揭秘“薄膜型光学即时成像器”(MOIRE)

　　导读：随着空间竞争的进一步加剧，各国争先恐后地发展侦察预警卫星系统。对于光学成像侦察卫星来说，如何提高对地分辨率、扩大监视范围、加快数据回传速度就成为发展中的重中之重。目前比较认同的光学遥感器前沿技术是天基薄膜衍射成像技术、空间分块可展开光学成像技术、天基光学合成孔径成像技术等，

　　“薄膜型光学即时成像器”(MOIRE)正是基于前沿技术而研制的。

　　“薄膜型光学即时成像器”(MOIRE)由美国国防部高级研究计划局(DARPA)设计，所采用的技术能够让太空望远镜的性能和精确度翻几倍，同时降低制造成本。它在距地面3.6万千米高的地球静止轨道运行，其灵敏的镜头可一次性捕捉地球40%的地表图像，且能在任何时候以1米的分辨率聚焦在10千米乘10千米的区域，并以每秒1帧的速度传回实时高分辨率视频与图像。该卫星的特征是同时具有高时间分辨率和空间分辨率，可以对重要目标进行长期连续监视。

　　“薄膜型光学即时成像器”(MOIRE)实现应用需要突破两大关键技术，包括高控制精度卫星平台和轻质衍射薄膜技术。首先，由于衍射成像系统的焦距较长，高控制精度卫星平台应满足所需长支撑结构或者双星编队飞行的需求。例如，部署在地球静止轨道的20m口径侦察卫星，其支撑结构长度需要达到50m。其次，轻质衍射薄膜可大幅降低光学系统质量和加工要求。在相同分辨率下，薄膜衍射成像系统的质量仅为反射光学系统的1/7，且对镜面加工精度的要求降至反射系统的1/2，易于批量生产。MOIRE的应用概念如下视频所示。

此处插入视频(查看视频请点击下面的原文链接)

　　为此MOIRE拟采用超级薄膜镜头，这种薄膜材质只有铝箔包装纸那么厚，与传统光学镜头反射光线不同，它能够衍射光线，并具有延展性，能先以折叠形式送入太空轨道，然后根据需求可伸展到直径20米左右，当前最大的地面望远镜镜头直径也只有它的一半。下图是MOIRE、哈勃太空望远镜(Hubble)、W.M凯克望远镜(Keck)、詹姆斯-韦伯太空望远镜(Webb)以及斯皮策望远镜(Spitzer)的口径对比图。明显可以看出MOIRE卫星的巨大。

　　MOIRE的膜光学系统不是用镜子反射光线或用镜头折射光线，而是衍射光线。每个膜都用作菲涅耳透镜——圆形同心向外扩散，中心间距数百微米，外边缘只有4微米。衍射图案将光聚焦在卫星转换成图像的传感器上。MOIRE技术将膜置于薄金属中，以紧密排列的形式发射，直径约为20英尺。到达目的地轨道后，卫星将展开薄金属以创建全尺寸多镜头光学系统。

　　制造MOIRE衍射光学段的过程很复杂，先在玻璃上镀铬制作主图案，然后用光敏涂层均匀地覆盖膜表面，并将主图案放置在类似于膜上的模板上。当光敏涂层曝光后产生图案，最后使用离子束蚀刻器将图案永久地刻到膜中，并剥离涂层。结果是膜表面被图案化，具有均匀深度的精确间隔的凹槽。

　　MOIRE衍射光学段的材料几乎不经历热膨胀，但具有较大的水分膨胀系数，会导致随着湿度水平的变化而膨胀和收缩。这种行为会扭曲衍射图案或移动与镜头段匹配的内置对准基准点。研究人员指出，光刻胶涂层工艺确实会导致材料拉伸和下垂，不过可以通过衍射光学组在主模式中对其进行补偿，或通过自适应光学系统对其进行校正，从而为望远镜创建校正透镜。研究人员还在试验最佳的安装膜和保持张力的方法，以改善整个制造过程中的平滑度和径向均匀性。

　　MOIRE在2014年完成5m口径地面样机的衍射成像试验以及相应环境测试，技术成熟度达到4级。之后无论是DARPA还是MOIRE项目的主承包商Ball Aerospace and Technologies公司都暂未透露任何新进展，相关人士预计MOIRE项目将于2027年运行。

　　总结

　　MOIRE中的天基薄膜衍射成像技术代表了高分辨率光学成像卫星的一个重要发展方向。无论是高轨卫星还是低轨卫星星座，都将使美军实现有效的全球侦察，以及对目标的连续、实时监视。这种实时、近实时的高分辨率成像侦察能力将改变态势感知形势，我国同样应将研究重点放在已经得到验证的先进技术，开发出属于我国的高分辨率成像侦察卫星。

　　主要参考文献

　　1. Replicated Diffractive Optics for LARGE APERTURE SYSTEMS

　　2. Developing Lightweight Optics for Space

　　3. DARPA'S GIANT FOLDING SPY SATELLITE WILL DWARF ALL OTHER SPACE TELESCOPES

　　4. 国外卫星光学遥感器前沿技术发展探析_陈建光

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/aUiceCPC40KlH3YF7Z7hCw

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