ）三维空间中每一点的光强值I（x，y，λ）。这样的三维分布可看出由一系列λ为常数的三维单色像I（x，y）构成。

右图是一种棱镜式分光成像光谱仪的光学系统，主要由前置望远成像和两个成像光谱仪子系统组成。前置望远镜使用无遮拦消像散齐明五球面反射系统，在望远镜的焦平面上实现光谱段分离，将可见-近红外和短波红外谱段分别耦合到两台结构相似的成像光谱仪上。2

航天光学遥感的发展趋势当前航天光学遥感技术呈现出主要向两个方向发展的趋势，一方面为了降低制造和发射成本，提高可靠性，向微、小型化方向发展，卫星的重量在几十到几百公斤之间；另一方面，为了提高地面分辨率和增加地面刈幅宽度，要求增大光学系统焦距和扩大视场角，光学遥感器向大型或巨型化方向发展。天际作为除陆、海、空以外的第四个领域，是各国探索、研究和竞争的一个重要领域。航天光学遥感技术是当今世界获取信息的重要手段，它涉及到国计民生，涉及到宇宙的探索和新的物理现象的研究，也涉及到国家安全，各国都竞相研发，未来航天遥感技术必将有更大的发展。