Космические камеры: «глаза» спутников в космосе

 Основные компоненты космической камеры

▲4-диапазонный ПЗС-матрица Haiyang-1

Космическая камера, как правило, состоит из следующих частей:

1. Объектив: состоит из оптических систем и структур. Различные типы оптических систем соответствуют различным структурам, таким как преломляющие, преломляющие и отражающие. Оптическая система, как правило, состоит из нескольких оптических компонентов, таких как окно камеры, линза, зеркало, фильтр, призма и т. д.

2. Система цепей обнаружения и приема: Фотодетектор выполняет фотоэлектрическое преобразование, усиление сигнала, обработку, отображение, хранение и аннотирование, и, как правило, состоит из фотодетекторов, цепей и механических зажимных компонентов.

3. Механическая конструкция: включая корпус, компоненты фокальной плоскости, механическую передачу, апертуру, светозащитный экран и т. д.

4. Устройство терморегулирования: как правило, состоит из терморегулирующего покрытия, теплоизоляционной пленки, материала с фазовым переходом, тепловой трубки, теплопроводящего кабеля, радиатора, нагревателя, регулятора температуры и т. д. Включает в себя активное и пассивное терморегулирование.

5. Процессор управления и информации: управляет сбором, хранением, обработкой или кодированием данных изображения; управляет различными сервосистемами, такими как транспортировка пленки, фокусировка, калибровка, регулировка экспозиции и компенсация смещения изображения; вводит данные в устройство аннотирования; контролирует рабочее состояние каждого компонента; и передает информацию о неисправностях в наземный центр управления.

 Классификация космических камер

▲Инфракрасный спектрометр FY-3

Существует множество типов космических камер, таких как разведывательные камеры, камеры для съемки (также известные как картографические камеры) и мультиспектральные камеры, использующие пленку в качестве носителя информации; ПЗС-камеры, мультиспектральные сканеры и спектрометры изображений, использующие фотоэлектрические детекторы в качестве приемников. Все эти космические дистанционные датчики в совокупности называются космическими камерами.

• Классифицировано по спектральному сегменту

Камеры можно разделить на ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, лазерные активные или активные камеры, а также панхроматические и мультиспектральные камеры и спектрометры изображений. Последние, в свою очередь, могут быть классифицированы на гиперспектральные и гиперспектральные типы в зависимости от спектрального разрешения.

В настоящее время наиболее распространенными спектрометрами для получения изображений являются дисперсионные и интерферометрические типы, а среди наиболее актуальных направлений исследований — фильтровые и вычислительные спектрометры.

▲FY-3 Спектрометр среднего разрешения для получения изображений

• В соответствии с целью визуализации 

В зависимости от объекта съемки космические камеры можно разделить на две категории: камеры, которые снимают области, и камеры, которые снимают точки. Например, камеры для съемки наземных объектов (в совокупности называемые разведывательными, картографическими и ресурсными камерами) и камеры, наблюдающие за Луной, планетами и Солнцем, — это камеры, которые фотографируют области, в то время как звездные камеры или звездные датчики фотографируют звезды (точечные источники света) на небесной сфере, за исключением Солнца.

• Согласно источнику сигнала обнаружения  

В зависимости от источника регистрируемого сигнала космические камеры делятся на две категории: активные и пассивные. Активное дистанционное зондирование использует специальный искусственно созданный источник электромагнитного излучения для освещения цели, а затем идентифицирует цель, принимая характеристики отраженных от цели электромагнитных волн. Пассивное дистанционное зондирование, с другой стороны, не требует искусственного излучения для освещения цели, а использует естественные источники (такие как солнечный свет, космическое излучение и инфракрасное излучение, испускаемое объектами в результате поглощения солнечной энергии) для измерения отраженных или излучаемых электромагнитных волн цели, тем самым достигая цели дистанционного зондирования.

• По использованию 

Космические камеры можно разделить на два типа в зависимости от их назначения. Первый тип — это космическая камера, наблюдающая за Землей, также известная как камера наземного объекта, например, для исследования характеристик наземных целей, геологии и рельефа, военной разведки, картографирования и позиционирования, метеорологических и океанографических наблюдений и т. д. Второй тип — это камера, которая ищет, захватывает, отслеживает и контролирует космические цели на космической платформе, например, для наблюдения за небесными телами в космосе, а также для измерения и наведения на перехватчики спутников (или кинетическое оружие).

 Применение и практика использования космических камер

▲ Космические камеры широко используются в области дистанционного зондирования.

Первая космическая камера моей страны была разработана Китайской академией космических технологий, начиная с 1967 года. Она была запущена в космос 26 ноября 1975 года на борту первого возвращаемого спутника Китая «Цзяньбин-1» и возвращена на Землю три дня спустя. Таким образом, моя страна стала третьей страной после Советского Союза и США, обладающей камерой наблюдения Земли.

Оптическая космическая полезная нагрузка «Цзяньбин-1» представляет собой камеру видимого света, используемую для исследований. Она имеет фокусное расстояние 850 мм, использует пленку длиной 2000 м для хранения информации, ширину пленки 225 мм и размер кадра 198 мм × 1780 мм. Разрешение наземного пикселя камеры может достигать 10–5 м.

• Спутник для метеорологических наблюдений, космическая камера 

Китайский метеорологический спутник FY-1 оснащен многоканальным сканирующим радиометром, который также определяет цвет океана, с разрешением 1,1 км. Радиометр VISSR, установленный на геостационарном метеорологическом спутнике, также имеет зеркало с углом обзора 45° на главной оси оптической системы, но сканирование в направлении восток-запад осуществляется за счет вращения спутника, а сканирование в направлении север-юг — за счет ступенчатого движения сканирующего зеркала.

Видимый и инфракрасный сканирующий датчик китайского метеорологического спутника FY-2 осуществляет сканирование в направлении север-юг с помощью телескопического механизма с проходным отверстием. Разрешение видимого и ближнего инфракрасного каналов составляет 1,25 км, а разрешение теплового инфракрасного канала и канала водяного пара — 5 км.

• Спутник для наблюдения за ресурсами, космическая камера

В 1999 году был успешно запущен китайско-бразильский спутник для исследования земных ресурсов (CBERS), несущий на борту 5-диапазонную ПЗС-камеру с изменяемым фокусным расстоянием, 4-диапазонный инфракрасный сканер и 2-диапазонный широкоугольный сканер. Спутник Ziyuan-101 проработал на орбите более трех лет, имея полосу сканирования в 113 километров и обладая возможностью высокоскоростной передачи данных о Земле в режиме реального времени, обеспечивая эффективную передачу данных на площадь более 1 миллиона квадратных километров в год.

После более чем 20 лет разработки, 26 декабря 2021 года семейство ZY-1 пополнилось девятым членом — ZY-1 06. Спутник оснащен камерами видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, а также гиперспектральной камерой, и к нему добавлена ​​новая длинноволновая инфракрасная камера, позволяющая проводить всепогодные наблюдения Земли. Камера видимого и ближнего инфракрасного диапазонов обладает панхроматическим разрешением 2,5 метра и мультиспектральным разрешением 10 метров, что позволяет идентифицировать ближние инфракрасные длины волн между видимым и инфракрасным светом, а также различать форму, размер и некоторые цвета наблюдаемых объектов.

• Спутниковая космическая камера, определяющая цвет океана 

На борту китайского спутника HY-1 установлен сканер цвета океана — космическая камера с зеркальным сканированием под углом 45°, имеющая 10 каналов, включая два канала теплового инфракрасного излучения, и разрешением 1,1 км. Другая космическая камера на спутнике — это четырехдиапазонная ПЗС-камера, использующая линейную ПЗС-матрицу с сканирующим управлением, с разрешением 250 м.

Благодаря непрерывному технологическому прогрессу, временное и пространственное разрешение космических камер постоянно улучшается. Их оптические характеристики обнаружения стремятся к высокому пространственному, спектральному и временному разрешению. Цели, которые они могут поражать, эволюционируют от единичных к множественным, от простых к сложным, и они становятся все более интегрированными, легкими, интеллектуальными и многофункциональными. Их роль в космической разведке и обнаружении становится все более важной, выступая в качестве фундаментальной платформы и гарантии для интегрированных операций в воздушном пространстве. Считается, что с непрерывным появлением новых технологий и постоянным обновлением методов обнаружения перспективы применения космических камер станут еще шире, превратившись в основное и ключевое направление высокотехнологичного развития в различных странах.

(Ссылки: Китайская академия космических технологий: Тенденции развития оптической полезной нагрузки в космосе в XXI веке; Ван Цзиньтан и Чэнь Шипин: Введение в проектирование и тестирование космических камер)