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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

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高分二号的小相对孔径设计  

2014-08-22 15:15:11|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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高分二号卫星相机在国内首次采用了小相对孔径设计,主镜直径0.5米,焦距7.8米,相对口径为1/15.6,这比以前的资源二号和遥感二号等卫星1/10的相对孔径都要小。高分二号在630 km高度上实现0.8米的全色分辨率已经接近0.5米口径光学系统的衍射极限,考虑到能购买到的CCD性能,这应是一个合理而优秀的设计。

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   就航天光学成像遥感而言,用户最终得到的遥感图像的质量,不仅取决于光学遥感卫星,还取决于地面图像处理,而这两部分对图像质量的影响不同,提高图像质量使用的手段和需要的代价也不一样,因此,需要根据具体情况对航天光学遥感数据获取系统进行优化设计,主要是通过星地一体化优化设计达到星地较佳的匹配。优化研究结果表明,将较小相对口径的星载光学遥感器与地面图像复原处理或调制传递函数补偿(MTFC)手段配合使用,能够以相对较小的代价获取较高质量的图像。减小光学遥感器相对口径带来的主要益处包括:

    (1)在焦距一定的情况下,减小相对口径会使光学系统乃至整个光学遥感器的体积和重量减小,从而使卫星的体积和重量下降。卫星的体积和重量下降便于提高其敏捷性(姿态机动能力)。对于大口径、长焦距航天光学遥感器,在焦距一定的情况下,减小相对口径还会使光学系统、光学遥感器乃至整个光学遥感卫星的研制成本和技术风险显著降低,研制周期缩短。此外,发射成本也会随之下降。

    (2)对于欠采样光学遥感成像系统,在其他条件一定的情况下,减小相对口径可以使图像中的混叠成分减小,从而降低混叠对图像质量的影响。

    对于成像型航天光学遥感器,在其他条件一定时,光学系统相对口径越大,信号越强(信噪比越高)、MTF越高;反之,光学系统相对口径越小,信号越弱(信噪比越低)、MTF越低。光学系统相对口径减小导致的信噪比和MTF下降可以通过以下手段进行弥补:①利用图像复原处理或调制传递函数补偿(MTFC)手段,弥补光学系统相对口径减小带来的MTF下降;②采用高性能光电探测器、增加TDI探测器的级数以及低噪声信号处理技术,弥补光学系统相对口径减小引起的信噪比下降。

    比如,法国Pleiades卫星的光学系统口径为D = 0.65 m,相对口径约为1/20,整个卫星的重量970 kg。在695 km轨道高度,Pleiades卫星全色谱段的地面像元分辨率为0.5 m,多光谱谱段的地面像元分辨率为2 m。仿真结果表明,通过图像复原处理,Pleiades达到的图像质量能够与用口径D = 1.3 m光学系统获取的原始图像的质量相媲美。口径D = 0.65 m的光学系统与口径D = 1.3 m的光学系统相比,体积和重量显著减小,研制难度、成本和技术风险显著降低,研制周期明显缩短。与之相对应的卫星和光学遥感器的体积和重量也显著减小,研制难度、成本和技术风险显著降低,研制周期明显缩短,卫星的机动能力提高,卫星发射成本也比较低。

下图给出了Pleiades全色谱段原始图像、复原图像以及用口径D = 1.3 m光学系统获取的原始图像的仿真结果。

高分二号的小相对孔径设计 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
摘自:马文坡,《航天光学遥感技术》,中国科学技术出版社,2011
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