地球静止轨道膜基衍射光学成像系统的发展与应用

焦建超 苏云 王保华 王超 张月 金建高 （北京空间机电研究所）



地球静止轨道膜基衍射光学成像系统的发展与应用

焦建超 苏云 王保华 王超 张月 金建高 （北京空间机电研究所）

地球静止轨道高分辨率光学成像可以同时获取具有高时间和高空间分辨率的图像，可以长期驻留固定区域上空，根据需要快速调整成像监视区域，进行灵活的任务编排，对灾害环境和热点地区进行持续监测，在较窄的时间窗口内对时效要求高的目标进行监视和观测，可以满足环境、资源、气象、减灾、应急以及军事等多项业务系统的需求，是航天光学遥感的重要发展方向。

1 引言

实现地球静止轨道高分辨率光学成像通常要求光学系统口径巨大，尤其对于具有重大意义的地球静止轨道1米级成像，要求光学系统口径约20m。如果采用传统反射式光学成像系统，将带来质量、公差、尺寸等一系列颠覆性问题。国外从20世纪末开始研发新型光学成像技术，以解决巨型口径光学成像系统面临的系列问题，提出的新技术包括光学合成孔径成像技术、稀疏孔径成像技术以及膜基衍射光学成像技术等。上述三项技术均涉及到子孔径或子镜拼接、对准这一关键问题。由于地球静止轨道高分辨率光学成像系统工作于可见光谱段，对于光学合成孔径成像技术和稀疏孔径成像技术，拼接、对准精度要求高，工程实现难度极大。而膜基衍射光学成像技术是以薄膜基底衍射光学元件作为光学成像系统主镜的一种新型成像技术，具有公差宽松的突出优势，同时具有质量超轻、大折叠比的特点，为解决地球静止轨道1m分辨率对地观测问题提供了一种新途径。由于膜基衍射光学成像技术的巨大技术优势和应用潜力，已成为目前光学遥感领域的研究热点。

2 国外发展情况

衍射光学成像技术作为实现巨型口径光学成像系统的一种可行技术途径，国外多个国家已针对该项技术开展研究，包括美国、日本、英国以及法国。其中，美国自1996年前后开始开展基于衍射光学的高分辨率对地成像技术研究，通过实施“眼镜”（Eyeglass）计划和“薄膜光学成像器实时开发”（MOIRE）计划，快速推动了技术发展。

“眼镜”计划

1996年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）提出利用衍射光学元件实现大口径空间光学系统。1997年，实验室从高分辨率对地观测、大型激光武器以及天文观测等方面的应用需求出发，提出“眼镜”计划，利用衍射光学元件实现口径大于25m的空间望远镜，解决传统大口径光学系统受光学精度和发射条件制约的问题，并针对这一计划开展了概念研究工作。

至2002年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经完成了膜基衍射光学元件加工方法、宽谱段色差校正方法、拼接衍射光学元件成像性能以及折叠展开方案的验证工作。但是由于当时微细加工水平较低，采用湿法刻蚀工艺，导致所研制的200mm口径原理样机长度大于20m，实际应用受限。在此后几年重点开展了微细加工技术攻关。

折叠展开试验模型示意图

800mm口径拼接衍射光学主镜示意图

猎鹰卫星-7计划

美国空军学院（USAFA）从2010年开始研制薄膜衍射空间望远镜，即猎鹰卫星-7（FalconSat-7）微卫星计划，原计划2013年发射，目前推迟，具体时间未定。猎鹰卫星-7采用波音公司为美国国家侦察局制造的殖民地-2（Colony-2）3U立方体卫星为平台，尺寸约为30cm×10cm×10cm，搭载一台口径20cm、焦距为1m的“光子筛”薄膜衍射望远镜，工作波长为656.28nm，质量低于5kg。该系统为单波长系统，主要用于太阳观测。

“光子筛”是近10年发展起来的一种新型衍射光学成像器件，同样是实现衍射光学成像的一种方式，由于其加工难度较菲涅耳波带片类型的衍射光学元件低很多，因此得到了一定的关注。但是其衍射效率较低，在目前对地光学遥感应用的项目研究中主要采用菲涅耳类型的衍射光学元件。

猎鹰卫星-7微卫星搭载的“光子筛”成像系统示意图

美国空军学院研制的“光子筛”（左图为实物；右图为测试结果示意图）

米级膜基衍射光学元件示意图

5m口径地面样机的1/8部分示意图

“薄膜光学成像器实时开发”计划

2010年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动“薄膜光学成像器实时开发”计划，继承劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“眼镜”计划，正式开始地球静止轨道膜基衍射光学成像技术研究。由于膜基衍射光学成像系统涉及多个关键技术领域，鲍尔宇航公司牵头并联合多家单位共同开展研究。其中，鲍尔宇航公司负责总体研究，包括整机结构、在轨控制等技术研究；NeXolve负责低热膨胀系数聚酰亚胺薄膜材料技术研究；劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责膜基衍射光学元件加工；轨道-阿连特技术系统公司（简称轨道-ATK公司）负责折叠与展开技术攻关、支撑结构设计等。“薄膜光学成像器实时开发”计划的设计指标：①光学系统口径20m；②地面分辨率1m；③数据更新率1Hz；④成像面积100km2；⑤图像质量NIIRS 3.5+（即地面分辨率优于1m）。

该项目研究分3个阶段，已经完成系统概念研究、米级膜基衍射光学元件研制与测试以及5m口径地面样机成像试验，目前正在开展10m口径飞行试验产品研制工作。经过4年的研究，将相关技术的成熟度从1级提升至3～5级。

美国在膜基衍射光学成像技术方面的发展趋势

（1）项目组织形式多元化

利用衍射光学元件实现大口径空间光学系统是由劳伦斯利弗莫尔国家实验室在1996年提出并开展研究的，由于该实验室具有较强的微细加工能力，在衍射光学元件加工、拼接衍射光学元件试验等方面取得了一定研究成果。然而由于该系统涉及多领域、多学科，而实验室独自开展研究工作，只涉及到光学和微细加工领域，无法覆盖所有关键技术领域。并且缺乏任务总体规划，组织形式单一，2003-2010年，该项目并未取得突破进展，仍然停留在衍射光学元件加工层面。

2010年，美国国防高级研究计划局启动“薄膜光学成像器实时开发”计划，从顶层规划了地球静止轨道膜基衍射光学成像技术的发展。由于膜基衍射光学成像系统涉及多个关键技术领域，因此，由鲍尔宇航公司牵头并联合多家单位共同开展研究，各家单位专注于自身优势领域开展相关技术的深入攻关，使该项目得到快速推进。其中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室只承担膜基衍射光学元件研制工作，集中力量开展加工技术攻关，2年内就取得关键突破。目前该项目经过4年攻关，已完成系统级测试，正在开展飞行试验产品研制。对于涉及多领域的地球静止轨道膜基衍射光学成像技术研究，多元的项目组织形式可以快速推进技术进步。

（2）系统单平台化

衍射光学成像系统的长度，主要取决于衍射光学主镜的焦距长短，同衍射光学元件的加工能力直接相关。基于当时所采用的湿法刻蚀加工工艺，最初由劳伦斯利弗莫尔国家实验室提出的“眼镜”计划中的系统长度约2～3km，因此需要采用双平台构型方案。这种构型方案的特点是系统长、主镜研制难度低、编队飞行。

上述双平台方案需要采用编队飞行策略，实现难度较大。2010年，干法刻蚀加工工艺的发展使得最小环带宽度的加工水平大幅提高，可以在一定程度上缩短衍射光学主镜焦距。因此，“薄膜光学成像器实时开发”项目在前期“眼镜”项目研究基础上提出了单平台构型方案，该方案的特点是系统短、主镜研制难度大、双平台桁架支撑。

系统长度缩短，采用桁架结构支撑，无需编队飞行，实现难度大幅降低，并且系统可单次发射入轨。膜基衍射光学主镜采用干法刻蚀加工工艺，提升了主镜研制水平。相比于双平台构型方案，单平台系统更具可行性。

美国国防高级研究计划局先期开展的“光子筛”系统实验示意图

（3）衍射主镜发展成菲涅尔形式

2009年，在“薄膜光学成像器实时开发”项目立项阶段，曾采用振幅型光子筛形式衍射光学元件开展技术验证，但衍射效率只有0.35%，理论衍射效率约16%，而相位型光子筛的理论衍射效率会有所提升，但同样难以满足应用需求。

2010年，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室加工并测试了口径800mm的离轴圆环非拼接菲涅尔形式的衍射光学元件，台阶级数为2级，衍射效率达到35%，如果提高加工工艺水平，衍射效率还可以得到大幅提升。因此，随着微细加工水平的提升，未来将采用菲涅尔形式的衍射光学元件作为地球静止轨道1m分辨率膜基衍射光学成像系统主镜。

（4）衍射微结构多台阶化

“薄膜光学成像器实时开发”项目在2012年加工了2台阶微结构的膜基衍射光学元件，衍射效率达到33%，但是聚焦能量相对较低，仍然达不到NIIRS 3.5的成像质量要求。并且会产生较大的背景光，影响成像质量。

通过改进加工工艺，劳伦斯利弗莫尔国家实验室于2014年成功在4μm宽度上上加工了4台阶微结构，最小加工线宽1μm，使衍射效率提升至约60%，满足了成像要求。并且使衍射光学主镜F数降低至3.2，大大缩短系统长度。

由此分析，膜基衍射光学元件单个周期上加工的台阶微结构数越多，衍射效率越高，并且至少要加工4台阶微结构，才能使其衍射效率满足成像要求。随着微细加工水平的提升，多台阶化是膜基衍射光学元件的发展趋势。

（5）膜基衍射光学元件支撑结构圆形化

“薄膜光学成像器实时开发”项目在2012年采用梯形薄膜支撑结构开展试验，经测试，由于结构变形导致膜基衍射光学元件表面受力不均，对面形影响很大。

2014年，通过仿真分析，改用圆环形支撑结构，消除表面受力不均的影响，大大提升了膜基衍射光学元件面形精度。

由于膜基衍射光学成像技术的巨大应用前景，国内多家单位开展了研究，研究重点主要是膜基衍射光学元件加工技术，目前已有相关成果。但是在空间光学级薄膜材料、微细加工工艺、系统集成测试等方面仍与国外有较大差距。在这些领域，可以充分借鉴国外发展思路及研究成果，推动国内相关技术进步。

4台阶膜基衍射光学元件示意图

10m飞行试验样机部分组件示意图

3 膜基衍射光学成像系统

膜基衍射光学成像系统是基于衍射光学成像技术原理，以平面形膜基衍射光学元件代替传统透射或反射式光学元件，作为巨型口径光学成像系统主镜的新型光学成像系统。

衍射光学元件具有独特的色散特点，色散只与波长有关，工作谱段越宽，色散距离就越大，这是与传统光学系统之间存在的最大不同，也是导致系统设计难度大幅增加的关键。系统必须具备宽谱段色差校正功能，才能满足成像要求。

膜基衍射光学成像系统组成主要包括膜基衍射光学主镜、后端成像子系统以及探测子系统，各部分功能为：

1）膜基衍射光学主镜为拼接巨型口径（≥20m）膜基衍射光学元件，作用是收集并会聚光线。

2）后端成像子系统主要实现宽谱段色差校正及再成像功能。其中，中继模块为传统透镜/反射镜组，作用是将主镜收集的光线重新聚焦于校正镜表面的相应点；校正模块为小口径衍射光学元件，作用是消除主镜的色散，使成像系统具有较宽的光谱范围；聚焦模块为传统透镜/反射镜组，作用是将经过色差校正后的光线重新聚焦成像。

3）探测子系统的作用是光电转换并进行数据处理。

由于这种巨型口径光学成像系统的主镜采用平面薄膜衍射光学元件，将带来一系列技术优势，具有能够解决地球静止轨道1m分辨率成像系统研制遇到的颠覆性问题的潜力，主要体现在：

1）采用平面薄膜基底，实现超低面密度。膜基衍射光学主镜可加工在厚度小于50μm的薄膜基底上，面密度小于0.05kg/m2，从而极大降低系统质量。

2）面形公差宽松。相比反射式系统，衍射光学成像系统对公差要求更宽松。例如对于F#=8的系统，衍射主镜面形公差是反射式系统约1000倍，将传统反射式系统10～20nm的面形精度要求降低到10～20μm。

3）易实现巨型口径。膜基衍射光学主镜可以分块加工，易拼接形成巨型口径（≥20m），且拼接精度要求较低，同时可采用地面收拢、在轨展开方式满足发射运载包络要求。

4 膜基衍射光学成像系统关键技术分析

面向地球静止轨道1m分辨率对地观测应用的膜基衍射光学成像系统，由于受衍射光学成像原理、薄膜材料、大型刚柔耦合空间结构等问题制约，要实现地球静止轨道应用，需要针对多个领域的多项关键技术开展攻关，主要包括以下几个方面。

膜基衍射光学成像系统组成示意图

系统总体技术

地球静止轨道1m分辨率膜基衍射光学成像系统作为大型空间设施，系统复杂度高，需要进行系统级优化设计以解决构型选择、资源能源分配、对地观测策略等问题，指导系统的设计。同时，需要开展载荷-平台一体化设计攻关，以满足巨型口径膜基衍射光学成像系统的在轨应用。通过系统设计，梳理对各分系统的需求，建立指标需求体系，指导分系统设计。

此外，由于衍射光学元件的特殊色散特点，突破具有宽谱段色差校正能力的光学系统设计，是系统设计需重点关注的关键问题。

膜基衍射光学主镜技术

主要包括空间光学级薄膜材料及薄膜制备、衍射微结构加工、主镜折叠展开与在轨调整三个方面。

1）用于光学成像的膜基衍射光学元件基底材料，必须能够克服发射环境、地球静止轨道辐照环境、地球静止轨道热环境等的影响，需要在材料的工作谱段、透过率、厚度均匀性、表面光洁度、双折射率、热膨胀系数、空间环境耐受性、力学强度等多项性能指标上进行提升。

2）衍射微结构的加工难易通常与系统长度、衍射效率有关，为缩短系统长度、提升衍射效率，要求衍射微结构的加工能力达到亚微米，同时要满足大尺寸以及离轴微结构的加工要求。目前加工能力尚不满足，需要针对微细结构加工开展攻关。

3）地球静止轨道1m分辨率膜基衍射光学成像系统主镜口径约20m，为满足发射条件，必须采取“折叠发射-入轨展开”的方式实施，折叠展开方式的选择要充分平衡发射尺寸与展开复杂度的矛盾。此外，由于主镜口径巨大，展开精度难以达到光学成像要求，需要为子镜配置微调机构，制定自适应像质闭环校正方案。

大型可展开伸展臂支撑结构技术

单平台构型是膜基衍射光学成像系统平台构型的发展趋势，而伸展臂支撑结构是单平台构型中用于连接主镜与后端成像系统的重要组件。主镜沿光轴方向的收拢和展开、主镜的径向收拢展开以及展开后的支撑都是由伸展臂支撑结构实现，伸展臂支撑结构对于整个系统的折叠展开功能及稳定成像发挥至关重要的作用，是重点关键技术之一。相关研究内容包括：①大伸缩比可展开支撑结构技术；②高精度展开执行机构技术；③锁定机构技术；④伸展臂结构空间特性在轨测量技术。

在轨高精度控制技术

地球静止轨道1m分辨率膜基衍射光学成像系统作为大型空间结构体，在轨工作时存在多模式、多目标、大惯量、大挠性的特点，在轨高精度控制是该系统的重点关键技术之一。由于系统涉及到入轨展开、指向机动、受扰恢复等多种复杂在轨动作，因此，控制技术需要解决在轨展开过程控制、在轨动作下高精度控制问题。

5 小结

根据国内外研究，膜基衍射光学成像技术是实现地球静止轨道1m分辨率成像的一种重要、可行技术途径。鉴于地球静止轨道1m分辨率对地成像的巨大应用前景，国内应尽快开展膜基衍射光学成像技术研究，尤其是在微细加工、大型空间结构体控制等方面，提升基础能力，为实现地球静止轨道1m分辨率膜基衍射光学成像系统提供创新解决方案。同时，探索该项技术在天文观测、激光雷达以及空间太阳能收集等领域的应用，充分发挥膜基衍射光学成像技术的特殊优势。

Development and Application of GEO Membrane Based Diffraction Optical Imaging System