作者:吴昊 来源:中国科学报 发布时间:2016/3/1 11:41:44
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高分四号相机:守护神州的高能“天眼”

 

■吴昊

高分四号卫星是我国高分专项系列卫星之一,于2015年12月29日成功发射,2016年1月4日成功定点地球同步轨道,并在当日首次开机成像并下传数据。

距地面约3.6万公里的地球同步轨道高度,在这样的“高轨”区域照相,相机镜头十分关键。摄影爱好者通常将那些价格高、画质强的镜头称为“牛头”。据高分专项系统一位不便透露姓名的负责人介绍,高分四号相机配备的镜头是目前国际地球静止轨道最大口径的可见红外一体化镜头,不但看得清、看得远、看得广,而且能够同时获取可见光和红外图像,在夜晚和烟雾阻隔时也能实时对地成像。用火眼金睛般的“高轨牛头”来评价高分四号相机的镜头,一点都不为过。

高分四号相机诞生于北京空间机电研究所。孙大圣的火眼金睛在太上老君的炼丹炉里炼就,高分四号相机镜头也经历了研究所科研人员的千锤百炼。

“串糖葫芦”成就“高轨牛头”

制造“高轨牛头”,首先是镜片要过关。北京空间机电研究所相关负责人介绍,高分四号相机采用了碳化硅反射镜。碳化硅非常适宜制造反射镜镜片,但是其硬度仅次于金刚石,且属于脆性材料,非常容易破碎崩裂,磨制镜片是块难啃的“硬骨头”。科研人员透露,镜片采用了先进的磁流变加工技术,将超硬的碳化硅反射镜面形加工到纳米级精度。通俗地讲,面形的平均误差还不到一根头发丝直径的千分之一。

完美的镜片只是“高轨牛头”制造的第一步,装配过程也同样关键。高分四号相机镜头需要经过振动试验、热试验等重重考验,经受的冲击比航天员训练所受的冲击还要严格数倍,最后还需要经过火箭发射到太空,因此必须保证镜片的装配稳定可靠。

为了保证装配过程镜片不变形,科研人员采用了一种微应力装配技术,利用柔性支撑将娇贵的镜片与金属结构连成一体,装配前后镜片变形小于1纳米,即不到一根头发丝直径的万分之一。

有了镜片的完美铺垫,系统装校才是成就“高轨牛头”的核心环节。这个步骤有个通俗形象的名字——“串糖葫芦”,要将各个镜片像串糖葫芦一样,沿着看不见摸不着的光轴装配起来形成镜头。而高分四号相机与众不同,采用可见红外一体化成像设计,分出了多条光路,排布极其复杂,整个系统像是一整棵“糖葫芦树”。为了满足整个复杂系统的要求,科研人员采用全数字化装配技术,对所有装校过程进行密切监控,保证每片镜片都位于相应的位置,精度达到微米量级,可谓丝毫不差。

“高轨牛头”需要在地球同步轨道上使用,还需要验证在轨的成像质量。地面上有重力,而太空中是失重环境。如果重力造成的变形过大,镜头在轨时失重导致镜片位移,“天眼”就有可能变成“近视眼”。为了避免这种情况,科研人员采用先进的零重力验证技术,检测镜片因重力环境导致的位移。在地面重力环境下,他们经过准确的测试、标定、补偿,将重力影响完全排除,获取在轨真实的成像质量,保证了高分四号“天眼”在太空中真正如火眼金睛。

“高轨天眼”极大提升分辨率

据了解,在高分四号之前,国际上地球同步轨道光学相机可见光分辨率最高为500米,高分四号的加入令这个指标提升了10倍,相当于以前我们从地球同步轨道上只能看到首都国际机场,而现在可以轻松找到国家大剧院。

高分专项系统工程总师、国防科工局重大专项工程中心主任童旭东曾表示,高分四号卫星同时具有高时间分辨率和高轨高空间分辨率的优点,能够满足对像灾害实时监测与风险预警、森林火灾监控、台风形成过程监测和机理研究、地震构造信息提取与监测等需要高频次连续观测的应用需求。

据悉,在防灾减灾监测工作中,高分四号相机将为地面提供更加丰富的信息。它不仅能够知悉受灾区域有多大,还能了解有没有起火,甚至能排查出温度异常的潜在火点隐患。同时,相机的红外成像能力可以保证全天对地观测,就像给地球安装了一台昼夜工作的火灾报警器。

这些功能都要归功于高分四号相机不同于以往太空相机的一大特点——高轨面阵凝视成像的全新成像方式。据介绍,这样的成像方式意味着相机可以在任何时刻盯着地面上的区域进行观测。这就好比我们有了一座太空摄影工作室,想什么时候拍照、拍多久都可以,拍照片还是拍视频随便选。

而以往的太空相机只能定时拍照,无法获取目标运动的信息。现在利用高分四号相机的准视频成像功能就可以轻松记录目标运动轨迹,获取目标运动的方向和速度,为灾害发展预测以及气象预报提供更为有效直观的数据。

能够适应大宽幅复杂目标观测

北京空间机电研究所科研人员表示,高分四号相机配备的大规模面阵CMOS探测器和大规模面阵红外探测器及视频电路,可以实现400公里见方区域的拍照。以往的低轨道太空相机一次看得下北京城,而高分四号相机能一眼装下河南省。

利用这种大幅宽连续凝视成像功能,相机可以获得区域气象要素的云视频,可大幅提升区域气象预报的精度,现在的气象预报能精确到北京某个区,未来利用高分四号相机的图像,气象预报有望能精确到某条街道。

地球上监测目标十分复杂,进行高清成像的相机必须具备强大又灵活的亮度适应功能。就像单反相机具有光圈和曝光时间调整能力一样,高分四号相机也可以通过积分时间调整技术控制曝光时间,使相机既可以看清低亮度水面上的船只,同时也能对高亮度的白云清晰成像。

利用这一功能,高分四号相机可以在有效地为灾害监测服务的同时获取高质量的气象云图,为气象预报提供及时连续的数据支持,真正实现我国高轨全天时、高分辨率对地观测能力,开创天基气象监测新时代。

我国是一个自然灾害频发的国家。童旭东认为,无论地理位置还是国土面积,都适合发展像高分四号卫星这样的高轨高分辨率遥感卫星。而高分四号相机配备的许多技术,不仅开创了多项国际第一和国内首次,更将人类对家园认知的能力带到了“高轨高分辨率”时代。

《中国科学报》 (2016-03-01 第8版 首都科技)
 
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