拓展浮空平台验证能力，助推光电载荷前沿探索
-记中国科学院系留气球在强度关联光谱相机综合测试中的应用
由中国科学院光电研究院承担的863计划“强度关联遥感成像外场综合测试技术”最近通过了科技部国家遥感中心验收，为强度关联遥感载荷的研制与应用发展奠定了坚实的基础。其中系留气球系统起到了重要的支撑平台作用。
亟待验证的强度关联光谱相机
有别于现有光学成像技术采用物空间到像空间的“点”到“点”对应模式，强度关联遥感成像技术是利用光场的量子涨落及其关联获取目标图像信息的一种新型成像技术，为图像信息的获取提供了一条可突破传统光学成像技术图像分辨率和图像获取效率理论极限的全新技术途径。中国科学院上海光学与精密机械研究所在863计划的支持下，在国际上率先建成了第一台激光三维强度关联成像工程原理样机。
强度关联成像技术在遥感、显微、精确制导等领域具有巨大的应用前景，亟待进行外场综合测试验证。为此，中国科学院光电研究院在2014年承担了863计划“强度关联遥感成像外场综合测试技术”课题，目标旨在前期被动光学高光谱强度关联原理样机的基础上，推动其工程化验证进程，支撑其搭载到应用平台上进行实际飞行实验，突破基于飞行器平台的强度关联遥感成像应用关键技术，实现从野外静态场景到基于航空浮空器平台的光学强度关联遥感成像跨越；实验演示强度关联遥感成像技术与传统光学成像技术相比较而言的若干前所未有的新的遥感成像能力，完成强度关联遥感成像技术的应用理论体系建设。
系留气球平台多项关键技术突破
经过综合论证，研究团队选择系留气球作为强度关联相机的测试搭载平台。系留气球是一种无动力浮空飞行器，用系缆与地面设施连接，球体内充氦气，依靠浮力悬停在空中。系留气球系统一般由球体、系缆、锚泊设施、测控、供电等组成。系缆是为了约束气球停留在期望的高度，内部有导线与光纤，前者为气球所搭载的各种载荷提供电力，后者可将传感器获得的信息传送至地面接收站。正因为系留气球大多采用地面设施供电，其续航时间才不受能源的限制，与其他飞行器相比具有显著优势，小型的系留气球系统续航时间可以长达1-3天，中大型的系留气球系统持续驻空工作时间可超过15天。
系留气球系统组成图
强度关联成像外场综合测试系统
在三年的研究周期内，光电院突破了系留气球雷电防护，复杂工况下球体动力学分析，球载不间断电源供应，球载在线充电，球载脉冲式大功率放电电源，系缆收缆主动控制等诸多关键技术，研制成功了1600立方米的移动式对地观测系留气球系统，有效载荷超过250kg，升空高度超过海拔2000m，数据传输速度大于1Gbps，抗风能力超过24m/s，达到国内先进水平。
杂工况球体模态分析
强度关联遥感成像系留气球系统
光电院完成了系留气球平台搭载被动光学强度关联成像载荷在不同高度的数据获取飞行试验，获取的数据包括项目组人工部署的扇形、灰度等级、彩色和条形靶标，以及树木、房屋、小汽车等自然场景目标，在国内首次实现了强度关联成像载荷在航空遥感平台上进行外场成像，验证了光电研究院研制的系留气球科学试验平台对强度关联成像载荷空中成像在高精度稳定、高速率实时数据传输、高质量供电、高精度姿轨测量等方面的可靠支持能力。
系留气球上搭载的强度关联光谱相机
外场综合测试取得预期验证效果
2017年11月，“强度关联遥感成像外场综合测试技术”课题顺利通过专家组评审验收，评审专家组认为，该课题突破了外场性能测试标准目标、自适应高效压缩感知关联重构、大功率球载供电、稳定平台柔性精密传动控制等关键技术，构建了我国首套凝视型载荷外场综合测试系统，成功组织实施了三次大型外场综合测试科学试验，为强度关联遥感载荷的研制与应用发展奠定了坚实的基础。课题研究成果将纳入国家高分辨率遥感综合定标场，服务于我国新型遥感载荷的研制与发展、成像应用模式分析与验证，进而推动我国对地观测技术的发展。
系统升空试验
浮空飞行器平台更广泛的应用展望
系留气球是浮空飞行器家族的重要成员。在何泽慧院士等老一辈科学家的倡导下，中国科学院早在四十年前就开始发展浮空飞行器，目前已具备包括高空零压气球、超压气球、系留气球、中低空飞艇和平流层飞艇的研制能力。浮空飞行器具有广泛的用途，我国去年6月成功发射的世界上第一颗硬X射线望远镜天文卫星取名为“慧眼”也是为了纪念何泽慧先生，在这之前曾经用高空气球搭载硬X射线探测器验证了技术可行性。
中国科学院浮空器研究中心的系留气球是靠自主创新从1988年开始逐步发展起来的，1989年研制成功的“海南一号”系留气球系统，体积150立方米，是国内首套实用型系留气球系统。1995年，研制成功400立方米高原型系留气球系统，1996年研制完成车载型机动系留气球系统，2009年研制完成当时国内最大的系留气球预警系统并交付用户，2016年12月，光电院KX-10系留气球搭载探索1号科考船进行海上立体观测试验，是国内首次船载系留气球应用试验。2017年9月，“中国科学院科技服务网络计划（STS）-先进浮空器制造与应用”项目完成应用示范飞行任务，参与此次飞行试验的“机动式系留气球”，能够快速展开，单次系留驻空时间可达3天，针对快捷部署监控、通信等应用需求，实现了机动性强、系统可靠、使用操作方便的目标。2017年12月光电院的KX-15系留气球红外观测系统在海拔4700米的可可西里无人区首次升空，用于对保护区动物行为的观测和研究。
船载系留气球立体观测系统
STS项目机动式系留气球系统
在可可西里无人区升起的KX-15系留红外观测系统
中科院浮空器团队具有结构建模、大型结构分析、热分析、气动分析计算的软硬件平台和一批高水平长期从事刚性结构、柔性结构、热分析和气动特性分析研究的科技人员，能够深入进行浮空器的研究设计工作。系留气球系统技术已经较为成熟，先后形成了代号为KX-10、KX-14、KX-15、KX-31、KX-47等系列的系留气球产品。光电研究院将继续紧密结合自身的光电专业特色，为科学院的前沿科学探索做好技术支撑，在国民经济的主战场中发挥更加重要的作用。