空间相机：置身宇宙中的卫星之“眼”

 空间相机的基本组成

▲海洋一号4波段CCD成像仪

 空间相机一般由下列部分组成：

1、物镜：光学系统和结构组成。光学系统的不同型式对应不同结构，如折射式、折返式、反射式。光学系统一般由多个光学零件组成，如照相窗口、透镜、反射镜、滤光镜、棱镜等。

2、探测接收和电路系统：光电探测器进行光电转换，信号放大、处理、显示、存储、注记装置等，一般由光电探测器和电路及机械夹装件组成。

3、机械结构：包括箱体、焦面部件、机械传动、光阑、遮光罩等。

4、热控装置：一般由热控涂层、隔热薄膜、相变材料、热管、导热索、散热器、加热器、温度控制器等组成。包括主动式热控、被动式热控。

5、控制和信息处理器：控制图像数据采集、存储处理或编码、控制各伺服系统如输片、调焦、定标、曝光量调整、像移补偿，并给注记装置输入数据，监视各部件工作状态，将故障信息传向地面控制中心。

 空间相机的分类

▲FY-3红外分光计

空间相机的种类繁多,比如以胶片为信息载体的侦察相机、测量相机(也称测绘相机)和多谱段相机；以光电探测器为接收器的CCD相机、多光谱扫描仪和成像光谱仪等，这些航天遥感器统称为空间相机。

• 按照谱段分类

可分为紫外、可见光、红外、激光主动式或有源相机等；也可分为全色和多光谱相机以及成像光谱仪等，后者又可按光谱分辨率分为高光谱型和超光谱型。

目前常见的成像光谱仪为色散型、干涉型，当前研究的热点则还有滤光片型、计算型等。

▲FY-3中分辨率成像光谱仪

• 按成像目标 

按成像目标，空间相机可分为面目标成像的相机和点目标成像的相机两类。如地物相机(侦察﹑测绘﹑资源相机统称)和对月亮、行星和太阳观测的相机都是对面目标拍照的相机，而星相机或星敏感器都是对天球上除太阳以外的恒星(点光源)拍照的。

•  按探测信号来源  

按探测信号来源，空间相机分为有源和无源两类。有源遥感即是用人工产生的特定电磁辐射源来照射目标，再根据接收来自目标的反射电磁波特征，以达到识别目标的目的。无源则目标不需要人工辐射照射，而利用自然源(如太阳光、宇宙辐射、物体由于吸收太阳能而发出的红外辐射等)来测出目标的反射或辐射电磁波,达到遥感的目的。

• 按用途 

空间相机可按用途分为两种，一种是由空间相机对地观测的相机，又称地物相机，如对地面目标特性，地质和地貌进行调查、军事侦察、制图定位、气象海洋观测等；另一类是在空间平台上完成搜索、捕获、跟踪和监视空间目标的相机，如在空间进行天体观测和在截击卫星(或动能武器)上进行量测与瞄准等  。

 空间相机的应用与实践

▲  空间相机在遥感领域获得了广泛的应用

我国第一台空间相机由中国空间技术研究院于1967开始研制，于1975年11月26日搭乘第一颗返回式卫星“尖兵一号”发射升空，三天后和卫星一起返回地面。这使我国成为继苏、美之后第三个具有对地观测相机的国家。

“尖兵一号”空间光学载荷是一种用于普查的可见光相机，其焦距为850mm，采用2000m长的胶片存储信息，胶片宽度为225mm，画幅尺寸为198mm×1780mm，相机地面像元分辨力可达10m~5 m。

• 气象观测卫星空间相机 

中国FY-1气象卫星携带多通道扫描辐射计，兼顾海洋水色探测，分辨率为1.1 km。静止轨道气象卫星携带的VISSR在光学系统主轴上也有一块45°镜，但它是靠卫星自旋实现东西扫描的,南北扫描靠南北扫描镜步进运动实现。

中国FY-2气象卫星的可见光红外扫描成像仪靠望远镜步进实现南北扫描，可见光和近红外通道的分辨率为1.25 km，热红外和水汽通道的分辨率为5 km。

• 资源观测卫星空间相机

1999年，中国和巴西合作的地球资源卫星(CBERS)成功发射，搭载5谱段推扫式电荷耦合器件(CCD)相机、4谱段红外扫描仪、2谱段宽视场成像仪。资源一号01星在轨工作3年多，扫描幅宽113公里，具备对地高速实时回传功能，每年可提供100万平方公里以上的有效数据。

经过二十余年的发展，2021年12月26日，资源一号家族迎来了第9位成员——资源一号06星，整星配置了可见近红外相机和高光谱相机，新增了长波红外相机，可实现全天时对地观测。其中可见近红外相机分辨率达到全色2.5米、多光谱10米，可识别位于可见光与红外线之间的近红外波长，区分监测目标形状、尺度大小和部分颜色。

• 海洋水色卫星空间相机 

中国HY-1卫星载有的水色扫描仪属45°镜扫描空间相机，具有包括2个热红外通道在内的10个通道，分辨率为1. 1 km。卫星上的另一台空间相机是4谱段CCD相机，采用线阵CCD推扫,分辨率为250m。

 随着技术不断进步，空间相机的时间分辨率、空间分辨率不断提升，光学探测性能趋向高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率，所承担的目标从单一到多元化、从简单到复杂，趋向于集成化、轻型化、智能化和多功能化，在空间侦察和探测探测中发挥的作用越来越重要，成为空天一体化作战的基础平台和保障。相信随着新技术的不断涌现和探测手段的不断更新，空间相机的应用前景更加广阔，成为各国高科技发展的主流和主要方向。

（参考文献：中国空间技术研究院·面向21世纪的航天光学有效载荷的发展动态；王金堂、陈世平·空间相机设计与试验·概论）