空间红外光学相机搭载在卫星平台上，拥有特殊的观测位置，能够从空间多维的视角实现对地观测。空间光学技术经历了几十年的发展，空间红外相机的技术全方面提高，空间红外载荷从大体积、大质量发展为现在微纳、精密类型，红外载荷的空间分辨率从最初的几十米提升到现在的0.1m，数据传输方式从最初的胶片返回式传输到现在的在轨实时传输，光谱范围逐渐增大，成像通道数越来越多，发展到高光谱成像技术等。空间红外相机应用十分广泛，根据空间红外相机实际用途与探测对象的特点，空间红外相机可应用于林业监测、农业调查、气象、海洋观测、灾害预防、地形地貌观测、军事成像侦察等领域。
据麦姆斯咨询报道，近日，北方夜视科技研究院集团有限公司的研究人员在《红外技术》期刊上发表了题为“空间红外相机技术发展现状及应用”的综述文章，梳理了国内外在轨实时传输型空间红外相机技术的研究现状，并分析了在轨实时传输型空间红外相机的相关技术途径和进展，展望了在轨实时传输型空间红外相机光学技术的发展趋势。随着空间技术不断提高，胶片返回式空间红外相机逐步被在轨实时传输型空间红外相机所取代，现在世界各国普遍发射实时传输型空间红外相机进行侦察照相。欧美等发达国家一直在实时传输型空间红外相机技术方面驱动着航天技术发展，中国等发展中国家也一直不断突破自我，实现技术进步。在轨实时传输型空间红外相机光学技术相较于胶片返回式空间红外光学技术有全方位、多角度提高，当前，空间红外相机技术正在朝着如下技术特点发展：1）在远距离对地观测中，提高空间红外光学系统的成像能力，发展自适应光学技术，实现超高空间分辨率。2）减小大口径光学元件的重量，实现光学元件大口径、轻量化、受力稳定、面型高精度。3）在满足光学系统调制传递函数（Modulaion Transfer Function，MTF）的前提下，实现可见光、红外波段共口径高空间分辨率成像和多角度、多光谱多元融合成像，并且实现高光谱分辨率。4）提高空间红外相机对地观测的视场，增大扫描幅宽，空间红外相机获取的图像信息就越多，时间分辨率就越高。5）实现大口径、小中心遮拦比，易于加工装调，空间红外光学系统以折反式为主流。6）消除色差、扩大视场、去掉中心遮拦，提高空间红外相机像质，空间红外光学系统以离轴大视场的三反射镜消像散（Three Mirror Anastigmat，TMA）为核心。7）针对空间光学载荷轻量化、精密化、小型化的水平，发展智能微纳遥感载荷等。多光谱折反式大口径空间红外相机
国际遥感界将光谱分辨率在λ/10数量级范围称为多光谱，多光谱技术利用地物等目标在不同谱段范围的辐射特性不同，实现复杂的目标检查和成像分析。折反式光学系统相较于折射式光学系统，其反射镜没有色差、二级光谱较小。
2015年12月29号，高分四号卫星发射升空，高分四号卫星空间相机采用折反式光学系统结构，以中波红外谱段为主，利用大口径、长焦距光学系统和大面阵探测器及高速低噪声处理电路实现了较高的空间分辨率和时间分辨率。高分四号红外凝视成像相机在中波红外谱段成像幅宽为400km×400km，空间分辨率为400m，时间分辨率最高为5s；该相机配备了HgCdTe面阵探测器，制冷温度为80K；可通过卫星姿态机动实现“步进与凝视”成像，中波红外谱段既可以单次成像，也可以连续成像，属于中国第一颗地球同步轨道上的高分辨率卫星。高分四号卫星示意图如图1所示，2016年7月7日，高分四号红外凝视成像相机对首个登陆台风“尼伯特”的观测图如图2所示.
图2 台风“尼伯特”观测图
美国在2021年5月18日发射的地球静止轨道卫星8号（Geostationary
Earth Orbit-5，GEO-5）和高椭圆轨道卫星2号（Highly Elliptical
Orbit-2，HEO-2）携带的空间红外相机均采用施密特（Schmidt）型望远镜光学系统结构，在红外谱段均涵盖短波红外、中波大幅宽探测应用空间红外相机红外、长波红外波段；传感器具有扫描成像和凝视成像两种方式，可24h全天候监测。其红外相机收集的数据使美国军方能够检测导弹发射、支持弹道导弹防御、扩大技术情报收集和加强战场态势感知。一种施密特（Schmidt）型光学系统如图3所示。HEO-2载荷相机拍摄到的导弹穿过云层发射的红外卫星图像，如图4所示。TMA（三反射镜消像散）空间红外相机
随着空间光学技术的发展，要求空间红外相机的体积、重量减小的同时，增加光学系统的视场、能量收集率，并且针对杂散光进行有效抑制。空间红外相机要采集高质量图像就要采用大口径元件，传统的折反式光学系统带来的遮拦比会减小光学系统收集的能量，离轴三反消色散光学系统在光机设计时可以有效减小光学系统设计时的体积、重量，具有能量利用率高、无中心遮拦等优点。
德国的EnMAP卫星高光谱成像仪光学系统采用离轴三反式光学系统，焦距0.5224m，F数3；EnMAP高光谱成像仪采用堆扫成像模式，幅宽为30km，在可见光/近红外光谱谱段和短波红外光谱谱段以2.63°视场角实现空间分辨率30m；该成像仪SWIR采用制冷型探测器，工作温度150K。德国EnMAP卫星工作扫描如图5所示。
图5 EnMAP工作扫描图2019年9月12日，资源一号02D卫星发射升空，资源一号02D卫星携带的高光谱相机（advanced
hyperspectral
imager，AHSI）也采用TMA光学系统，光谱范围为0.4～2.550μm，帧频为250帧/s，光学系统F数为2.83，对地探测幅宽为60km，空间分辨率为30m，可见光/近红外谱段光谱分辨率为10nm，短波红外波段光谱分辨率为20nm；采用Offner结构凸面光栅分光技术将可见光和短波红外分开，按照不同波长散射成像于光谱仪的面阵探测器上，AHSI针对短波红外谱段配置4个国产Si基HgCdTe
512×512焦平面器件，通过“品字型”拼接，获得2000×512的红外焦平面探测器；制冷机对短波红外焦平面进行制冷冷却，AHSI利用高光谱技术可以进行对地观测，实现对地面目标全面的辐射、光谱等信息监测，可在国土环境监测、资源勘查、农林渔牧等领域发挥重大作用。图6是资源一号02D卫星示意图，图7为高光谱相机对天津港拍摄的伪彩色合成图像。
图7 天津港的伪彩色合成图
空间光学技术经过近几十年来的发展，出现了高光谱技术，国际遥感界将光谱分辨率在λ/100的遥感信息称之为高光谱遥感。搭载在卫星平台上的空间红外相机，在多个谱段范围内，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像。空间红外相机将目标的图像和光谱信息进行融合，会极大地提高了信息的丰富程度。2018年5月9号，中国科学院上海技术物理研究所研制的可见光短波红外高光谱相机AHSI和北京空间机电研究所研制的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪和全谱段光谱成像仪搭载于高分五号卫星发射升空。可见短波红外高光谱相机能够在谱段范围400～2500nm内的330个光谱通道获取图像，探测幅宽为60km，空间分辨率30m，光谱分辨率10nm。在高光谱分辨率空间载荷里，德国的EnMAP高光谱成像仪光谱分辨率达到9.3nm，日本的ALOS-3空间相机光谱分辨率达到10nm，意大利的PRIMSA-HSI光谱分辨率小于12nm，以上均为世界较高水平的光谱分辨率空间载荷。高分5号搭载的红外光学载荷实现了高光谱、多谱段、高分辨率成像，意味着中国的空间光学技术进一步提升了，逐步缩小与发达国家的空间光学技术水平，走向世界星载相机技术前列。
微纳遥感卫星空间红外相机
过往的空间载荷设计体积和质量都过于庞大，近年来，空间载荷依托以提高“功能密度”为核心的系统小型化、轻量化和低功耗等技术，旨在发展微纳遥感卫星，在完成预定功能的前提下，尽可能减小卫星的体积、质量和功耗，提高卫星的可靠性，节约成本、能量。
2019年3月21日，意大利航天局研制的PRIMSA高光谱卫星发射升空。PRIMSA高光谱卫星携带的空间相机整机外形图如图9所示。
图9 PRIMSA空间相机布局图
整机尺寸为770mm×590mm×780mm，重量不足90kg。PRISM高光谱成像仪在轨高度620km，具有239个波段通道，波段成像范围0.4～2.5μm，光谱分辨率低于12nm，空间分辨率为30m，影像幅宽为30km。PRISM高光谱成像仪也是采用TMA光学结构，焦距620mm，配置1000×256元探测器，像元尺寸为30μm×30μm。主要用于欧洲和地中海区域的环境保护、可持续发展、气候变化等应用。
空间红外相机对比与展望
在空间红外相机的设计参数层面，各国正在加大对空间红外相机的投入，发射升空的星载红外相机的数量越来越多，星载红外相机的光谱范围、空间分辨率、谱段数、光谱分辨率、幅宽等参数不断提高，尤其是谱段数和光谱分辨率在整个发展趋势中最为明显。随着科技的发展，卫星的体积、重量都过于庞大，将其发射升空所需人力、物力成本十分昂贵，为了节约成本，提高卫星发射、工作效率，空间载荷朝着遥感小卫星方向发展。当前，美国在空间红外相机技术处于领先者的地位，国内空间红外相机技术起步较晚，但中国航天事业飞速发展，空间红外光学载荷技术一直向提高光谱分辨率、波段数与幅宽等方面努力，尤其是在空间分辨率方面具有较大提升。相信随着中国科技、经济实力的进步，中国的高分空间红外相机技术一定会不断突破，取得非凡成就。
针对空间红外相机技术发展及应用的总结：
1）空间红外相机正在向小F数、大视场、高光谱分辨率、大幅宽、高度集成、全数字、微纳低成本、分辨率突破厘米级，接近近景成像水平方向发展；
2）相机技术与功能高度集成，实现更多光谱融合，将线阵、面阵、多面阵红外探测器件高度集成；
3）随着高速测算电路的发展，同时星上数据传输方式更为快捷，时效性更高，甚至在星上可以实现自动处理；
4）空间红外相机搭载于卫星，采用分布式星座布局，能实现对全球范围内多层次、多视角的立体侦察，提高星载相机时间分辨率，形成星上互联的高光谱卫星综合观测体系；
5）积极发展微纳、性价比高和可应急发射的军民两用的高分辨率空间红外相机，可以使其商业价值、军事价值显著提升；
6）空间红外相机逐步综合化、功能化，拓广监测范围、增强环境适应性、加大采集数据量、提高实时性，可以对农林渔牧业等不同领域，海洋、陆地、大气等不同环境进行实时的长期监测和数据传输。
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
