嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機設計與驗證

趙葆常 楊建峰 汶德勝 高 偉 常凌穎,2 薛 彬

(1 中國科學院西安光學精密機械研究所,西安 710119)

(2 中國科學院研究生院,北京 100049)

1 引言

嫦娥一號衛(wèi)星的CCD立體相機,采用了廣角、遠心、消畸變的光學系統(tǒng),配以一塊1 024×1 024 元的面陣CCD 作為圖像遙感器,取其第1 行、第512行及1 024 行作為前視、正視與后視遙感器[1];該相機在軌無故障運行1年4個月,已獲取了目前國際上覆蓋最完整、質(zhì)量最好的全月面立體影像圖[1-2]。但是它的地元分辨率在200km 圓軌道上僅為120m,所以只能發(fā)現(xiàn)較大尺寸的目標,若以月坑直徑為例,則它只能發(fā)現(xiàn)直徑大于360m 的月坑,為了向月球科學家提供更高分辨率的三維影像,并為嫦娥三號著陸器和月球車提供虹灣地區(qū)著陸點附近詳細的地形地貌數(shù)據(jù),嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機大幅度提高了地元分辨率。

根據(jù)任務要求,嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機應滿足在兩種軌道上實現(xiàn)立體成像:一是具有在100km 的圓軌道上實現(xiàn)地元分辨率優(yōu)于10m 的全月成像能力,二是具有在100km/15km 橢圓軌道近月弧段上獲取地元分辨率優(yōu)于1.5m 的局域立體成像能力;前者將為月球科學家提供更為精細的全月三維地形地貌圖,以便對月球進行更詳細的地質(zhì)學研究,后者主要為嫦娥三號月球探測任務服務。

2 總體方案及系統(tǒng)參數(shù)計算

衛(wèi)星總體與中科院探月工程總體部下達的嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機的主要技術指標如表1所示。

表1 嫦娥2 號衛(wèi)星CCD立體相機主要技術指標Table1 Main technical parameters of CCD stereo camera of Chang' e-2 lunar orbiter

無論是在100km 的圓軌道上實現(xiàn)地元分辨率優(yōu)于10m 的全月成像時對極區(qū)低反射目標的立體成像,還是對100km/15km 橢圓軌道近月弧段上獲取地元分辨率優(yōu)于1.5m 的虹灣地區(qū)立體成像(虹灣地區(qū)中心位于北緯44.1°,反射率在0.05～0.1 之間,是低反射區(qū)),由于地元分辨率高,允許的最長曝光時間短,所以CCD立體相機的探測靈敏度是首先必須解決的技術問題。參照嫦娥一號衛(wèi)星CCD立體相機在軌獲取全月圖像時的各項參數(shù)及相應的實際圖像的灰度值[1-2],認為從保證CCD立體相機的探測靈敏度出發(fā),擬采用高靈敏度的時間延遲積分CCD(稱為TDI-CCD)作為圖像遙感器是一種科學合理的選擇[3-5],采用TDI-CCD 還可以大大簡化光機系統(tǒng),且研究所內(nèi)已有符合要求的TDI-CCD 器件。

2.1 光學系統(tǒng)焦距計算

TDI-CCD 器件的像元數(shù)N為6 144,積分級數(shù)為16、32、48、64、96級共5 檔,它們的曝光時間之比為1 ∶2 ∶3 ∶4 ∶6。因為在100km 圓軌道時,在赤道上相鄰軌距約為32km,從軌道間拼接要求出發(fā),要求100km 圓軌時月面刈幅寬度L 大于等于43km ,以43km 計,立刻可以計算出采用單片TDICCD(有效像元數(shù)為6 144 元)最高可能的地元分辨率

因為任務要求地元分辨率優(yōu)于(小于)10m,所以用單片TDI-CCD 已能滿足要求。根據(jù)CCD 像元尺寸dx為10.1μm ×10.1μm ,在軌道高度為H =100km時,立刻可以求出光學系統(tǒng)的焦距f′為

式中,H為軌道高度、GSD為地元分辨率,dx為CCD 像元尺寸,f′為光學系統(tǒng)焦距,則

由于100km/15km 橢圓軌道近月弧段的攝影高度比100km 圓軌道降低了85km ,所以立刻可以估算出它的地元分辨率應為1.05m,同樣符合任務要求的優(yōu)于1.5m 的指標。

2.2 焦平面配置與系統(tǒng)視場角

嫦娥一號衛(wèi)星中的CCD,每個視角(每行)為500個像元,三行共1 500個像元,而且行頻僅為12行/s,數(shù)據(jù)率為0.144M bit/s,而嫦娥二號的CCD一個視角(一行)數(shù)據(jù)率就達10.91 M bit/s,如果采用與嫦娥一號相同的三線陣焦平面方案,則總數(shù)據(jù)率達32.73 Mbit/s,給數(shù)據(jù)下傳帶來巨大的壓力。為此采用了雙線陣CCD 相機的立體配置方案[6],在這種條件下數(shù)據(jù)量仍達21.82M bit/s,為嫦娥一號總數(shù)據(jù)率的151.3倍,因此必須采取數(shù)據(jù)壓縮技術才能滿足數(shù)傳的要求。

從獲取立體圖像來說,兩線陣就可滿足要求,它將從CCD 相機像方獲得4個已知量x前、y前及x后、y 后,用最小二乘法求解月面目標點的三個坐標值x、y、z[7]。但是因為通常光學系統(tǒng)視場中心部分的像質(zhì)總會優(yōu)于視場邊緣,所以從保證正射圖像(星下點)的質(zhì)量出發(fā),總希望在視場中心部分配置一條正視遙感器,但當方案被限制在只用兩個視角時,這種配置的基高比較小。經(jīng)平衡折衷后,嫦娥二號中兩條線陣CCD 的配置為前視8°及后視-17.2°,前視8°照顧了正射圖像,這時的基高比值可達0.45。

對CCD立體相機,焦平面配置一旦確定,就可以立刻計算出系統(tǒng)的總視場角。圖1中,O 點為光軸中心點,后視17.2°的CCD 中心點B到O 點距離OB =f′·tan17.2°=44.67mm,而B A=(6 144 ×0.010 1)/2=31.027mm。立刻可以求出像方的最大線視場OA=54.4mm,在半徑方向再留約1mm的設計、加工與裝配余量,確定像方線視場為φ110.78mm,相對應的視場角(2ωUP)為42°。

圖1 焦平面配置圖(單位mm)Fig.1 Schematic diagram of focus plane(mm)

2.3 相對孔徑的考慮

通常相對孔徑的考慮基于如下兩個方面:系統(tǒng)能量與衍射極限。由于采用了TDI-CCD,系統(tǒng)能量是足夠的,因此在嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機相對孔徑的考慮中主要是衍射極限,同時對航天產(chǎn)品還應適當考慮相機的重量與尺寸。經(jīng)初步預估對50 lp/mm 的奈奎斯特(Nyquist)空間頻率(它對應CCD 像元尺寸為10.1m ×10.1m),當相對孔徑取F/9時,衍射調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)約為0.7,按設計經(jīng)驗評估,認為對這樣一個系統(tǒng),在像差校正上可以做到接近衍射極限。

從上面計算,認為嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機的光學系統(tǒng)參數(shù)為:

1)焦距f′=144.3mm

2)相對孔徑F/數(shù)=F/9

3)視場角2ωUP=42°

4)基高比為0.45

5)成像模式為雙線陣CCD立體成像

上述光學系統(tǒng)在100km 圓軌道與100km/15km 橢圓軌道上可達到的技術指標如表2所示,它滿足了衛(wèi)星總體下達的技術指標。圖2為該相機的推掃示意圖。

2.4 光譜范圍選擇

與嫦娥一號衛(wèi)星CCD立體相機相比,嫦娥二號的立體相機焦距增大6.2倍,視場角從36°提高到42°,要求的奈奎斯特空間頻率從41 lp/mm 提高到50 lp/mm ,顯然設計難度大幅提高,從保證圖像質(zhì)量的要求出發(fā),我們的設計目標是整機全視場發(fā)射前的檢測MTF 仍大于0.4,但是在通常的情況下它是無法達到的。

圖2 嫦娥二號衛(wèi)星有效載荷CCD立體相機推掃示意圖Fig.2 Schematic diagram of Chang＇e-2 lunar orbiter CCD stereo camera

表2 嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機技術參數(shù)設計值Table2 Design technical parameters of CCD stereo camera

為此,我們研究了TDI-CCD 器件的對比傳遞函數(shù)(CTF)特性。

廠家給出的CTF(λ)曲線,是以矩形鑒別率條紋的測試數(shù)據(jù),它與MTF 間的關系為CTF。圖3 中縱坐標為CTF值(MTF),橫坐標為波長,從圖可以看出CTF 對波長有重大的依賴關系,在波長為450nm～520nm 間,器件的CTF 非常高,接近0.9,換算為MTF 后接近0.7,而隨著波長的增長,CTF 快速下降,在λ=1μm時,CTF 僅為0.3。因此我們選擇450nm～520nm 作為CCD立體相機的工作波段,從光學系統(tǒng)來考慮,也是波長越短,衍射MTF值越高。同時月表對太陽光在360nm～760nm 的可見光波段內(nèi)并無波長選擇性特征,是一條隨波長增大而反射率略有增大的斜直線。因此對應用目標沒有影響。

從光學系統(tǒng)與CCD 探測器這兩個對MTF 影響最大的環(huán)節(jié)來評估,認為整機靜態(tài)MTF 大于0.4是可能的。

3 光學系統(tǒng)設計

3.1 設計參數(shù)

1)f′=144.3mm

2)F/數(shù)=F/9

3)2ωUP=42°

4)λ=450nm～520nm

5)MTF ＞0.6(50 lp/mm ,設計值)

6)畸變≤0.5%

3.2 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇

在結(jié)構(gòu)形式的選擇上,重點考察了遠心與非遠心兩種情況。

若系統(tǒng)設計為遠心系統(tǒng),這時對光學設計的要求除滿足3.1 的條件外,增加了一個像方遠心條件,這樣的系統(tǒng)從設計及研制上是可實現(xiàn)的,但從系統(tǒng)像方線視場為φ110.78mm 來判斷,這時在像面附近處的透鏡尺寸一定超過φ110.78mm,從而使系統(tǒng)的重量、體積大幅度增加,而且對航天環(huán)境適應性也不利,為此,放棄遠心的要求。利用6 144 元的CCD分為12個通道的特性,通過電子學手段調(diào)整各通道的增益從而改善電子圖像輸出的均勻性是一種合理的選擇。

圖3 TDI-CCD 的CTF 曲線Fig.3 CTF curve of TDI-CCD

圖4 嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位mm)Fig.4 Structure diagram of Chang＇e-2 lunar orbiter CCD stereo camera optical system(mm)

圖5 調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線(計算機仿真圖)Fig.5 MTF of optical system(by computer simulation)

3.3 光學系統(tǒng)設計結(jié)果

系統(tǒng)最前方為融石英窗口玻璃,對月面不鍍膜,后方為濾光片,濾光片后面的光學系統(tǒng)為6 組7 片型,系統(tǒng)總長202.97mm,光學筒長為161mm,最大直徑為最后一塊透鏡,尺寸為φ79mm(其中通光口徑為φ68.8mm),系統(tǒng)無漸暈。光學系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)如圖4所示,白光的設計MTF 曲線如圖5所示。

如表3所示,軸上點MTF值達到衍射極限(0.71),對前視8°～14.4°MTF 均值為0.68,比衍射極限低0.03,后視17.2°～21°,MTF 均值為0.663,比衍射極限低0.047,說明全視場MTF 接近衍射極限,是一個理想的設計。

表3 前、后視的MTF值Table3 MTF of foresight and back sight

圖6所示是在像面上的彌散斑,全視場彌散斑直徑的均方值小于 7μm (一個像元尺寸為10.1μm),最大彌散除視場角21°外也均在一個像元尺寸之內(nèi),結(jié)果與MTF 相符,畸變?yōu)椤?.1%。

對100km/15km 橢圓軌道近月弧段的成像,MTF 及彌散斑尺寸同100km 圓軌道的情況。

4 檢測與地面試驗

4.1 檢測

對初樣鑒定級產(chǎn)品與正樣產(chǎn)品進行了嚴格的檢測,兩者相差極小,都達到了研制任務書的各項技術指標,正樣產(chǎn)品的檢測結(jié)果如表4所示。

圖6 光學系統(tǒng)彌散斑及像散、畸變圖(計算機仿真圖)Fig.6 Spot astigmatic and distortion curve of optical system(by computer simulation)

4.2 速高比補償與地面推掃成像試驗

由于嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機采用了高探測靈敏度的時間延時積分TDI-CCD,但TDI-CCD要求進行速高比補償,否則它會降低沿飛行方向的MTF(子午方向)[8-9],對月球探測采用TDI-CCD 以及由此帶來的速高比補償在國內(nèi)外均屬首次。

與地球衛(wèi)星采用TDI-CCD,并進行速高比補償相比,在月球探測中進行速高比補償在技術上要困難得多,這是由于探月衛(wèi)星軌道高度低,月球地形起伏大,無精確的月面高程數(shù)據(jù),無GPS 定位系統(tǒng)支持等因素所致[10]。

對速高比補償?shù)臍埐钸B同衛(wèi)星平臺的姿態(tài)穩(wěn)定度因素,造成沿飛行方向上的MTF 最大下降以不超過50%為判據(jù),這是基于相機實際達到的MTF在0.4 以上,即便由于速高比補償殘差與衛(wèi)星平面姿態(tài)穩(wěn)定度導致它下降一半,在軌沿飛行方向的MTF 仍大于要求的0.2。據(jù)此計算了不同TDICCD級數(shù)下允許的速高比失配允差,如表5所示,圖7所示是地面推掃成像試驗驗證,表明在上述條件下,圖像質(zhì)量沒有明顯下降。此外還在實驗室內(nèi)進行了定量檢測,結(jié)果與理論分析一致。

表4 主要性能指標檢測結(jié)果Table4 Test results of main performance parameters

圖7 速高比有殘差時的外景推掃圖像Fig.7 Exteriors push broom image with residual velocity-height ratio

5 結(jié)束語

由中國科學院西安光學精密機械研究所研制的嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機,能同時滿足如下兩種軌道的成像要求:在100km 極軌圓軌道上,具有實現(xiàn)地元分辨率為7m 的全月立體成像能力。在100km/15km 橢圓軌道近月弧段上具有實現(xiàn)在嫦娥三號預選著陸區(qū)虹灣地區(qū)的1m 地元分辨率的超高空間分辨率的局域立體成像能力。

表5 速高比補償殘差允限Table5 Allowable residual velocity-heigh ratio

對100km 軌道的成像,單條CCD 允許的最大曝光時間為4.5ms,對100km/15km 橢圓軌道單條CCD 允許的最大曝光時間為0.6ms,但由于衛(wèi)星的高度較低(15km),所以軌道高度誤差對曝光時間與地元分辨率的影響較為顯著,按研制任務書規(guī)定,100km/15km 橢圓軌道允許軌道高度變化±5km,即15km ±5km ,所以其地元分辨率應在0.7m～1.4m 之間。相應的單條CCD 曝光時間為0.4～0.8ms。

References)

[1]趙葆常,楊建峰,汶德勝,等.嫦娥一號衛(wèi)星CCD立體相機的設計與在軌運行[J].航天器工程,2009,18(1):30-36

[2]趙葆常,楊建峰,賀應紅,等.探月光學[J].光子學報,2009,38(3):461-466

[3]Hebben T ,Bergstrom J,Spuhler P,et al.Mission to M ars:the H IRISE camera on-board M RO[R].Proc of SPIE,vol.6990,66900b-1～66900b-22,2007

[4]韓昌元.近代高分辨率地球成像商業(yè)衛(wèi)星[J].中國光學與應用光學,2010(3):201-208

[5]周勝利.三線陣TDI-CCD 在測圖衛(wèi)星中的應用分析[J].航天器工程,2007,16(4):19-22

[6]Tsuneo Matsunaga,Makiko Ohtake,Yasuhiro Hirahara,et al.Development of a visible and near infrared spectrometer for selenological and engineering explorer(SELENE)[R].Proc of SPIE Vol 4151,2001:32-39

[7]李德仁,鄭肇葆.解析攝影測量學[M].北京:測繪出版社,1992:6-75

[8]樊超,李英才,易紅偉.速高比對TDI-CCD 相機成像質(zhì)量的研究[J].兵工學報,2007,28(7):817-821

[9]許兆林,孫所義.提高TDI-CCD 相機成像質(zhì)量的研究[J].航空計測技術,2002,22(3):9-12

[10]季善樣,朱文輝,熊永清.星載GPS 精密測軌研究及應用[J].天文學進展,2000,18(1):17-28