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探索科研天地 勇攀创新高峰
发表时间 2017-08-02 10:51 来源 本站原创

  导语:光学遥感技术是指在紫外至红外光学波段内,远距离获取目标和环境信息的技术。任何物体都能借助反射太阳光或通过自身辐射来反映自身存在的信息,因此通过遥感技术和地面的信息处理能探测和识别物体的种类是相当广泛的。光学遥感系统通常由遥感器、遥感平台、信息传输和信息处理设备等组成,在军用、民用和科学研究方面具有重要作用。

  当今时代,空间遥感技术水平已成为衡量一国科技发展水平和潜力的重要指标,而随着空间光学遥感需求的快速增长,各国均对空间光学遥感器提出了更高的指标要求。在我国,有这样一位优秀的科学家,致力于空间光学相机系统的设计研究与创新,为促改进光学遥感事业发展、助力国科技与军事建设挥洒了将近四十年的青春与汗水,并取得了丰硕成果。他就是中科院长春光学精密机械与物理研究所博士生导师任建岳研究员。

  求真务实的探索者

  任建岳,1952年10月生,研究员,博士生导师,大视场宽覆盖高分辨空间遥感学术带头人。1980年毕业于吉林工业大学,2001-2009年期间担任863专家组责任专家。1999年获“国家高技术航天领域先进个人”称号,2000年获“863计划航天领域先进个人”,2001年获“863计划先进个人”称号,2010年获“全国优秀科技工作者”称号。因为组织并主持团队突破空间超宽高清动态成像技术,在我国的空间高分辨率光学成像理论和技术研究写下了辉煌的一页。

  履历上的一连串闪光点,记录着任建岳在科学研究道路上留下的足迹。他自1980年开始从事大型光电经纬仪等研究工作,1992年,从某高分辨率相机开始,主要研究空间光学遥感器。37年的科研探索生涯,他长期工作在工程技术第一线,工作勤奋,作风严谨,勇于开拓创新,积累了空间光学相机的丰富经验,高水平高质量完成各项工程任务,奠定了未来我国大视场更高分辨空间相机的技术基础。

  作为我国高性能空间光学相机系统设计领域的学术带头人,任建岳创新提出了兼顾高分辨和大视场空间光学成像新技术体制,突破了传统空间光学仅能顾及高分辨率或大视场的技术瓶颈。他主持研制了7倍于传统空间相机视场的高分辨率相机及以其为基础的型号、换代与拓展等系列的卫星主载荷,不但破解了以往高分辨光学卫星因视场小,难以获取大范围区域图像的困局,以其大视场高分辨的成像能力,可以通过一次成像便实现大范围区域内进行目标的识别和确认,满足了国防安全及国家利益拓展的重大需求,为我国空间相机设计制造技术整体跨代发展,跻身世界前列作出了重大贡献。

  凭借着在研究工作中勇于突破、不断创新的精神,任建岳和团队的研究成果分别于2007年和2008年获得军队科技进步一等奖和国家科技发明二等奖。他们出色完成了高分辨大视场卫星相机的研制,对我国科学技术发展和国防建设具有重大意义。2013年再次获得国家科技发明二等奖。在多年的科研工作中,在空间遥感方面,从设计、加工、装调、检测,应用等方面做出了大量发明,并进行了国有自主知识产权宝货,获得授权发明专利43项,为了知识的传播和经验的分享,发表专著一部,并发表论文165篇,其中EI108篇,SCI 11篇。同时,他还先后为本学科任建岳研究员先后为本学科领域培养硕士、博士89名,其中多名学生继续在团队内从事空间遥感的研制工作,还有多位奔赴到我国的航天院所,从事整星任务研制工作,这和任建岳研究员要求学生们在设计中要有全局观,任何设计都要有整体优化思想的教导师离不开的。

  因为成就突出,2010年,任建岳教授获得中国科协授予的“全国优秀科技工作者”称号。

  不懈前行的创新者

  上个世纪末期,随着军民应用对遥感技术的不断追求,小视场成像的光学卫星已经难以满足需求。在当时的背景下,国家突出了宽幅高分辨光学遥感的急需,而这恰是当时国际上尚未破解的高分辨与大视场“矛盾”的光学难题。

  按照光学设计理论发展程度来讲,西方自80年代已提出可能实现此能力的大视场离轴三反光学方案。90年代中期时,但均因难度大,从未曾在轨实践,所以,任建岳在863-2支持研究基于离轴三反系统实现高分辨率大视场原型样机时,遭受同行大量质疑。

  针对“这么难的系统设计不出来,设计出来也做不出来,做出来上天也不好使”的说法,他们将前两点可归为可行性问题,后一点是考虑稳定性问题。大视场离轴三反系统因消除中心遮拦,具有大视场高分辨率成像的优势,,系统从圆镜同轴对称,变为长镜离轴非轴对称结构,如此面目全非的非常规系统确实超出一般研究者的认识范围;即使有过较深理论研究,率先实践也随时面临失败风险。

  因国外研究起步不久,国内首次研究,几乎没有任何的借鉴与经验,从系统总体到单元技术几乎都是空白,全部需要攻关研究。但对于任教授团队来说,首当其冲的是如何立足国内的技术条件,确立合理的系统总体方案。

  按基于TDI(延时累积积分)成像技术,所流行的美国大像元大F#的思想,及可用的13 μm像元尺寸TDICCD器件设计所流行的美国大像元大F#的思想,整个系统焦距长,相应的主反射镜尺寸大,在当时是无法工程实现的。任建岳针对这一难点,进行了反复得思考与计算,以系统总体最优考虑,突破了当时的思维限制,提出了采用小F数小像元思想,可以在获取同等成像质量的条件下,大大缩小整机尺寸重量,从整个系统上降低研制难度,使得这一技术得以在当时的工程条件下顺利开展。团队以这一系统方案开辟的可行性为基础,经四年多艰苦的努力,基于光机结合的理论研究指导,又先后发明等刚度柔性组合长镜支撑方法,即决了大视场离轴三反系统特有的长条镜反射镜支撑技术。发明共光轴基准装调技术,解决了离轴三反系统的装调难题。2004年,成功完成原型样机全部基础关键单元技术攻关,在国际上最早实现17°视场离轴三反相机原理成像,室内外成像测试证明,该相机达到近理想成像。通过技术鉴定,与会专家一致认为,该原型样机,总体技术达到国际领先水平。

  成果丰硕的收获者

  2005年,任建岳教授开始以此原型样机为基础的卫星载荷研制。他指出,现代成像器件制作与传统棱镜拼接(长约100mm)技术远不能满足大视场相机需求,而焦面板超长结构尺寸可能拉弯成像光敏面,增大拼接与调焦误差。发明交错拼接设备,解决了大视场相机几万像元的高精度拼接难题,针对长焦面的调焦,需要保持整个长度上高精度的调整一致性,发明了双凸轮调焦机构,首次在轨实现长为0.6米数万像元TDICCD微米精度拼接与调焦。后来又改进机构并发明新设备,改交错拼接为反射镜直线拼接,可以更好的保证成像质量。拼接长度也可以达到1米量级。具备了更大幅宽,更高分辨率的相机成像焦面的研制条件。

  在卫星相机的研制中,任建岳通过仿真发现,在轨运动中对地宽幅成像,所产生像移不仅方向改变,卫星侧摆与地球曲率还导致各处像移速度不同。如用常规同速匹配方法,在40︒侧摆与常用8级积分时,边缘传函下降77%,动态像质恶化。因此发明了在轨像移异速分析、改变各片TDICCD行频像速匹配与协调卫星调整偏流角的方法,排除异速造成的片间严重串扰,实现全视场清晰成像。

  同时,针对大视场在轨成像稳定性问题,任教授还采用基于系统传函优化的全过程集成仿真,首次实现了高比刚度SiC长镜组件与SiC/Al框架式整机优化、具有米级长通光孔高精度(优于20℃±0.5℃)热控、力/热(成像)试验评估、在轨辐射校正与像质预测,确保大视场动态成像质量,保证了型号设计与装备研制一次成功。

  在以上技术突破的基础上,任建岳主持完成了我国第一台离轴三反宽幅卫星相机的研制,先后发射了五台入轨组网,完成了我国大量的对地观测任务,在军民生产中发挥了重大作用,做出了重大贡献。以此技术,任建岳总结为“空间高清动态成像技术”经鉴定,鉴定委员会评价:“总体技术达到国际领先水平。”于2013年,再次获得国家技术发明二等奖。

  一直到今天,任建岳研制的空间宽幅相机,其归一化幅宽比日本2006年入轨的国外最高水平的Alos1高2.5倍,是日本将于2019年入轨的ALOS-3相机的1.08倍,在同类设备中依然处于国际领先地位。

  目前,依托于前两项发明,任建岳仍承担有三项重要任务。包括:1.更大分辨率和视场综合指标的相机,进一步提升总体指标,具有更高的应用效能,同时,降低研制成本。2.高分辨率空间相机预研,幅宽较国外扩展3倍。3.采用离轴斯反系统和更小像元的大视场光学相机,在相同指标下,由于采用了新技术,新材料,重量减轻为原来的1/4。适于新体制小卫星星座运用,并具有极低的成本。

  过去的这些年中,任建岳和团队的研究促使我国在新型光学、结构材料、离轴三反光学系统总体设计、加工装备、工艺技术、检测试验及系统集成等方面取得全面突破,使得空间光学系统性能大幅度提升,为我国空间光学遥感器的跨越式发展打下了坚实的基础。对于我国光学相机的发展,他也有着自己的见解,认为一方面,充分发挥我们现在已经积累的离轴三反相机的经验,并加以创新,实现更高分辨率和更大视场;另一方面,对相机的方案坚持使用小像元尺寸的传感器,结合“小F数”(大光圈)的设计思想,进一步优化离轴数码相机的设计。为了能够更好地服务于国家建设需求,他还将继续奋斗下去。