資源1號(hào)衛(wèi)星的紅外相機(jī)

李大耀

資源1號(hào)衛(wèi)星的主體為寬1.8米、長(zhǎng)2.0米和高2.15米的正六面體，主體一側(cè)帶有寬約5.3米、高約2.6米的太陽(yáng)能電池翼。為什么資源1號(hào)衛(wèi)星不象一般衛(wèi)星那樣對(duì)稱地安裝2個(gè)太陽(yáng)翼，而只帶有1個(gè)太陽(yáng)翼呢?其原因在于資源1號(hào)衛(wèi)星紅外相機(jī)的輻射致冷器的出口位于與安裝太陽(yáng)翼的側(cè)面相對(duì)稱的另一側(cè)面上。輻射致冷器是紅外相機(jī)的重要組件，它利用太空背景只有約4霞低溫度的特性，通過向外部空間輻射熱量來(lái)達(dá)到致冷的目的。為了確保輻射致冷器工作正常，要求輻射致冷器的散熱通道“三不見”(即：看不見太陽(yáng)，看不見地球，也看不見衛(wèi)星)。由此決定了資源1號(hào)衛(wèi)星只有1個(gè)太陽(yáng)能電池翼（見題圖）。

紅外成像的基本原理

資源1號(hào)衛(wèi)星的紅外相機(jī)是一種紅外線成像裝置。為了便于理解紅外相機(jī)，首先對(duì)紅外成像的基本原理作簡(jiǎn)單介紹。

什么叫紅外線

大家知道，光一般是指人眼能觀察到的電磁波。這部分可見光的波長(zhǎng)在0.77～0.39微米之間，由紅色(波長(zhǎng)0.77～0.622微米)、橙色(波長(zhǎng)0.622～0.597微米)、黃色(波長(zhǎng)0.597～0.577微米)、綠色(波長(zhǎng)0.577～0.492微米)、藍(lán)靛色(波長(zhǎng)0.492～0.455微米)和紫色(波長(zhǎng)0.455～0.39微米)這幾種色光組成。在可見光紫端之外、波長(zhǎng)為0.005～0.39微米的電磁波稱為紫外線，在可見光紅端之外、波長(zhǎng)為0.77～1000微米的電磁波稱為紅外線。紫外線和紅外線雖然人眼不能察覺，但能為光學(xué)儀器察覺到，而且它們和光一樣具有反射、折射和衍射等性質(zhì)。所以，一般把紫外線、紅外線甚至X射線也稱為“光”。

紅外線按波長(zhǎng)分為幾個(gè)譜段：近紅外(波長(zhǎng)0.77～3.0微米)、中紅外(波長(zhǎng)3～6微米)、遠(yuǎn)紅外(波長(zhǎng)6～20微米)和超遠(yuǎn)紅外(波長(zhǎng)20～1000微米)。

理論分折和實(shí)驗(yàn)表明，不僅太陽(yáng)光中含有紅外線，而且任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向外輻射紅外線。因此，紅外線是自然界中普遍存在的一種電磁輻射。

光線的透射窗口

大氣看上去似乎是透明的。但是，大氣中存在的各種氣體分子以及少量的水蒸氣和其它成份，會(huì)對(duì)在大氣中傳播的電磁波產(chǎn)生吸收、反射、折射、散射等作用。因此，大氣實(shí)際上只能透過一定譜段的電磁波。換言之，只有對(duì)那些能透過大氣的電磁波來(lái)講大氣才是透明的，而對(duì)于其他譜段的電磁輻射來(lái)講大氣并不透明。能透過大氣層的電磁波譜段稱為透射窗口

在紫外線－可見光－紅外線的范圍中，有以下4個(gè)透射窗口：

0.30～1.3微米窗口，它包括部分紫外線、全部可見光和部分紅外線，屬地物的反射波譜，即反射的太陽(yáng)光；

1.3～2.5微米窗口，它處于近紅外線范圍內(nèi)，仍為地物的反射波譜；

3.5～5.5微米窗口，它處于中紅外線范圍內(nèi)，為混合波譜，即地物反射或發(fā)射的電磁波；

8～14微米窗口，它處于遠(yuǎn)紅外線范圍內(nèi)，為地物的發(fā)射波譜，是物體在常溫下熱輻射能量最集中的譜段。

紅外成像裝置的工作譜段必須位于上述這4個(gè)窗口中，才能接收到地物反射或發(fā)射出的紅外信息。

紅外成像裝置的組成

這里的“成像”就是顯示地物目標(biāo)反射或發(fā)射的電磁輻射能量密度的分布情況。由于供攝影用的感光膠片只能對(duì)0.30～1.3微米的電磁輻射起作用，故要得到地物的紅外圖像就不能如可見光成像那樣通過膠片以深淺不同的黑色或色彩表現(xiàn)出來(lái)，而必須使用一定的紅外成像裝置。紅外成像裝置首先把接收到的地物的紅外輻射能量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再對(duì)這種電信號(hào)進(jìn)行處理和顯示，使其成為可見的圖像。因此，紅外成像裝置也稱成像儀，一般由紅外成像鏡頭、紅外探測(cè)器、電子電路和顯示器、致冷裝置等幾部分組成（圖一）。

紅外成像鏡頭為紅外線進(jìn)入成像儀的窗口，并將入射的紅外輻射進(jìn)行收集、會(huì)聚到紅外探測(cè)器的焦平面上。

紅外探測(cè)器是指能把紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，其中根據(jù)受光照射后，材料的電子狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致其電學(xué)性能改變的光電效應(yīng)的原理制成的探測(cè)器叫光電探測(cè)器。

電子電路用于將紅外探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度、功率放大和處理，以便最終能顯示出來(lái)。

傳輸與顯示器用于傳輸電子電路處理的電信號(hào)， 并顯示出地物目標(biāo)的紅外輻射特性或分布。

致冷裝置用于抑制系統(tǒng)的熱噪聲和保證銻化銦、碲鎘汞等致冷型探測(cè)器正常工作。

紅外成像裝置按成像的類型可分3類：點(diǎn)成像裝置、線成像裝置和面成像裝置。光學(xué)機(jī)械掃描儀是常用的線或面成像裝置之一。它通過光學(xué)部件機(jī)械運(yùn)動(dòng)的掃描，使地物目標(biāo)表面各點(diǎn)的紅外輻射按一定順序逐個(gè)聚集在紅外探測(cè)器上，其所用的探測(cè)器大多為光電探測(cè)器。當(dāng)光學(xué)機(jī)械掃描儀裝在衛(wèi)星等飛行器上時(shí)，它一邊隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、一邊進(jìn)行掃描，可以獲取到衛(wèi)星地面航跡左右一定幅度內(nèi)的地物目標(biāo)圖像。光學(xué)機(jī)械掃描儀的工作原理見圖二。

紅外相機(jī)及其主要性能

資源1號(hào)衛(wèi)星紅外相機(jī)的工作譜段有4個(gè)：1個(gè)在全色譜段，波長(zhǎng)0.50～0.90微米；2個(gè)在近紅外譜段，波長(zhǎng)1.55～1.75微米和2.08～2.35微米；1個(gè)在遠(yuǎn)紅外譜段，波長(zhǎng)10.4～12.5微米。該相機(jī)隨衛(wèi)星作軌道運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，其擺動(dòng)掃描鏡作與軌道運(yùn)動(dòng)方向相垂直的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

紅外相機(jī)由掃描儀主體、放大器、編碼器、配電器、遙測(cè)變換器、輻射致冷控制器和溫度控制器等組成，它是涉及到光學(xué)、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的復(fù)雜的工程項(xiàng)目。圖三為該相機(jī)示意圖。該相機(jī)獲取的地物輻射信息由工作于X波段的高碼速率數(shù)傳系統(tǒng)向地面發(fā)送。

資源1號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度約780公里，紅外相機(jī)掃描輻度為119公里，相機(jī)的像元分辨率遠(yuǎn)紅外譜段為156米、其他3個(gè)譜段為78米。

資源1號(hào)衛(wèi)星1986年正式開始研制。其紅外相機(jī)的性能與美國(guó)陸地4、5號(hào)地球資源衛(wèi)星的專題成像儀的性能雖有一定程度的差距，但在具體的技術(shù)途徑方面兩者有所不同。資源1號(hào)衛(wèi)星紅外相機(jī)在近紅外譜段探測(cè)器選擇、中繼光學(xué)系統(tǒng)、星上定標(biāo)系統(tǒng)和星上計(jì)算機(jī)等方面均有所創(chuàng)新。該衛(wèi)星紅外相機(jī)的總承制單位為中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間機(jī)電研究所。在研制過程中，研制人員解決了一系列技術(shù)難題。地面試驗(yàn)表明，該相機(jī)工作正常，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可用于飛行任務(wù)?！?/p>