航天相机（航天相机）

简介

航天相机，是装在航天器上对地球、天体和各种宇宙现象摄影的精密光学仪器。狭义上指对地球摄影的相机。1960年不载人的“水星”号飞船用航天相机摄取了大量地球彩色照片。此后，多种类型的航天相机相继用于人造卫星和载人飞船。

航天相机主要是装载在利用各种太空飞行器作为平台的遥感系统上，以人造卫星为主，包括载人飞船、航天飞机、太空站和各种行星探测器；

航天相机按图像传输方式的不同，可以分为回收型和传输型两类。回收型航天画幅式相机主要优点是图像几何关系严密，影像分辨率高，图像畸变小，测图容易；缺点是传感器在空间工作寿命太短，难以获取目标区覆盖的理想像片。欧洲空间局（ESA）空间实验室上使用的MC(RMK)相机和Atlas计划中使用的相机以及美国大幅面相机（LFC）都是画幅式相机，地面分辨率分别为20米、5米和15米。欧洲空间局RMKA30/23型相机曾在美国哥伦比亚号航天飞机的第九次飞行时装载，从250公里高度拍摄了比例尺为1：80万的黑白片和彩色红外像片，所摄像片能够测绘3500幅1：10万或1.4万幅1：5万比例尺地形图。像幅大小为23厘米×46厘米的LFC相机装载在美国航天飞机上，在1984年10月的飞行中，9天共获得2140张像片。在放大后的影像图上，机场、港口码头，甚至船舶都清晰可见。1987年我国首次发射的返回型大幅面框幅式相机的摄影测量也获得成功。

传输型航天相机主要是以线阵CCD为感光元件的固态传感器，主要可分为单线阵、双线阵、三线阵数字相机，这些类型相机在国内外航天领域已经得到应用。单线阵数字相机中最具代表性的是法国的SPOT1-4系列卫星。

分类

航天相机按成像方式分为画幅式、全景式和航线式。

画幅式航天相机摄影时光轴指向不变，利用启闭快门将镜头视场内的地物影像聚焦在感光胶片上。画幅相机摄得的照片的几何关系较为严格，常用于目标定位和建立地形控制网。

全景式航天相机摄影时只应用镜头视场中心具有较高分辨率的部分，在垂直于飞行方向（轨道）上扫描，实现宽摄影覆盖要求，但因摄得的照片存在全景畸变，故常用于侦察、发现和识别目标，并可为地形测绘完成大比例尺地图平面测量和高程测量。航线式航天相机的光轴指向不变，胶片以掠过焦面的地物影像速度向前运行，通过相机焦面处的一个狭缝实现连续曝光，从而获得与狭缝宽度相对应的地面窄条覆盖的照片。

属航线式相机的线阵相机，近年来获得了很大发展。通常航天摄影采用多台不同功能的相机组成的相机系统，例如由画幅式航天相机进行地物影像定位，用全景式航天相机进行地物影像识别。航天相机还有其他分类方法，例如根据影像获取方式分为传输型和返回型航天相机；按用途分为侦察相机、测绘相机等；按摄影谱段分为可见光、红外和多谱段航天相机等。

相关机型

航天相机

在2000年ISPRS阿姆斯特丹大会上，航空数字相机开始出现；到2004年的ISPRS伊斯坦布尔大会上，航空数字相机已成为受人关注的热点领域。在航空数字相机方面比较有代表性的三线阵相机是徕卡公司的ADS40。它是在成像面安置前视、下视和后视三个CCD线阵，在摄影时构成三条航带实现摄影测量。由于技术的原因，目前生产像幅为23厘米×23厘米的大幅面的面阵CCD相机还有困难。国外正在大力发展利用拼接技术将中规模CCD拼接出满足应用的大规模面阵CCD。近年来，国际上出现了采取软硬件结合的方法研制大规模面阵CCD航空摄影相机，代表性相机包括德、美联合研制的DMC以及奥地利Vexcel公司推出的大面阵相机系统UltraCamD。其中DMC全色波段是由4台分辨率为4K×4K面阵的CCD相机组成，像元大小为12um；UltraCamD是由8个镜头组成，其中4个镜头沿航线方向线性排列，为全色通道；4个镜头分布在四角，为多光谱通道。

中国很重视航空数字相机的研发工作，现已取得很大突破，研制出一些具有国际先进水平的产品，甚至在某些方面优于国外同类产品。

研制大面阵航空数字相机是未来发展的重要方向。它的优点很多，一是环境适应能力强。数字相机的感光度高、光源适应性强，能在不同气象条件甚至能实现云层下航空摄影，降低了对摄影天气条件的要求，可以大大缩短摄影周期。二是效率高，实时性强。用胶片相机拍摄的图像要进行数字化处理，须经过拍照、冲洗、扫描三个步骤，获取周期相对较长；而用数字相机摄影则无需胶卷，无需暗室，无需扫描仪，拍摄的图像可以实现实时传输，并直接输入到计算机中处理，大大提高了工作效率。三是测绘应用处理简便快捷。面阵相机在资料应用处理方面与当前测绘生产体系兼容，现有装备完全能够满足面阵相机资料处理的要求。四是性能价格比高。使用数字面阵相机能够比使用胶片相机节省50%至75%的成本，而获取的数字影像辐射精度和几何精度都将大大提高

特点

①能承受发射和返回过程的冲击、振动和过载；

航天相机

③能适应空间的恶劣环境。现代航天相机在160 公里高度上分辨率已达到1米以内，可识别车辆、舰船、坦克和其他10米以下的目标。用电荷耦合器件作感测元件的航天相机具有使用寿命长、工作可靠性高、能实时传输图像信息的特点，已在侦察、测绘和地球资源勘查等方面获得应用。

发展史

1960年不载人的“水星”号飞船用航天相机摄取了大量地球彩色照片。

1986年2月22日，具有立体观测功能的法国SPOT卫星搭载线阵CCD传感器，获取地面10米分辨率的全色波段影像，为中小比例尺地形图测绘提供了新的数据源，为摄影测量提供了新的研究内容。另外，高分辨率遥感卫星例如美国的Ikonos、Quickbird和OrbView卫星，以色列的EROS-B卫星以及韩国的Kompsat卫星等，均采用单线阵相机作前、后或左、右摇摆来获取立体影像。采用双线阵数字相机典型的如SPOT-5卫星，提高了立体影像获取效率，可沿轨实时获取立体影像，地面分辨率为5米，地面覆盖宽度达到120公里，其测图的相对平面精度为10至15米，高程精度10米。在三线阵相机方面，具有代表性的有效载荷或卫星主要包括：德国在航天飞机、空间站和火星探测中采用的MOMS系列三线阵测绘相机。

1987年中国首次发射的返回型大幅面框幅式相机的摄影测量也获得成功。

1993年德国发射的MOMS－2卫星搭载三线阵CCD相机，从理论上解决了摄站外方位元素的重构问题，大大提高了线阵扫描摄影测量的精度。日本为绘制1:2.5万比例尺地图，研制并发射了先进陆地观测卫星（ALOS），该卫星配备了目前世界上公开报道的最先进的三线阵CCD立体测绘相机（PRISM），可以实现全球无控制测图。

对比

美俄航天侦查相机对比

(1)美俄胶片型相机均以1条线/毫米对应地面距离表示，相当传输型相机的像元分辨率。

航天相机

(3)1颗侦察卫星装有多种相机：侦察相机2台～3台，索引相机1台，星相机1台～2台，有的还装载测绘相机。

(4)采用胶片型的详查相机焦距长、视场角小、摄影高度低。美国第1代详查卫星KH-6的相机焦距1.676m，“大鸟”卫星相机的焦距大于2.4m；前苏联第1代详查相机焦距3m，有的相机焦距大于6.5m，胶片型相机摄影高度160km～170km，传输型相机摄影高度为200km～250km。

(5)胶片型相机采用多体回收技术：美国回收舱达4个，俄罗斯多达10余个。

(1)美国只回收胶片舱，俄罗斯不但回收胶片舱，而且最后一次回收时把相机回收到地面，以便重复使用。(2)美国详查相机多采用折反式或全反式光学系统，俄罗斯多采用小相对孔径(多为1/8)的折射式光学系统。

(3)俄罗斯详查以胶片型相机为主，美国以传输型相机为主。

发展趋势

1、普查与详查相结合

浪斩是在发展普查卫星的基础上发展详查卫星。详查相机的特点是分辨率高，但照相覆盖面

航天相机

仪器。

2、胶片型侦察相机和传输型侦察相机相结合

随着CCD器件的问世，促进了传输侦察相机的发展。传输型侦察相机具有寿命长、近实时的获取信息、可靠性高等特点，因此美俄都大力研制传输型侦察相机。美国以传输型相机为主，辅助航天飞机携带胶片型相机为辅；而俄罗斯却是两种相机配合使用，各发挥其特长，并采用卫星多体回收技术弥补摄影侦察实时性差的缺点，例如俄罗斯CA-119胶片型普查相机仍在服役，分辨率为2m，所拍胶片已向美国空军出售。由此可见胶片型侦察相机在航天侦察中继续发挥作用，返回式卫星并没有过时。航天相机图像的地面分辨率

地面分辨率是航天相机的重要设计指标之一。航天相机图像的地面分辨率是人为定义的地面尺度，随相机工作方式和成像原理的不同，有不同的定义和衡量(评定)标准。

胶片型相机的分辨率常用感光材料每毫米范围内最多可分辨的黑、白线对(黑线和白线宽度相等，相间分布)的数目来表示，其数值是通过相机对一块具有各种不同宽窄、疏密的黑、白线条标板摄影成像来测定的。标板上黑线和白线的亮度对比(即反差)越大，相机的分辨率越优。当胶片型相机从太空轨道高度对准地面作垂直摄影时，与相机分辨率相对应的地面景物的尺度(即与标板线条有相同反差的地面上一组宽度相等、相间分布的黑、白线条内一对线条的宽度)称为图像的空间分辨率。

CCD相机的分辨率常用CCD元件所对应的空间视场来表示；也可以用每平方毫米范围内的CCD元件数或每毫米范围内的CCD元件数来表示。当CCD相机从太空轨道高度对准地面作垂直摄影时，与相机分辨率相对应的地面景物的尺度称为图像的像元分辨率。

从上面所述可见，通常所言的航天相机图像的地面分辨率，并不是对一般地物而言的实际图像的分辨能力，而是对特定的地物(黑、白线条，胶片型相机)或者不考虑地物的类别(CCD相机)人为定义的一种尺度。这就是说，航天相机图像的地面分辨率只是与图像细部特征尺度相对应的地面尺度。

上面论述了航天相机图像地面分辨率的实质，下面对有关它的几个问题作一定的研讨。

①对胶片型相机，不存在图像像元分辨率的概念。胶片型相机是使用感光材料(胶片乳胶层上分布的卤化银晶体)来记录景物的影像(图像)，而且乳胶中的卤化银晶体直径极小(一般不超过3μm)、形状各异、分布随机。

②对CCD相机可以仿照胶片型相机定义图像的空间分辨率，而且这样定义的图像空间分辨率为图像像元分辨率(取一维线尺度)的偶数倍。

胶片型相机图像的空间分辨率指与标板线条有相同反差的地面上一组宽度相等、相间分布的黑、白线条内一对线条的宽度。如果CCD相机对准这种地物作垂直摄影时，其图像的像元分辨率恰等于线条的宽度。在这种情况下，只要黑、白线条的反差足够高，图像上就可显示出可分辨的黑、白线条，即CCD相机图像的空间分辨率为像元分辨率的2倍。反之，若黑、白线条的反差过低，图像上就显示不出可分辨的黑、白线条。由于CCD元件接收到的是来自与它相对应的景物的电磁辐射能量，图像是各像元的拼接，因此，在黑、白线条反差过低情况下，只有当相邻几个CCD元件组成的元件组均感测同一种颜色的线条(黑色或白色)时，图像上才会有可分辨的线条。就是说，在黑、白线条反差低的情况下，CCD相机图像的空间分辨率与像元分辨率之比值K为不小于4的偶数。上述关系参见图1。

③相机图像的地面分辨率可以不作静态与动态之分。按相机与地物是否存在相对运动，其图像

航天相机

如前所述，图像地面像元分辨率为5m意味着宽度均为5m高反差的黑、白线条的像(像元)在图像上是可分辨的。现将2幅这样的图像错开半个像元进行重叠合成，如图2所示。那么，只要黑、白线条的反差足够高，经这种方式重叠起来的图像上可分辨的线条(黑色、灰色、白色和灰色线条顺序排列，组成一组)宽度就只有原来像元宽度的1/2。这样，经折算可得合成后的图像地面像元分辨率就为2.5m。