环境卫星有效载荷——红外相机
环境卫星有效载荷——红外相机
红外相机将来自地球表面环境地物的红外反射及辐射信号，经光学系统会聚镜成像到线列探测器上，完成光电信号的转换。
探测器输出的电信号进行数字处理形成数字信号，并进行均匀性校正，形成近红外、短波红外、中波红外和长波红外四个红外通道4个通道的红外图像数据。
红外相机有近红外、短波红外、中波红外和长波红外四个红外通道，波段跨越0.75μm～12.5μm，光学口径200mm。
红外相机的光路结构如图3.3-4所示，由主光学系统、后光学系统及其光学薄膜元件组成。
环境目标信号经双面旋转扫描反射镜反射，进入同轴光学系统，以准平行光出射。
分色片D1反射中长波红外波段，透射近红外短波红外波段，分色片D2反射近红外波段，透射短波红外波段。
由各通道透镜组将信号会聚成像于各自对应的探测器组件上。
各探测器焦平面组件均由探测器线列镶嵌以滤光片构成，以响应各光谱波段的信号，并形成4个光谱通道。
中红外、长波红外两个线列探测器集成到同一个焦平面上，由一台斯特林制冷机进行制冷，制冷温度95K。
红外相机主要包括1台红外相机光机扫描头部、1台红外相机信息处理箱和1台斯特林制冷机控制箱。
选择同轴两反的卡塞格林系统作为主光学系统。
系统的主镜为抛物面，副镜为双曲面，校正了系统的球差。
主镜筒采用材料为殷钢，主镜采用石英材料。
望远镜筒与副镜支架为一体化设计，这样加强了主镜与副镜的配合精度。
副镜支架的肋板设计成倾斜面。
在望远镜系统中，机械保证主镜和副镜安装后的同心度。
红外相机成像方式选择多元并扫式。
探测器采用多元器件，不同于推扫式的是多元探测器成像不是在穿轨方向而是在沿轨方向同时成像，其优点是在大的刈副宽度下可以有效地提高系统的探测灵敏度。
考虑到滤光片与探测器组合的分光方式在结构上比较紧凑，光学效率高，因此采用分色片先把近红外、短波红外波段与中红外、长波红外波段分离开，再通过各自的后光学系统会聚到滤光片-探测器组件上，形成红外相机所需要的4个探测波段。
红外相机4个波段均采用自制的线列探测器，并采用校正黑体来代替冷空间，利用相机底板上参考黑体和侧壁上校正黑体两点，同时实现星上辐射基准和相机在轨的辐射校正。
根据卫星系统要求，主要利用红外相机所获得的红外谱段的辐射信息探测陆面、水体和大气的热状况。
红外相机具体技术技术性能和指标如下表所示。
项目指标
星下点像元分辨率150m(B1、B2、B3) ； 300m (B4)，
刈宽(km)720
扫描视场角± 29°
谱段(μm)0.75～
1.10
1.55～
1.75
3.50
～3.90
10.5
～12.5
MTF0.280.270.260.25辐射分辨率（Ne△ρ或0.5%0.5%≤ ≤
NE△T）1K(@400K)1K(@300K)
谱段辐射景最大值
9.32mW/
(cm2²Sr)
0.89mW/
(cm2²Sr)
500K340K 最小值------300K200K
中长波红外星上定标精
度
------2K2K
近短波红外地面定标精度相对定标精度5%，
绝对定标精度10%
------
配准精度0.3 IFOV
量化比特数(bit)10
数据率(Mbps)7.5 (四谱段下传)制冷温度85K。
遥感卫星传感器参数
SPOT卫星SPOT卫星是法国空间研究中心（CNES）研制的一种地球观测卫星系统。
“SPOT”系法文Systeme Probatoire d’Observation dela Tarre的缩写，意即地球观测系统。
目录1卫星简介2卫星参数2.1 轨道参数2.2 观测仪器2.3 数据参数2.4 谱段参数2.5 数据应用范围3传感器特点4发展历程4.1 SPOT-14.2 SPOT-44.3 SPOT-51卫星简介Spot系列卫星是法国空间研究中心，（CNES）研制的一种地球观测卫星系统，至今已发射Spot卫星1-6号，1986年已来，Spot已经接受、存档超过7百万幅全球卫星数据，提供了准确、丰富、可靠、动态的地理信息源，满足了制图、农业、林业、土地利用、水利、国防、环境、地质勘探等多个应用领域不断变化的需要。
[1]2卫星参数轨道参数Spot卫星采用高度为830km，轨道倾角为98.7度的太阳同步准回归轨道,通过赤道时刻为地方时上午10：30，回归天数（重复周期）为26d。
由于采用倾斜观测，所以实际上可以对同一地区用4～5d的时间进行观测。
观测仪器Spot1，2，3上搭载的传感器HRV采用CCD（charge coupled device )S作为探测元件来获取地面目标物体的图像。
HRV具有多光谱XS具和PA两种模式，其余全色波段具有10m的空间分辨率，多光谱具有20m的空间分辨率。
Spot4上搭载的是HRVIR传感器和一台植被仪。
pot5上搭载包括两个高分辨几何装置（HRG）和一个高分辨率立体成像装置（HRS）传感器。
[1]数据参数Spot的一景数据对应地面60km×60km的范围，在倾斜观测时横向最大可达91Km，各景位置根据GRS（spot grid reference systerm)由列号K和行号J的交点（节点）来确定。
各节点以两台HRV传感器同时观测的位置基础来确定，奇数的K对应于HRV1，偶数的K 对应于HRV2。
环境与灾害监测光学有效载荷发展综述
２１年 ｌ ００ ２月
航 天返 回与 遥感
Ｓ ＡＣＥＣＲＡＦ Ｐ Ｔ ＲＥＣ ０ＶＥＲＹ ＆ ＲＥ ０ＴＥ Ｓ Ｍ ＥＮＳＮＧ Ｉ ３ｌ
环 境 与 灾害 监 测 光 学 有效 载 荷 发 展综 述
李 潭 沈 中 宁 蔚
１０ ９ ） ００ ４ （ 天 东 方 红卫 星有 限公 司 ， 京 航 北
Ｆｏ ｅ ａ ｔｎ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ Ｏｐｔｃ ｌＰａ ｌ ａ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔＲｅ ｅ ｉａ ｙ ｏ ｄ Ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｎ ｖ ｗ ｉ
Ｌ ｎ Ｓ ｅ ｈ ｎ Ｎｉｇ Ｗ ｅ ｉＴａ ｈ ｎ Ｚ ｏ ｇ ｎ ｉ
（ ｎ ｆｎｈ ｎ ａｅｌｅＣ ．ｔ． ｅ ｉｇ １（ ９ Ｃ ｉａ Ｄｏｇａ ｇ ｏｇＳ ｔｌｔ ｏ Ｌｄ ，Ｂ ｉｎ ０１ ４， ｈｎ ） ｉ ｊ ０
Ｓ ａ ｅ ｒ ｍｏｅ ｓｎ ｉ ｇ ｐ ｃ ｅ ｔ ｅ ｓｎ
Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔｒｖｅ ｖ ｌｐ ｎ ｅ ｉｗ Ｓ ｔｌｉ ｐ ｌｃ ｔ ｎ ａｅｌｔ ａ ｐ ｉａｉ ｅ ｏ
１ 引 言
近年来 ， 随着 全球经 济 、 会 、 社 文化 、 治等 领 域 的 发展 与 工业 化 、 政 城市 化 、 场 化 、 息化 、 际化 进程 市 信 国 的加快 ， 日益严 峻 的人 口、 资源 、 害 、 境 等 问题 已经 成 为人 类 生 存 与发 展不 可 回避 的重 要 问题 。在 全球 灾 环 气候变 化背景 下 ， 自然灾 害风 险加剧 ， 害形 成 机 制 、 生规 律 、 灾 发 时空 特 征 、 失程 度 、 响 深度 和 广 度都 出 损 影
现了新变 化和新 特点 。通 过 遥感 技 术 对 环境 与 灾 害 进 行监 测 是 解 决 当前 面 临 问题 的最 佳途 径 。２０ 年 ９ ０８ 月 ６日， 国“ 箭双星 ” 我 一 成功 发射 了“ 境与灾 害 监测 预报小 卫星 星座 ” 环 的两颗 光学 星 Ⅲ 一１ Ｂ星ｌ ， 载 Ａ、 １搭 １
HJ星参数
HJ星：
环境与灾害监测预报小卫星星座A、B星(HJ-1A /1B星)于2008年9月6日上午11点25分成功发射，HJ-1-A星搭载了CCD相机和超光谱成像仪（HSI），HJ-1-B星搭载了CCD相机和红外相机（IRS）。
在HJ-1-A卫星和HJ-1-B卫星上均装载的两台CCD相机设计原理完全相同，以星下点对称放置，平分视场、并行观测，联合完成对地刈幅宽度为700公里、地面像元分辨率为30米、4个谱段的推扫成像。
此外，在HJ-1-A卫星装载有一台超光谱成像仪，完成对地刈宽为50公里、地面像元分辨率为100米、110～128个光谱谱段的推扫成像，具有±30°侧视能力和星上定标功能。
在HJ-1-B卫星上还装载有一台红外相机，完成对地幅宽为720公里、地面像元分辨率为150米/300米、近短中长4个光谱谱段的成像。
各载荷的主要参数如表1所示。
HJ-1-A卫星和HJ-1-B卫星的轨道完全相同，相位相差180°。
两台CCD相机组网后重访周期仅为2天。
其轨道参数如表2所示。
表2 HJ-1-A、B卫星轨道参数。
中巴资源卫星特点
中巴资源卫星特点中巴地球资源卫星（代号CBERS ）是1988年由中国、巴西在中国资源一号原方案基础上共同投资，联合研制的。
有效载荷舱有CCD 相机、红外扫描仪（也称红外相机）、宽视场相机、图像数据传输、空间环境监测和星上数据收集（DCS ）等分系统。
星上三种遥感相机可昼夜观察地球，利用高码速率数传系统将获取的数据传输回地球地面接收站，经加工、处理成各种所需的图片，供各类用户使用。
由于卫星设置多光谱观察、对地观察范围大、数据信息收集快，并宏观、直观，因此，特别有利于动态和快速观察地球地面信息。
中巴资源卫星项目是由多颗卫星组成的系列星,除了已发射的01星、02星,02B 星之外,03星、04星的研制工作也正在进行,而且后续05星、06星的研制项目也已经进入论证阶段。
CBERS-01中巴资源卫星CBERS-01 中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射，是我国的第一颗数字传输型资源卫星卫星参数：太阳同步轨道 轨道高度：778公里,倾角:98.5o 重复周期：26天 平均降交点地方时为上午10：30 相邻轨道间隔时间为 4 天扫描带宽度:185公里星上搭载了CCD 传感器、IRMSS 红外扫描仪、广角成像仪，由于提供了从20米—256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据，成为资源卫星系列中有特色的一员。
CBERS-02中巴资源卫星：CBERS-02星于2003-10-21发射成功,目前仍在运行。
CBERS-02卫星上有3个传感器:多波段摄像机 (CCD, charged coupled device)、宽视场成像仪 (WFI, wide-field imager)及红外多光谱扫描仪 ( IRMSS, infrared multi-spectral scanner)。
其中, CCD与WFI为可见光/近红外传感器。
CCD、WFI及IRMSS的一些参数如下。
卫星参数：CBERS-02B 中巴资源卫星:CBERS-02B 中巴资源卫星于2007年9月19日由长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心发射升空。
HJ卫星主要技术指标
4主要技术指标
4.1 轨道
表1-轨道主要技术指标
4.3 有效载荷
4.3.1宽覆盖多光谱可见光相机
HJ-1-A，HJ-1-B星上均装载有宽覆盖多光谱可见光相机，主要技术指标如表3。
表3-覆盖多光谱可见光相机主要技术指标
4.3.2超光谱成像仪
超光谱成像仪装载在HJ-1-A卫星上，主要技术指标见表4。
观
测模式：星下点垂直观测、左右侧摆倾斜观测。
表4-超光谱成像仪主要技术指标
4.3.3红外相机
观测模式：星下点垂直观测。
红外相机装载在HJ-1-B卫星上，主要指标见表5。
表5-红外相机主要技术指标
4.3.5 S-波段合成孔径雷达
S-波段合成孔径雷达装载在HJ-1-C卫星上，主要指标见表7。
表7-S-波段合成孔径雷达主要技术指标
4.6 工作模式
表9-有效载荷工作模式主要技术指标
4.7卫星寿命
卫星寿命：≥3年
HJ-1-A 卫星Ka通信试验寿命：≥1年。
航天光学有效载荷的发展动态
面向21世纪的航天光学有效载荷的发展动态报告内容一、航天光学有效载荷概念二、国内外发展概况三、发展动态一、航天光学有效载荷概念航天光学有效载荷概念卫星有效载荷卫星平台结构与机构热控制电源姿态与轨道控制卫星测控有效载荷是卫星中直接执行特定任务的分系统，是卫星的核心部分，是决定卫星性能水平的主要分系统。
光学有效载荷是利用光学谱段获取目标信息的航天有效载荷，又称为光学遥感器，航天相机。
光学有效载荷是集光学、精密机械、电子、热控和航天技术等多学科为一体的综合性高科技产品。
在信息技术中属于上游的源头技术。
航天光学有效载荷1958年前苏联发射第一颗卫星后，美苏开始研究把光学有效载荷装在卫星上，实现对地侦查。
1960年至今，针对军事、陆地资源、气象、海洋、天文等不同的观测目标，发展了军事侦察卫星、测绘卫星、导弹预警卫星，资源卫星，气象卫星，海洋卫星，天文卫星等各种卫星，研制了针对各自目标的光学有效载荷。
航天光学有效载荷分类航天光学有效载荷天文卫星军事卫星资源卫星气象卫星海洋卫星空间望远镜侦察相机测绘相机多光谱CCD 相机多光谱光机扫描仪多通道扫描成像仪扫描成像大气探测仪CCD 成像仪海洋水色仪超光谱成像光谱仪导弹预警相机对天观测对地观测深空探测月球探测有效载荷火星探测有效载荷二、国内外发展概况——国外现状侦察相机航天光学有效载荷起源于军事应用。
侦察相机的研制水平代表了航天光学有效载荷的最高水平。
1960年美国KH-1普查型照相侦察卫星发射成功，标志着这一技术在军事领域应用的开始，开创了航天遥感事业。
目前美国的水平最高，其次是俄罗斯，法国、以色列、印度等国家。
国家卫星分辨率美国KH-120.1m俄罗斯阿尔康优于0.5m法国太阳神0.5m以色列EROSA 1.8m美国至今已研制6代，前四代为胶片型相机，后两代为为CCD传输型相机(KH-11,KH-12)可分为三个发展阶段1、前三代相机以提高空间分辨率为主要目标;2、第四代开始以提高单星的综合侦察能力为主，实现普查和详查的有机结合;3、从60年代至今已经形成了可见光和微波成像侦察的结合体系。
有效载荷
科学类有效载荷包括X射线望远镜分光仪、太阳光学望远镜、离子质谱仪、X射线分光计以及各种空间环境测 量和监测装置等。这类有效载荷可用于空间环境探测、天文观测和空间科学试验等。
地位与作用
地位与作用
有效载荷是航天器的核心，在航天器设计中起主导作用。
工作环境
工作环境
图1有效载荷工作环境的组成有效载荷作为航天器系统的核心，其设计要求和一般工程系统项目设计要求不 同。其中，产生不同的最大原因之一是由于它会遇到一般工程系统项目所没有的一些特殊环境。这些特殊环境主 要包括有效载荷暴露在太空运行时所遇到的各种外部空间环境（如大气环境、等离子体环境、空间碎片等），以 及有效载荷在航天器内部所遇到的各种平台内部环境（如力学环境、热环境、电磁环境等），如图1所示。在有效 载荷分析与设计中，需要把这些特殊环境作为约束条件，使研制出的有效载荷能适应这些特殊环境。正是由于特 殊环境的影响，航天器有效载荷的研制过程和产品与一般项目有很大的区别，例如空间相机与家用相机，在结构、 外形、材料、性能、价格等方面都有很大差异。因此，研究有效载荷的环境要素及其对有效载荷的影响，在有效 载荷的研制和应用全过程中占有特殊重要的地位，也是有效载荷系统设计的重要环节和依据。
2．认真研究各种约束条件，科学选择有效载荷方案
有效载荷的设计一般都有几种方案可供选择，在满足总体指标前提下，必须认真研究各种约束条件，从多方 面进行比较，尽量使选择的方案优化。方案的比较要尽量量化，不同因素要赋予不同的权重。过分强调方案的技 术指标越高越好的观点是不正确的，应以满足用户需求为原则；当然技术可行性和经济性的考虑也是重要的。
1．从应用功能看
卫星载荷
一、红外成像技术概述二、国内外卫星载荷研究现状阿特拉斯-5火箭发射SBIRSGEO-1卫星：世界协调时2011年5月7日18时10分，美国空军使用联合发射联盟公司（ULA）阿特拉斯-5火箭在卡纳维拉尔角空军基地成功发射首颗天基红外系统（SBIRS）地球同步轨道卫星GEO-1。
GEO-1卫星星上载有扫描与凝视（staring sensors）传感器，且其红外敏感度及重访周期均较现役卫星星座有所提高。
据该星建造方洛克希德·马丁公司（以下简称“洛·马公司”）消息，SBIRSGEO-1的卫星是目前技术最为先进的军事红外卫星，可大大提高美国的导弹预警能力，星上扫描传感器可进行大范围导弹发射侦察和覆盖全球的自然现象监测。
同时，由于星载凝视传感器敏感性绝佳，因此其将用于小范围目标区域观测。
该“宇宙神”-5火箭将“天基红外系统”（SBIRS）“静地轨道”-1（GEO-1）卫星送入轨道。
发射43分钟后，星箭分离。
卫星距地约185千米，目标是远地点高度约为3.58万千米的轨道位置。
美国空军SBIRS项目官员厄姆斯塔德（Ryan Umstattd）中校表示：由6个液体远地点发动机（LAE）组成的发动机组计划点火9天多，将卫星送至距地约3.54万千米的静地轨道上，并进行初始检测与运行。
在该轨道上，卫星将打开其防光设备（设计用于保护传感器有效载荷）、天线以以及有效载荷舱门。
预计发射后35天，红外有效载荷（通过“视达地面”能力在短波、中波红外波段收集信息）将被开启，并开始传送来自卫星的原始数据。
发射后18个月内会实现全面综合战术预警与攻击评估确认能力，以使卫星能够正式参与导弹防御。
日本ASTRO-F红外成像卫星的观测设备试验成功2004年12月初，日本ASTRO-F红外成像卫星的观测设备在住友重机械工业株式会社的Nihama工厂进行了试验，冷却剂和观测仪使用良好。
这是该设备组装完后的首次试验。
此次试验对各种装置的性能进行了一周的测试，所获得的结果与组装前各单元的试验数据相当或更好。
美国的照相侦察卫星揭密
美国的照相侦察卫星揭密2007-09-10 09:23:28侦察卫星是用于获取军事情报的一类人造地球卫星。
根据执行的任务和侦察设备的不同，侦察卫星一般分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星和预警卫星。
照相侦察卫星利用星上可见光等遥感器对目标区进行拍照以获取图像，要求图像清晰和分辨率高。
本文介绍的是美国照相侦察卫星近来的发展态势。
“锁眼”好眼力曾有报道说，为了搜寻拉登，美国使用了两颗“大鸟”卫星。
笔者认为此报道有误，因为“大鸟”卫星（代号“锁眼”9）是20世纪70～80年代发射的，并且每颗卫星寿命均不到300天，故早已退役。
美国目前在轨运行的光学照相侦察卫星“主力”是“锁眼”12，又称“高级锁眼”11。
2001年10月5日，大力神4B火箭又发射了一颗这种造价约10亿美元的卫星，使在轨工作的该型卫星数量增至3颗。
它能以与“哈勃”空间望远镜一样的方式成像，其光学系统的相机采用了当今最尖端的自适应成像技术，可在计算机控制下随视场环境灵活改变主透镜表面曲率，从而有效地补偿大气造成的畸变，使分辨率达到了0.1米。
这样的分辨率是目前的顶级水平。
星上的红外相机也有较大改进，不仅可在夜间工作，而且可发现地面伪装物及飞机发动机和大烟囱等有热源的目标。
星上的“高级水晶”测量系统可使数据以网格标记传输。
它还装有雷达高度计和其它用于测量地形高度的遥感器。
已发射的3颗卫星都运行在270～1000公里的轨道上。
“锁眼”12具有以下特点：（1）采用大型CCD多光谱线阵器件和凝视成像技术，使卫星在取得高几何分辨率的同时还有多光谱成像能力。
其先进的红外相机可提供优秀的夜间侦察能力。
（2）采用镜面曲率计算机控制技术，因而当卫星在高轨道普查或在低轨道详查时，能快速改变镜头焦距，在低轨道有优越的分辨率，而在高轨道则可获得宽的幅宽。
（3）机动能力强，可满足现代战争的需要。
（4）可进行电子侦察。
“锁眼”12可把高清晰度图片传至五角大楼的美国侦察办公室，由电脑进行处理后可用来识别物体运动，且能清楚地显示地面上行驶汽车的车牌号码。
环境一号卫星CCD影像全国数字镶嵌与制图
１ Ｏ ０
３ Ｃ Ｄ 相 机
２ ３
４
５
０ ５ ２～ ０ ． ６ Ｏ Ｏ ． ６ ３～ ０ ． ６ ９
０ ． ７ ６～ ０ ． ９
０．７ ５～ １ ．１ ０
３ ０ ３ ０
３ ０
１ ５０
２
０ ． ５ ２～ ０ ． ６ ０
３ ０
３ ０ ３ ０
３ ６ ０ｆ 蕈
口 ，ｆ Ｕ Ｉ ４
ｌ ｔ Ｊ － １ Ｂ 卫星 上均装载 了两 台宽覆盖多光谱 Ｃ Ｃ Ｄ 相机 ，
Ｈ Ｊ 一 １ Ａ
相机
３
４
０
．
６ ３～ ０ ． ６ ９
台
此外在 Ｈ Ｊ — ｌ Ａ卫星装载 了一 台超光谱成像仪 、ｌ Ｂ卫
具 体 的挑 选 要 求 如 下 ：
号卫星 Ｃ Ｃ Ｄ 影像库和彩 色镶 嵌图 。
２ 环境一号 卫星 Ｃ Ｃ Ｄ影像简介
ｔ ｔ Ｊ － １ Ａ和 Ｈ Ｊ — ｌ Ｂ有 效 载 荷 参 数 见 表 １ ，Ｈ Ｊ 一 １ Ａ 和Ｈ Ｊ — ｌ Ｂ 都 搭载有相 同的 Ｃ Ｃ Ｄ 相机 ，空 间分 辨率 为 ３ ０ ｍ与 Ｔ Ｍ一样 ，比 Ｃ Ｂ Ｅ Ｒ Ｓ — Ｃ Ｃ Ｄ的 ２ ０ ｍ的空 问分辨率
误差在 卜３ 个像 元，误 差根据地形情况 的不 同而变
化。
（ ５ ） 影像云盖尽可能少 ， 以晴空影像为优， “ 云”
的定 义 包 括 雾 、薄 雾 和 雪 。
表 ２ 、３和 ４分 别 是 环 境 一 号 卫星 ＸＸ Ａ 影像 （ 影
像文件名 ：Ｈ ９ — １ Ａ — Ｘ Ｘ Ａ １ — １ ８ — ８ ４ — ２ ０ １ ０ ０ ４ ０ ８ ）原始数 据 、多项式校 正数据和正射校正数据 的几何精度评