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空间遥感测绘光学系统研究

发表时间：2020/7/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：刘春南

[导读] 摘要：随着光学载荷分辨率的不断提高，遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。

        辽宁博荣勘测设计有限公司辽宁省沈阳市 110000
        摘要：随着光学载荷分辨率的不断提高，遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。光学载荷决定了测绘空间遥感器的分辨率、测绘精度、卫星平台体积与重量，是遥感器的核心部分。本文对高成像质量透射光学系统、同轴三反光学系统、离轴三反系统等常用的空间遥感测绘光学系统的结构形式和光学性能分别进行了介绍，并对处于研发阶段的新型空间反射光学系统的结构形式和光学性能进行了展望。分析认为，根据不同的应用环境和技术指标，合理选用不同种类的遥感测绘光学系统，可以最大程度利用平台资源，满足遥感测绘需求。
        关键词：遥感测绘;光学系统设计
        引言
        测绘卫星主要是可以进行立体测绘，其主要的任务就是对地面目标进行测量，测量出其各种物理和几何属性等。而在这其中，采用光学遥感立体测绘技术是最为普遍的一种现象。因为其有着高分辨率等特点，可以保证测绘的效果和效率。所以这种测绘技术在社会的发展中被广泛的应用。
        1遥感测绘光学系统的特点
        从20世纪90年代至今，美国、法国等先进国家相继发射了多颗遥感测绘卫星;我国也在近几年发射了以“天绘”为代表的新型遥感测绘卫星。随着技术的进步，当代遥感测绘主要呈以下发展趋势:从单线阵到多线阵，从低分辨率到高分辨率，从小幅宽到大幅宽，从有地面控制点到无地面控制点，从重访周期长到重访周期短。
        要实现高质量的遥感测绘就要进一步提高光学相机的光学性能，遥感测绘光学系统需要具备分辨率高、成像质量好和畸变小的特点。其中分辨率由光学系统的焦距和像元尺寸决定;成像质量由光学系统的传递函数决定;而畸变则取决于光学系统的结构和像差校正。因为要同时具备以上多条优点，遥感测绘光学系统的设计难度一般都比较大。
        像方远心光路是指通过光学系统的各视场出射光束主光线与光轴平行，出瞳位于无限远处。空间遥感测绘应用的光学系统可能会小幅度地移动像面进行调焦。像方远心光学系统由于各视场出射光束主光线与光轴平行，各视场像点的质心不会随像面的移动而产生变化，在移动像面调焦时不会引起像高的测量误差。因此，遥感测绘应用的光学系统要尽可能设计为像方远心光路。
        2光学遥感立体测绘技术综述
        随着科学技术的不断进步，传输型光学立体测绘卫星成为当今摄影测量卫星的主流趋势。因为它具有以下优点：（1）可以长时间在轨运行；（2）能够快速获取三维地理信息；（3）在轨寿命长，获取情报的时效性及时，可以直接形成数字影像。传输型三线阵CCD摄影测量卫星能够针对某一个固定的目标进行多角度、高频率的拍摄，此种方式最终所形成的目标信息是三维立体的形式。相较于其他测量卫星而言，传输型三线阵CCD摄影测量卫星具有明显的优势，如具有更稳定的相机几何结构，能够使立体影像的成像时间保持一致，并且在卫星平台稳定性相对较差时也能够正常运行。测绘卫星评价性能的关键是几何定位精度，对其造成影响的因素包括：（1）卫星的摄影基线误差；（2）相机自身的参数误差；（3）相机的载荷系统；（4）姿态角的误差；（5）轨道及姿态测量的精度；（6）传感器内部参数设置等。
        3同轴三反光学系统
        同轴三反系统是最先得到应用的全反射遥感测绘光学系统，美国近几年发射的Worldview系列和Geoeye系列一体化遥感卫星都是采用同轴三反结构。相比于透射系统，反射系统的温度适应性更好，更有利于空间遥感应用;由于不受二级光谱等色差的影响，并且反射元件口径更大，因此可以实现更长的焦距。
        同轴三反系统为全反射光学系统，不受色差影响，近轴像差校正能力强，焦距可以达到10m以上。光学系统筒长短、体积小，结构紧凑，以利于平台、载荷一体化设计。所有反射镜都是旋转对称曲面，加工、装调难度小。但同轴三反系统轴外像差校正能力弱，视场较小，不能满足大幅宽要求。

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系统中有中心遮拦，降低了系统传递函数，为了实现较高成像质量往往需要增大反射镜口径。为了满足长焦距要求并校正轴外像差，同轴三反光学系统结构比较固定，系统较难实现远心光路。
        4离轴三反光学系统
        离轴三反系统是近几年新兴的空间全反射光学系统，具有更好的光学性能和更广阔的应用前景。2001年，美国DigitalGlobe公司研制并发射的Quickbird是全球第一台采用离轴三反结构光学载荷的空间遥感卫星。与此同时，中科院长春光机所翁志成研究员领导的科研团队也对离轴三反系统的设计展开了系统研究。至今，已有多个遥感卫星平台采用这种先进的光学系统作为主要载荷，在轨运行稳定，图像清晰准确。
        离轴三反光学系统焦距较长，没有中心遮拦，可以在较大视场范围内实现较高的成像质量，满足大幅宽要求;光学系统畸变较小;可以采用光学设计方法实现像方远心，更有利于遥感测绘应用。同时，离轴三反系统也存在一定的不足，如:光学系统筒长较长，体积较大;主镜、三镜为离轴非球面，加工难度较大;装调难度也明显大于同轴系统。
        5发展趋势
        目前,遥感对地观测技术已经从中分辨率延伸到高分辨率,从单角度跨越到多角度和立体测绘,从空间维拓宽到光谱维。
        资源卫星发展计划的趋势是大、小卫星结合,光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率重复交叉,光学与微波并举,窄、宽视场兼有,已经进入到国际联合和全局优化发展的新阶段。一个高、中、低轨道结合,大、中、小卫星协同,粗、中、细、精分辨率互补的全球综合对地观测信息网络系统已经初步形成。
        空间光学技术、固态技术和计算机技术的进步推动着空间遥感技术的深刻变革,空间遥感器系统也变得日趋复杂,向着具有更高空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率,以及具有多时相、多用途的方向发展。遥感技术成为满足持续发展过程中连续、动态、不同尺度、不同精度和不同层次信息需求的必要手段。
        建立全球协调一致、全面而持续的综合对地观测系统,提供连续、完备、可共享、可比较和可理解的对地观测数据,是当今国际对地观测系统发展的共识。以体系的观点进行顶层设计,通过天、空、地系统的综合集成,实现信息资源的有效共享与综合利用,成为当今发展的重要特点。在主权所及范围内力图建成一个天、空、地一体化,高、中、低各种对地观测分辨率相辅相成的多维立体综合观测体系是各国的发展目标。
        结语
        当技术指标分辨率较低、幅宽较大时，透射光学系统体积小、结构紧凑、技术成熟，仍然具有较高的实用性;分辨率较高、幅宽较小时，为了减小系统体积，节约平台资源，实现星载一体化设计，可以采用同轴三反光学系统;分辨率较高、幅宽较大时，离轴三反系统具有明显性能优势，是最佳的空间遥感测绘光学系统结构形式;新型光学系统相比于传统结构在某些方面提高了光学性能，具有更广阔的应用前景，同时也还有需要解决的科学问题，尚待进一步分析和研究。
        参考文献
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        ［4］尤政，王翀，邢飞，等.空间遥感智能载荷及其关键技术［J］.航天返回与遥感，2013，34(1):34-43.现代电子技术，2015，38(6):105-107.
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