资源一号卫星上的“天目”

CCD的基本概念

1969年问世的CCD是一种以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，中文全称为“电荷耦合器件”。

CCD是以金属-氧化物-半导体（MOS）电容器为基础发展起来的，由主体部分、输入部分和输出部分这3个基本成分组成。其中，主体部分实际上是一串紧密排布的MOS电容器，主要作用为存贮和转移来自输入部分的信号电荷。

根据用途的不同，CCD可分为成像CCD、CCD信号处理器和CCD存储器。当MOS阵列中的电荷包（存贮在每个MOS内的电荷总体）是由光线照射产生，即输入部分为光敏元件（如硅）时，这种CCD就是成像CCD。在成像CCD中，各电荷包被依次转移到输出部分。这时，CCD所起的作用就是固体自扫描成像。成像CCD兼有摄像和信号传播功能，具有功耗低、轻便小巧等优点。

目前比较成熟的成像CCD工作于波长不大于1.1微米的可见光和近红外范围内。它们通常采用硅材料（半导体）作衬底，表面为厚度约几分之一微米的二氧化硅（绝缘层），表面上淀积多个相距很近的电极（栅极），电极上为光敏元件，即将光敏元件和电荷转移机构集成在同一硅片上。成像CCD的基本结构形式有线列CCD和面阵CCD。其中，线列CCD为多个光敏元件沿一条直线规则排列构成，面阵CCD为多个光敏元件在平面内规则排列构成。考虑到资源一号卫星CCD相机采用线列CCD作为地物（指地球及其大气层中存在的物体）电磁辐射能量（反射的太阳光）的探测器，故下面只讨论线列成像CCD的结构和工作原理。

线列成像CCD由一个线列光敏元件和与之平行的两个线列MOS电容器（又称移位寄存器）所组成，光敏元件线列位于中间，在其两侧各设置了一个转移区。光生电荷包（与所受到的辐射照度成比例）被分别送到两侧的转移区，电荷包序列由多相时钟脉冲电压驱动串行输出，在器件输出端两路信号再并成一路。

由光学系统、线列成像CCD、电子电路、传输器、显示器等组成的成像系统称为线列CCD成像系统。其中，光学系统将入射的光收集、会聚到安放线列成像CCD的焦平面上；线列成像CCD将接收到的光信号转变成电信号，并将电信号按顺序输出；电子电路用来将线列成像CCD输出的电信号进行放大和处理，以便最终传输和显示出来。

线列CCD成像系统只能完成一维扫描（行扫），当它装在卫星等飞行器上时（光敏元件排列方向与飞行方向垂直），则可以由飞行器完成与行扫相垂直的另一维扫描，从而可获取二维图像。由于这种系统工作时像用推刷扫地一样，故称为“推刷”式扫描成像系统。

资源一号卫星CCD相机的工作谱段有5个：一个在蓝光谱段，波长为0.45～0.52微米；一个在绿光谱段，波长为0.52～0.59微米；一个在红光谱段，波长为0.63～0.69微米；一个在近红外谱段，波长为0.77～0.89微米；一个在全色谱段，波长为0.51～0.73微米。该相机还具有侧视功能，侧视角为±32度。

具体组成

CCD相机是由光机设备、光机控制盒、温控设备和电路等组成的一个涉及到光学、机械、电子等领域的复杂的工程项目。

光机设备是CCD相机的主体，由反射镜、主光学镜头组、定标装置、焦面机构、成像CCD器件（线列）和驱动电路等组成。其中：

——反射镜为平面镜，用于将来自地物的光反射到镜头内，反射镜可作±32度的侧向摆动，从而使相机能每间隔3天对某一地面景物进行重复成像；

——主光学镜头组为全折射式透镜组，焦距520毫米，视场角8.4度，镜头相对孔径（有效孔径与焦距之比）为1/4，镜头材料为特种光学玻璃，镜头组前另有一块石英玻璃保护镜；

——定标装置包括照明灯和照明光学系统，用于为相机的输出信号提供参考基准；

——焦面机构包括由分光棱镜、拼接棱镜和滤光镀膜组成的棱镜分光系统以及CCD器件和匹配电路、调焦机构，棱镜分光系统将通过镜头的可见光/红外线分解为4个（即蓝、绿、红光和近红外）多光谱和1个全色光谱的光，探测各谱段光的线列CCD分别安装在相应棱镜后端的焦面上；

——调焦机构按地面遥控指令进行调焦，以使实际的焦面位于能获取到优质图像信号的位置上；

——驱动电路用于将时钟脉冲发生器发出的信号馈给CCD器件。

根据相机的视场角和焦距，每谱段CCD线列应有6000个元件（元件尺寸为13微米×13微米），但所采用的CCD器件（美国仙童公司产品，牌号143A）每块只具有2048个元件。为此，采用拼接棱镜将3块CCD器件拼接成一个长线列。

光机控制盒用于控制反射镜、调焦机构等活动部件的运动。

温控设备采用被动式温控为主、辅以主动加热的方案进行设置，以保证相机各部分的温度处在规定范围内。其中：反射镜温度控制在5～15摄氏度，主光学镜头组温度控制在20±3摄氏度，焦面机构温度控制在18±3摄氏度。

CCD器件获取的地物辐射信息经电子电路放大处理后，通过工作于X波段的高码速率数传系统向地面发送。

主要性能

资源一号卫星运行轨道的标称高度（海拔）约780公里。在此高度上，其CCD相机的推刷宽度为113公里，与CCD元件尺度相对应的地面景元（通常称为像元）的尺度——即相机的像元分辨率为20米。资源一号卫星CCD相机的主要性能相当于法国1986年发射的斯波特1卫星和1990年发射的斯波特2卫星上携带的CCD相机的性能。

资源一号卫星CCD相机的研制负责单位为中国空间技术研究院西安空间无线电技术研究所和北京空间机电研究所。在研制过程中，研制人员解决了一系列技术难题。地面试验表明，该相机工作正常，性能指标满足设计要求，可以用于执行飞行任务。

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