第34卷第2期2008年3月光学技术
OPT ICAL T ECHN IQU E
Vol.34No.2
M ar.2008
文章编号:1002-1582(2008)02-0305-03
空间光学遥感器遮光罩结构方案选择X
陈立恒1,2,吴清文1,葛任伟1,2,颜昌翔1,李泽学1,2,訾克明1,2
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:利用有限元工程分析技术对空间光学遥感器的遮光罩结构方案进行了选择。应用M SC.Patr an/Nastran软件对遮光罩进行了模态分析,应用T M G软件对遮光罩进行了热分析。根据模态分析和热分析的结果对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的长度进行了优选。结果表明,[-45b/90b/45b/0b]s交叉对称铺层方式、一条轴向筋和1mm厚度、200mm长度的四棱台式遮光罩的结构方案是合理可行的。其结果为遮光罩的结构设计提供了必要的指导。
关键词:空间光学;遮光罩;模态分析;热分析;结构设计
中图分类号:T P7;O439文献标识码:A
Structure scheme selection of baffle for space optical remote sensor CHEN L-i heng1,2,WU Qin g-wen1,GE Ren-wei1,2,YAN Chang-xiang1,LI Ze-xue1,2,ZI Ke-ming1,2
(1.Changchun Institute of Opt ics,Fine M echanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)
(2.Gr aduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China)
Abstract:T he structure scheme of baffle for space optical r emote sensor is selected by means of finite element method.T he modal analysis is conducted w ith M SC.Patran/N astran code.T he thermal analysis is dealt with the T M G code.According to the results of modal analysis and ther mal analysis,t he material.s laying w ay o f baffle,and the length of baffle are selected.T he results indicate that tentative desig n is reasonable and feasible.T he mater ial.s lay ing w ay of the baffle i s[-45b/90b/45b/0b]s. T he thickness of the4-edge conic baffle is1mm,and its length is200mm.I t is w ith one ax ial rib.A necessary guidance is pre-sented for the design of the baffle of space optical r emote sensor.
Key words:space o ptics;baffle;modal analysis;thermal analysis;structural desig n
1引言
杂散光抑制已成为空间光学工程的关键技术之一,而外遮光罩则是对杂散光进行有效抑制的关键。它可对来自太阳、月亮或反射太阳光的地球的杂散光进行直观和有效的抑制,可保证较高的信噪比。遮光罩的工作环境对遮光罩提出了多方面的要求,不仅要求其具有非常高的可靠性,而且还必须做到轻量化[1)3]。高的可靠性要求其结构具有很高的强度和刚度,从某种角度上而言,该要求将导致遮光罩的质量增加,这与轻量化的要求相矛盾。因此对外遮光罩的不同结构方案进行优选是非常必要的。
有限元分析技术是遮光罩结构方案选择的重要手段,是一种非常有效的数值方法,可设计出人们期望的工程结果,帮助人们用最快的速度、较少的试验次数、较低的成本实现研究的目标[4)8]。有限元工程分析是空间光学遥感器研制工作的重要组成部分,这项工作对空间光学遥感器是否能满足设计要求、达到设计性能指标及最终能否在轨正常工作都具有非常重要的意义。在空间光学遥感器结构设计中,用模态分析法进行了结构系统动力学特性的研究,用热分析技术进行了空间环境的热仿真分析和热影响分析的研究。本文通过遮光罩的模态分析计算和热分析计算,分别对遮光罩材料的铺层方式、遮光罩的结构形式和遮光罩的几何参数即遮光罩的长度进行了优选,其分析结果为遮光罩的结构设计提供了很好的指导作用。
2材料铺层方式的选择
遮光罩拟采用碳纤维复合材料,因为碳纤维复合材料具有质轻、高强度、高刚性,尤其是有非常低的热膨胀系数等一系列优异性能,特别适用于空间
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X收稿日期:2007-04-03;收到修改稿日期:2007-05-22E-mail:chenliheng@https://www.doczj.com/doc/0216279879.html,
作者简介:陈立恒(1979-),男,吉林省人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生,主要从事CAD/CAE技术应用和传热技术方面的研究。
结构。铺层设计是复合材料设计特有的工作内容,铺层设计的优劣对遮光罩的整体设计有一定的影响,因此有必要对其铺层方式进行优选。
铺层设计主要包括:选取合适的铺层角,确定各种铺层角的铺层百分比和铺层顺序等。铺层设计的一般原则是[9)
11]
:
(1)面板结构应采用均衡对称铺层,以避免耦合引起的翘曲。
(2)在面板的铺层结构中,任一铺层角的铺层,其最小百分比应大于或等于6%~10%。
图1 遮光罩有限元模型
(3)同一铺层角的铺层不宜过多集中在一起,超过四层容易分层。有限元模型如图1所示。遮光罩的厚度为1mm,模型分4层均匀铺层,单层厚度为0.
25mm,在M SC.Patran
中进行前处理,并提交到MSC.Nastran 中进行求解,所得到的不同铺层方式的固有频率数值如表1所示。
表1 不同铺层方式的前6阶固有频率(单位为Hz)
铺层方式
f 1
f 2
f 3
f 4
f 5
f 6
[-30b /30b /-30b /30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[30b /-30b /30b /-30b ]s 234.9240.7293.8319.3461.9549.2[-45b /45b /-45b /45b ]s 243.9290.9296.9315.6488.8518.5[45b /-45b /45b /-45b ]s 243.9290.9296.
9315.6488.8518.5[-60b /60b /-60b /60b ]s 229.9267.2355.6423.8500.8546.3[60b /-60b /60b /-60b ]s 229.8267.3355.6423.8500.8546.3[-90b /90b /-90b /90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[90b /-90b /90b /-90b ]s 190.1222.3334.1339.2342.5351.9[0b /45b /90b /-45b ]s 272.6303.7379.5512.9525.3676.3[45b /0b /-45b /90b ]s 231.0268.0363.8426.9468.9475.9[-45b /90b /45b /0b ]s 279.7308.7390.8525.3541.8684.9[90b /45b /0b /-45b ]s
234.2270.9370.1432.3469.7480.2
注:每一铺层的方向用纤维与x 轴的夹角表示,彼此间用/分开,全
部铺层用[]括上。其下角s 表示对称铺层。
从表1的数据可以看出,在不同铺层方式下,计算所得的遮光罩的固有频率差别较大,[-90b /90b /-90b /90b ]s 和[90b /-90b /90b /-90b ]s 的铺层方式的固有频率最低,而[0b /45b /90b /-45b ]s 和[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式的遮光罩的固有频率相差不多且较高,其中[-45b /90b /45b /0b ]s 的固有频率最高,而系统的固有频率正比于系统的刚度,固有频率越高意味着外界激励频率越难与其相等,使得发生共振的可能性减少,因而采用了[-45b /90b /45b /0b ]s 的交叉对称铺层方式。3 遮光罩结构形式的选择
外遮光罩由壳体、轴向筋、周向筋及连接法兰等组成。一般的遮光罩是固定式结构或在固定段结构之外附加有加长段[1]。这里采用固定式结构,如图图2 遮光罩的几何模型
2所示,通过带有螺纹孔的法兰与空间光学遥感器接口进行连接。
为了对遮光罩的不同结构形式的结构进行选择,通过分别改变遮光罩长边的轴向筋的个数和遮光罩的厚度来得
到四种结构方案,如表2所示。
表2 遮光罩的结构方案
方案轴向筋的个数
遮光罩的厚度/mm
A 21.5
B 21
C 11.5D
1
1
将以上四种方案的几何模型通过数据接口导入到M SC.Patran 中进行前处理,在前面所确定的材
料的铺层方式下,提交到M SC.Nastran 中进行求解,模态分析的结果如表3所示。
表3 不同方案的前6阶固有频率(单位为Hz)
方案f 1f 2f 3f 4f 5f 6A 429.6449.6482.2544.8852.8873.9B 309.4313.0394.6534.9582.7757.1C 390.1446.9474.3547.2777.9855.9D
279.7
308.7
390.8
525.3
541.8
684.9
从表中可以看出,几种方案遮光罩的固有频率远高于空间光学遥感器的固有频率,但从加工的难易程度和轻量化的角度考虑,应优先考虑方案D 。图3为方案D 的遮光罩的前3阶振型。其中:一阶振型为长边摆动;二阶振型为短边摆动;三阶振型为对角相向变形。
4 遮光罩长度的选择
外遮光罩的温度状态直接影响空间光学遥感器的第一光学表面,使之产生温度梯度,而温度梯度的存在,不仅使玻璃材料的折射率发生变化,而且还会因不均匀热膨胀而导致光学元件面形发生变化。当平面光波通过有温度梯度的光学元件时会产生波面畸变,进而影响空间光学遥感器的成像质量,降低分辨率[12,13]。因此讨论了遮光罩长度对光学系统温度分布的影响,进而对不同的遮光罩长度进行了选
306
光 学 技 术
第34卷
择。
本文的热分析采用TMG软件,遮光罩的长度分别为150mm,200mm,300mm和400mm。为了更好地讨论遮光罩长度对光学元件,尤其是对反射镜的温度分布的影响,这里反射镜材料取为SiC和Zerodur两种,计算所得的关键温度数据如表4和表5所示。
表4反射镜材料为SiC时的温度数据表(单位为e)
遮光罩长度/mm 光学系统
温度水平
反射镜
径向温差
主镜径
向温差
次镜径
向温差
三镜径
向温差
150 2.80~6.420.110.290.470.12 200 4.20~7.750.110.270.450.11 300 4.64~8.620.110.260.410.11 400 5.86~10.30.120.250.360.10表5反射镜材料为Zerodur时的温度数据表(单位为e)
遮光罩长度/mm 光学系统
温度水平
反射镜
径向温差
主镜径
向温差
次镜径
向温差
三镜径
向温差
150-0.80~6.41 4.800.290.470.11
2000.60~7.74 4.770.270.450.11
3000.81~8.61 4.910.260.420.10
400 1.83~10.3 5.010.250.360.10
从表中可以看出,随着遮光罩长度的增加,光学系统的温度水平上升,且反射镜的内部温差增加,光学系统中其它光学元件内部温差有所减小;
当反射镜材料为Zerodur时,其径向温差比材料为SiC时要大,这是因为SiC的导热率高,导温系数大,热稳定性好的缘故;反射镜的材料不同,导致反射镜自身的内部梯度变化较明显,但对主镜、次镜和三镜没有明显影响;遮光罩长度不能太短,但也不能太长,太短达不到消杂光和保温的效果,太长影响整体结构的尺寸稳定性,从分析结果看,取200mm长度为宜。5结论
利用有限元工程分析技术来完成结构方案的选择是空间光学遥感器研制工作的重要组成部分。通过模态分析,可以获取结构的固有频率和固有特性,可清楚地了解设计中的薄弱环节以及刚度、强度有余量的部位,为下一步设计提供相应的数据;通过热分析可以看出温度变化形态和规律,为热控试验提供可对比的数据,并为热控设计提供科学的参考数据。根据对遮光罩模态分析和热分析的结果可以得到以下结论:
(1)在不同的铺层方式下,计算所得的遮光罩的固有频率差别较大。采用[-45b/90b/45b/0b]s的
图3方案D的遮光
罩前三阶振型
(a)一阶振型;(b)二阶
振型;(c)三阶振型
交叉对称铺层方式,遮
光罩的固有频率最高,
因而选择此种铺层方式
铺层。
(2)在遮光罩结构
形式被优选后,当一阶
频率为279.7H z时,振
型为长边摆动;当二阶
频率为308.7H z时,振
型为短边摆动;当三阶
频率为390.8H z时,振
型为对角相向变形。
(3)光学系统的温
度水平随遮光罩长度的
增加而上升。遮光罩长
度应该既能达到消杂光
和保温的效果,同时又
不影响整体结构的尺寸
稳定性,取200mm长度
为宜。
(4)应用有限元工
程分析技术完成的遮光
罩的结构方案选择为遮
光罩的设计提供了必要
的指导。
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第2期陈立恒,等:空间光学遥感器遮光罩结构方案选择
空间光学遥感仪器的十项主要技术指标浅析 空间光学是利用航天飞机、卫星、飞船、空间实验室、空间站等空间飞行器，利用光学手段对目标进行遥感观测和探测的科学技术领域。主要手段是把光波作为信息的载体收集、储存、传递、处理和辨认目标信息的光学遥感技术。 空间光学的优势有很多，一是对地观测优势，空间光学可以对地球环绕观测地球的每一个角落，可以对地表成非常清晰的像，对于大气观测，灾害预报，环境监测，资源探测等方面有很大的优势。二是太空没有国界的限制，地表100公里以上的区域还是一片各方都可以涉足的无主之地。三是对外观测，过去人们曾经建过很多地面望远镜，但是地面望远镜受到大气扰动的影响，达不到望远镜的衍射极限分辨率。空间望远镜处于真空环境下，受到大气扰动小，更有利于达到望远镜的衍射极限分辨率。 空间光学遥感仪器的主要技术指标有以下几项： 1）空间分辨率 空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或者大小，是用来表征影响分辨地面目标细节的指标。空间分辨率所表示的尺寸、大小，在图像上是离散的、独立的，它反映了图像的空间详细程度。空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。 目前的空间遥感仪器基本上都是采用CCD或者CMOS作为探测器收集信息的，如果地面分辨率为1m，意味着CCD的一个像元对应地面宽度是1m。 空间分辨率示意图（资料来源：上帝之眼） 2）调制传递函数MTF 从信息角度来看，光学系统作为一个信息系统，输出的信息相对于输入的信息肯定会丢失一部分。我们常常使用对比度来表征这种信息，即MTF=（输出图像的对比度）/（输入图像的对比度），由于输出图像的对比度总是小于输入图像，所以MTF总是处于0-1之间。再根据不同的空间频率，即可获得系统的MTF图。
第３１卷第１２期２００９年１２月 红外技术 ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂｌ．３１ＮＯ．１２ Ｄｅｃ．２００９空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计 王欣，杨波，丁学专，刘银年，王建宇 （中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要：设计了一种短波红外成像光谱仪的光学系统。它采用离轴透镜来校正大视场像差，避免了采用大１２径同心透镜，降低了大１２径透镜获取难度和加工要求，同时校正了狭缝弯曲和畸变；采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件，补偿了与波长相关的狭缝弯曲，并减小了残余像差；采用一个色散棱镜来修正非线性色散，满足了光谱分辨率要求，在棱镜背面镀反射膜，简化了结构，减轻了重量。最后给出了各个通道的光谱非线性和光谱弯曲结果。 关键词：短波红外成像光谱仪；离轴校正透镜；色散棱镜；光谱非线性；光谱弯曲 中图分类号：ＴＮ２１６文献标识码：Ａ文章编号：１００１—８８９１（２００９）１２－０６８７—０４ ＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｈｏｒｔｗａｖｅＩｎｆｒａｒｅｄＩｍａｇｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｎＳｐａｃｅＷＡＮＧＸｉｎ，ＹＡＮＧＢｏ，ＤＩＮＧＸｕｅ—ｚｈｕａｎ，ＬＩＵＹｉｎ—ｎｉａｎ，ＷＡＮＧＪｉａｎ—ｙｕ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓａｎｏｆｆ－ａｘｉｓｌｅｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｄｊｕｓｔｌａｒｇｅｆｉｅｌｄ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｖｏｉｄｓｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｃｏｎｃｅｎｔｅｒｌｅｎｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｗｏｏｆｆ－ａｘｉｓａｓｐｈｅｒｉｃｍｉｒｒｏｒｓｗｈｉｃｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅａｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｅａｎｄｆｏｃｕｓｂｅａｍ．Ｏｎｅｐｒｉｓｍｃｏｒｒｅｃｔｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏａｔｉｎｇｉｓｍａｄｅｉｎｔｈｅｒｅａｒｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｎｄｈａｓａｌｉｇｈｔＷｅｉｇｈｔ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｅｃｔｒａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒａｎｄｃｕｒｖｅｄａｔａｉｓｓｈｏｗｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｏｆｆ－ａｘｉｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｌｅｎ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｒｉｓｍ；ｓｐｅｃｔｒａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅ 引言１短波红外成像光谱仪的光学结构设计 成像光谱仪能够同时获取观测目标的空间几何信息和光谱信息，具有独特的信息获取和特征识别能力。它作为一种重要的对地观测手段，在国民经济、科学研究诸多领域有着广泛的应用前景，另外还具备战略战术侦察能力…。 在设计整个成像光谱仪中，光学系统设计决定仪器的最后性能１２ｌ。短波红外光谱仪的光学系统由准直光学系统、色散元件、成像光学系统三个部分组成。相对ＯＡＳＩＳＴＭ和其它棱镜分光结构【４Ｊ，色散元件选择采用一个棱镜分光，满足了光谱非线性的要求，在棱镜背面镀反射膜，取消了利特罗反射镜；离轴校正透镜的采用，调节了光谱仪的畸变，避免了ＯＡＳＩＳ采用大口径透镜同时穿插在准直光束和色散光束中１５Ｊ，减小了大口径透镜的制造难度。 短波红外光潜仪的光学系统与离轴三反望远镜相结合，可以完成在１．４０视场下，对ｌ～２．５¨ｍ（即短波红外波段）色散后的６４个波段分谱段成像。系统的主要指标如下： 光谱范闹：１～２．５Ｕｍ； 物方数值孔径：０．２； 色散范围：１．９２ＩｎｌＴｌ； 平均光谱分辨率：２３．４ａｍ； 光谱弯曲：＜１个像元（像元尺寸为３０ｕｍ）； 变焦比：０．８； 入射狭缝尺寸：１９×０．０３８ｍｍ； 畸变：小于５％ｏ； 光学效率：＞０．４５。 １．１色散元件的选择 收稿日期：２００９－０９—１５１修订日期：２００９—１１－２４． 作者简介：王欣（１９７７一）。女，陕西杨凌人，博上研究ｑ三，上要从事航天遥感红外成像光学系统方面的研究工作。 基金项目：国家８６３项目 ６８７万方数据
第１１卷 第３期２ ０１３年６月光学与光电技术 ＯＰＴＩＣＳ ＆ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１３收稿日期 ２０１２－０９－２９； 收到修改稿日期 ２０１２－１２－ １３作者简介 张达（１９８１－） ，男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事空间光学遥感仪器的研制、空间光学成像，以及光谱探测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａ＠ｃｉｏｍｐ ．ａｃ．ｃｎ基金项目 国防预研基金（ＳＡ０５０），国家８６３高技术研究发展计划（２０１０ＡＡ１２２１０９１００１） ，吉林省科技发展计划（２０１１０１０７９ ）资助项目文章编号：１６７２－３３９２（２０１３）０３－００６７－ ０７高光谱遥感的发展与应用 张 达 郑玉权 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３） 摘要 阐述了高光谱遥感的特点、优势，以及在航空及航天领域的发展情况，列举了几种典型高光谱成像仪的光学系统原理和主要技术指标。在此基础上， 概述了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产、海洋、军事等领域的应用情况。最后对高光谱遥感发展趋势提出了几点建议，包括低反射率目标遥感、高信噪比、高空间分辨率及宽覆盖范围等方面。关键词 高光谱遥感；发展；应用；成像光谱仪中图分类号 ＴＰ７０ 文献标识码 Ａ １ 引 言 遥感技术是２０世纪６０年代发展起来的对地 观测综合性技术［１］ ，随着２０世纪８０年代成像光谱 技术的出现， 光学遥感进入了高光谱遥感阶段。从２０世纪９０年代开始， 高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。 高光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破［ ２］ ，其发展潜力巨大。 高光谱遥感实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合，在光谱分辨率上有巨大优势，是遥感发展的里程碑。随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛，已渗透到国民经济的各个领域，如环境监测、资源调查、工程建设等，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。本文主要阐述高光谱遥感的特点、优势以及在航空及航天领域的发展情况，概括了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产， 海洋军事等领域的应用情况。２ 高光谱遥感特点与优势 高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Ｈｙｐｅｒｓｐ ｅｃ－ｔｒａｌ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ） 的简称［３］ ，它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围 内，获取许多非常窄且光谱连续的影像数据的技 术，是在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成的一种独特的三维遥感。对大量的地球表面物质的光谱测量表明， 不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征，这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在５～５０ｎｍ左右，其物理内涵是不同的分子、 原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，从而产生了不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性， 经过后续数据处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的［ ４］ 。高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高（５～１０ｎｍ），光谱范围宽（０．４μｍ～２．５μｍ） 的显著特点，可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息， 所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光、近红外到短波红外的全部电磁辐射波谱范围。高光谱数据是一个光谱图像的立方体，其空间图像维描述地表二维空间特征，其光谱维揭示图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱 维信息的有机融合［ ５］ 。高光谱遥感在光谱分辨率方面的巨大优势，使得空间对地观测时可获取众多连续波段的地物光谱图像， 从而达到直接识别地球表面物质的目的。地物光谱维信息量的增加为遥感对地观测、地物识别及地理环境变化监测提供了
光学遥感常用基础知识 1. 遥感与摄影测量概述 遥感Remote Sensing 遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。 遥感的分类 （1）按遥感平台分 地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等。 航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等。 航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等。光学和雷达都属于航天遥感范畴。 航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。 （2）按传感器的探测波段分 紫外遥感：探测波段在0.05~0.38μm之间。 可见光遥感：探测波段在0.38~0.76μm之间。因受太阳光照条件的极大限制，加之红外摄影和多波段遥感的相继出现，可见光遥感已把工作波段外延至近红外区（约0. 9μm）。在成像方式上也从单一的摄影成像发展为包括黑白摄影、红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影及多波段摄影和多波段扫描，其探测能力得到极大提高。因此我们常见的光学遥感属于可见光遥感范畴。 红外遥感：探测波段在0.76~1000μm之间。 微波遥感：探测波段在1mm~10m之间。雷达属于微波遥感范畴。 多波段遥感：指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分为若干窄波段来探测目标。 （3）按传感器类型分 主动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号。我们常用的雷达属于主动遥感范畴。 被动遥感：被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。我们常用的光学属于被动遥感范畴。 （4）按记录方式分 成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像。 非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。 （5）按应用领域分 可分为环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等等。 遥感平台Platform 搭载传感器的工具。
自由曲面在空间光学中的应用 在当今的生活中，自由曲面（Free-form ）扮演着越来越重要的角色。如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来 表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。鉴于光学自由曲面 在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进 行了调研。 一、自由曲面简介 光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲 面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。光学自由曲面已经渗透 到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在 眼用光学镜片中的成功应用。 自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。人工形成 的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。 二、自由曲面运用的原因 空间遥感光学系统是在离地200km （低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。 光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F/#的 前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。但入瞳直径的增加，意味着所有与 孔径相关的像差增加。受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一 定程度（通常200 mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面 的应用，可以解决像差增大的问题。由于自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供
高分辨率遥感卫星的发展综述 ——514104001459鞠乔俊摘要：遥感卫星在近十年内得到了飞速的发展，无论在国民经济建设、减灾防灾与地图测绘，以及军事测绘与情报收集等方面都具有十分广阔的应用前景。目前，高分辨率遥感数据已经成为国家基础性、战略性资源，广泛应用于精确制图、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测和地理信息服务等领域。本文对高分辨率成像卫星发展，当前国内外的发展进行了分析研究，对其军事应用与民用现状进行了分析，最后对高分辨率成像卫星及其应用的未来发展做了展望。 关键字：高分辨率遥感卫星发展 1引言 遥感（Remote sensing）是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。而遥感器用于探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射特性。遥感卫星的问世，使人类研究地球、认识地球的观点从地面、低空扩展到太空，从而可以对地球进行连续、快速、综合和大面积的详细观测，更全面、更清晰、更深刻地了解地球及其周围环境，对国计民生产生巨大的促进作用。遥感卫星也叫对地观测卫星，有光学成像卫星和雷达成像卫星2种，前者携带可见光、红外和多光谱等遥感器，最大优点是分辨率高；后者携带合成孔径雷达等遥感器，最大优点是可以全天候工作。自1999年美国太空成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来，一度披着神秘面纱的高分辨率卫星影像日益为普通百姓所熟悉，而且正在成为人们生活的一部分。目前，几乎任何人或国家都可以购买世界任何地区的商业高分辨率卫星影像，只要点击鼠标，就能在网上浏览所在城市的高分辨率卫星影像。 高分辨率遥感卫星所带来的巨大军事与经济效益，引起全球民用与军事应用领域的高度重视，出现了各国竞相研究开发高分辨率遥感卫星及其应用技术的热潮，在短短的7年内有了飞速的发展，出现了技术不断扩散的发展趋势。高分辨率遥感卫星的不断发展及技术的扩散，既为我们提供了新的机遇，同时也提出了严峻的挑战。新的机遇是可利用的高分辨率卫星影像资源得到了极大的丰富，面
收稿日期：2011-04-24 基金项目：国家863计划（2008AA121203）资助。 高精度卫星光学遥感器辐射定标技术 郑小兵1,2 （1中国科学院通用光学定标和表征技术重点实验室，合肥230031） （2中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心，合肥230031） 摘要随着长期气候变化等观测新需求和高分辨对地观测等新手段的发展，空间光学仪器面临进一步提高辐射定标精度的要求。文章从空间光学仪器定标精度的制约因素和全过程定标的实现等方面，分析了国际相关领域的技术进展，并就新型定标技术的研究和应用提出建议与展望。 关键词辐射定标光学遥感卫星 中图分类号：V443+.5 文献标识码：A 文章编号：1009-8518(2011)05-0036-08High-Accuracy Radiometric Calibration of Satellite Optical Remote Sensors Zheng Xiaobing （1Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ） （2Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ） Abstract Climate change monitoring and high resolution earth observation demand higher accuracy of abso -lute calibration for space optical sensors.This paper briefly discusses the progress and constrained factors of cur -rent radiometric calibration techniques.New calibration approaches and instrumentations such as hyperspectral and spectrally tunable reference light sources,and global calibration site network are introduced,and their ap -plications are suggested. Key words Radiometric calibration Optical remote sensing Satellite 1引言 光学辐射定标主要研究光辐射传感器的输出与已知的、用SI 单位表述的输入光辐射之间的定量关系，包括各种光辐射效应的定量化、光辐射的精确测量及其不确定度评估，光辐射传感器的综合特性表征，以及光辐射传感器的工作条件对其性能影响的评估等方面的内容。 光辐射是光学遥感信息的基本载体。各种平台上光学传感器的几何和光谱分辩能力都与其光辐射的准确测量能力直接相关。辐射定标在空间对地观测观测过程中所发挥的主要作用表现为： 1）实现各类光学传感器从预研－工程研制－在轨运行的全过程定标，保证传感器的精度能够满足应用需求； 2）统一不同平台、不同传感器的辐射量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和融合； 3）通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环境变化等对测量结果的影响，保证测第32卷第5期 2011年10月 航天返回与遥感SPACECRAFT RECOVERY &REMOTE SENSING 36