楊秉新

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

中國的第一顆返回式衛(wèi)星是國內(nèi)第一代普查照相衛(wèi)星，主要任務(wù)是對(duì)重要戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行照相普查，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。該衛(wèi)星裝有一臺(tái)膠片型可見光相機(jī)（以下簡稱相機(jī)）和一臺(tái)膠片型星相機(jī)。相機(jī)拍攝地面目標(biāo)，把信息記錄在膠片上。在相機(jī)拍攝每幅照片的同時(shí)，星相機(jī)拍攝一幅恒星照片，記錄攝影時(shí)刻的衛(wèi)星姿態(tài)，用于確定所拍攝地面目標(biāo)的位置。拍攝好的膠片經(jīng)過暗道，被卷繞到回收片盒中，回收片盒隨衛(wèi)星返回艙一起返回地面，膠片經(jīng)過沖洗等處理后提供用戶使用。

相機(jī)是遙感衛(wèi)星的核心有效載荷，是集光學(xué)、精密機(jī)械、電子技術(shù)、熱控等為一體的精密儀器。該相機(jī)于1967年開始研制，到1975年衛(wèi)星成功發(fā)射，先后共研制了10臺(tái)，除獲取大量國外有價(jià)值的照片外，還提供了國內(nèi)部分地區(qū)的照片，圓滿地完成了偵察和國土普查任務(wù)。

多次成功的飛行試驗(yàn)表明，相機(jī)設(shè)計(jì)方案正確，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，相機(jī)的光學(xué)、結(jié)構(gòu)和電子線路工作協(xié)調(diào)可靠，所攝照片影像清晰。

本文回顧了相機(jī)的研制歷程，給出了主要任務(wù)、方案選擇、基本原理和主要參數(shù)，對(duì)照相質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后與美國同類相機(jī)進(jìn)行了比較。

1 研制歷程

1967年到1969年為初樣相機(jī)研究階段，研制出了溫控相機(jī)、電性相機(jī)和初樣相機(jī)。1967年11月開始進(jìn)行相機(jī)方案論證和初樣相機(jī)的設(shè)計(jì)，1968年8月完成初樣相機(jī)的設(shè)計(jì)工作，1969年8月完成了初樣相機(jī)的總裝調(diào)試工作，同年10月在伊爾-14飛機(jī)上進(jìn)行了首次機(jī)載照相試驗(yàn)。相機(jī)從設(shè)計(jì)到機(jī)載試驗(yàn)經(jīng)歷了兩年多的時(shí)間。

1970年到1978年為正樣研制階段（01批）。首先對(duì)初樣相機(jī)存在的問題進(jìn)行了分析研究，做了大量的改進(jìn)設(shè)計(jì)，除了狹縫部件外都做了較大的修改，著重解決輸片問題，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的同步精度，提高了成像質(zhì)量和可靠性，01批共研制了5臺(tái)相機(jī)。1974年完成2臺(tái)正樣相機(jī)研制，1974年因火箭故障，相機(jī)沒有得到考驗(yàn)，1975年11月26日第一顆返回式衛(wèi)星發(fā)射成功，同年11月29日成功返回地面，相機(jī)系統(tǒng)獲得圓滿成功，首次從空間拍攝地面目標(biāo)，成像品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，圖1為第一代膠片型航天相機(jī)和拍攝的照片。

圖1 第一代膠片型航天相機(jī)和所拍攝的機(jī)場照片F(xiàn)ig.1 First generation film space camera and the picture taken by the camera

相機(jī)的主要任務(wù)是國土資源普查和重要戰(zhàn)略目標(biāo)的偵察。從照片上可以發(fā)現(xiàn)礦藏、地面植被、機(jī)場、港口、碼頭、鐵路、公路、大型橋梁、大型艦船等目標(biāo)。

2 相機(jī)的方案選擇、主要參數(shù)和基本原理

2.1 相機(jī)方案和主要參數(shù)

根據(jù)相機(jī)攝影分辨率等技術(shù)要求，對(duì)棱鏡掃描式全景相機(jī)和節(jié)點(diǎn)式全景相機(jī)兩種方案進(jìn)行分析比較，當(dāng)時(shí)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)式相機(jī)存在鏡頭節(jié)點(diǎn)位置找不準(zhǔn)、膠片展平等困難，選擇了棱鏡掃描式全景相機(jī)方案。

相機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 相機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of camera

2.2 相機(jī)的基本原理

棱鏡式全景相機(jī)原理見圖2。在鏡頭前面放置兩塊道威棱鏡，其旋轉(zhuǎn)軸與衛(wèi)星飛行方向平行。照相時(shí)，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)掃描地物，來自景物的光線，經(jīng)過棱鏡后進(jìn)入鏡頭，通過狹縫成像在運(yùn)動(dòng)的膠片上，狹縫位于膠片前面，它只能使沿飛行方向一窄條膠片曝光，對(duì)應(yīng)著地面與飛行方向平行的一條景物。當(dāng)棱鏡掃描到A處時(shí)，地面一條景物被拍攝。隨著棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，地面一條條景物相繼曝光，掃描到B處時(shí)，地物的光線不再進(jìn)入鏡頭。這樣從A處到B處拍攝成一幅全景照片。照相時(shí)，膠片以一定的速度從供片盒卷到收片盒，為了成像清晰，必須保證棱鏡掃描產(chǎn)生的像速度（Vi）與膠片運(yùn)動(dòng)速度（Vf）大小相等、方向相同，通常稱之為速度同步。

式中 Vf為膠片的運(yùn)動(dòng)速度；Vi為棱鏡掃描產(chǎn)生的像速度；f為相機(jī)的焦距；ω為棱鏡照相時(shí)的掃描角速度。

圖2 棱鏡式全景相機(jī)原理Fig.2 The principle of prism panoramic camera

棱鏡勻速轉(zhuǎn)動(dòng)60°照相，對(duì)應(yīng)地面掃描角120°，為了節(jié)省膠片，減少兩幅照片之間的間隔，棱鏡不照相時(shí)快速轉(zhuǎn)動(dòng)120°，膠片仍以勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)棱鏡Ⅱ處轉(zhuǎn)到A處時(shí)，重新開始拍攝下一幅照片，棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一圈拍攝兩幅全景照片。

3 相機(jī)成像品質(zhì)和評(píng)價(jià)

3.1 成像品質(zhì)

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)和從衛(wèi)星上拍攝的靶標(biāo)定量評(píng)定結(jié)果表明，相機(jī)的動(dòng)態(tài)攝影分辨率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求（實(shí)際上相機(jī)地面中心攝影分辨率優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)）。

照片中可以識(shí)別的目標(biāo)有：

1）機(jī)場：機(jī)場跑道、滑行道、停機(jī)坪、機(jī)窩以及跑道配置形式。照片中心部分能判讀出機(jī)場遠(yuǎn)距導(dǎo)航塔、近距導(dǎo)航塔、油庫、彈藥庫。有些照片有飛機(jī)顯示，最好的照片上能判讀出戰(zhàn)斗機(jī)形，大體可以估計(jì)飛機(jī)數(shù)量。

2）港口：碼頭、防波堤，有的照片可以判讀出造船設(shè)施、港口建筑、停泊的大型艦船和行駛的船只，有的可以判讀出水上機(jī)場。

3）宇航發(fā)射場：技術(shù)陣地、發(fā)射陣地、發(fā)射架、行政后勤區(qū)，附屬設(shè)備如機(jī)場、燃料庫等。

4）交通：公路、鐵路、交通樞紐、立交公路、火車編組站以及鐵路公路橋等。

5）工業(yè)：礦山作業(yè)區(qū)、冶煉廠各種廠區(qū)、熱電廠等，有的照片可判出飛機(jī)制造廠和船舶制造廠。

6）城市：街道、樓房、水陸交通線等。

7）地貌：山地、丘陵、平原、島嶼、森林、沼澤、沙漠、湖泊、河流等。

3.2 相機(jī)評(píng)價(jià)

1975年我國自立更生研制成功相機(jī)是我國遙感技術(shù)重大技術(shù)創(chuàng)新，開創(chuàng)我國航天偵察新領(lǐng)域，提供現(xiàn)代化的對(duì)地觀測(cè)手段，使我國繼美蘇后第三個(gè)掌握航天相機(jī)技術(shù)國家，為我國航天相機(jī)事業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，隨后研制成功第二代膠片節(jié)點(diǎn)式普查全景相機(jī)、航天測(cè)繪相機(jī)等。

相機(jī)成功之處：相機(jī)設(shè)計(jì)方案正確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；相機(jī)可靠性高，成功率達(dá)到 100%；許多技術(shù)可用于其它航天相機(jī)上。

4 與國際同類相機(jī)比較

表2是棱鏡掃描式全景相機(jī)與美國第一代膠片型全景相機(jī)KH-1（1999年解密）的性能比較。

表2 中美第一代航天相機(jī)主要性能比較Tab.2 Comparison of main performance of the first generation space camera between Chinese and US

從表2可以看出，棱鏡掃描式全景相機(jī)達(dá)到國際同類相機(jī)的水平，該相機(jī)焦距、掃描角、膠片寬度和裝片量優(yōu)于的美國第一代膠片型全景相機(jī)KH-1。

5 結(jié)束語

第一代膠片型全景相機(jī)是在原6711工程組同志們的共同努力下研制成功的，在這一難忘的日子里，深切緬懷去世的倪志生、耿立中和烏崇德同志，在此向所有支持和做出貢獻(xiàn)的同志致敬。

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