對(duì)地觀測(cè)高分辨率TDICCD相機(jī)調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂世良 ，劉金國(guó)，王曉茜

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054;3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130102;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

隨著航天遙感技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，基于衛(wèi)星平臺(tái)的對(duì)地觀測(cè)相機(jī)成像已經(jīng)達(dá)到實(shí)時(shí)高效的能力，而且觀測(cè)范圍廣，空間上能實(shí)現(xiàn)對(duì)全球覆蓋的能力，而且傳輸速率高［1-4］。因此基于衛(wèi)星平臺(tái)的航天相機(jī)得到越來(lái)越多的重視和利用。對(duì)地觀測(cè)高分專項(xiàng)衛(wèi)星有效載荷之高分辨率相機(jī)具有分辨率高、覆蓋范圍寬、時(shí)效性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在644.6 km軌道高度可實(shí)現(xiàn)地面全色像元分辨率2 m，多光譜分辨率8 m，覆蓋寬度100 km的對(duì)地觀測(cè)性能要求。

具有高分辨率和寬視場(chǎng)性能的航天相機(jī)，一般需要具有長(zhǎng)焦距、反射式光學(xué)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的透射式相機(jī)系統(tǒng)相比，反射式相機(jī)具有譜段寬、質(zhì)量輕、反射系統(tǒng)不產(chǎn)生色差等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。隨著半導(dǎo)體工藝的改進(jìn)和半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，TDICCD像元尺寸可以越來(lái)越小，并且TDICCD技術(shù)具有在不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下能獲得高質(zhì)量的圖像，其探測(cè)靈敏度和響應(yīng)均勻性也逐步提高。因此，在航天遙感相機(jī)領(lǐng)域，TDICCD探測(cè)器成為解決航天相機(jī)寬覆蓋、寬視場(chǎng)、高分辨率的主要技術(shù)途徑和關(guān)鍵技術(shù)。采用TDICCD作為成像探測(cè)器的傳輸型相機(jī)是航天相機(jī)研制的發(fā)展趨勢(shì)［8-12］，具有廣泛的應(yīng)用前景。

航天相機(jī)由于其工作環(huán)境的特殊性，所處運(yùn)載和運(yùn)行環(huán)境因素經(jīng)常變化，特別是受沖擊、振動(dòng)、壓力、溫度、軌道高度等因素變化。相機(jī)軌道環(huán)境真空度約為10-5～10-6Pa量級(jí)，背景溫度約為3K，影響相機(jī)溫度的軌道環(huán)境空間外熱流受太陽(yáng)輻射、地球紅外輻射、地球太陽(yáng)反照等影響，因此相機(jī)溫度變化劇烈。而相機(jī)的光機(jī)材料都會(huì)因這些因素變化而變形，特別是相機(jī)光學(xué)鏡頭材料變形對(duì)相機(jī)的焦平面影響可能導(dǎo)致相機(jī)離焦［13-16］。為保證相機(jī)在上述環(huán)境條件下的成像質(zhì)量，需要對(duì)相機(jī)焦平面進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以達(dá)到對(duì)焦平面的離焦量進(jìn)行精確補(bǔ)償。

本文針對(duì)課題組在研的基于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)地觀測(cè)高分辨率TDICCD相機(jī)，對(duì)研制要求和對(duì)地觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行了分析;介紹了高分辨率TDICCD相機(jī)的總體調(diào)焦控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和調(diào)焦控制系統(tǒng)方案;重點(diǎn)闡述了高分辨TDICCD相機(jī)調(diào)焦控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)調(diào)焦控制系統(tǒng)和調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行試調(diào)焦精度測(cè)試。

2 離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 離軸四反光學(xué)系統(tǒng)組成

對(duì)地觀測(cè)高分辨率TDICCD相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為像方準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，這種光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)使得像面離焦時(shí)，在正負(fù)焦深范圍內(nèi)產(chǎn)生的投影畸變可以忽略不計(jì)。

圖1 高分辨率TDICCD相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Priciple diagram of optical system of high resolution TDICCD camera

根據(jù)成像視場(chǎng)和成像覆蓋寬度，采用離軸四反、無(wú)中心遮攔、無(wú)中間像的光學(xué)系統(tǒng)，將次鏡確定為光闌位置，主鏡和次鏡的間隔與次鏡和三鏡的間隔相同，可以避免主鏡和像面之間有直接入射的雜光干擾。光學(xué)系統(tǒng)包括主鏡、次鏡和三鏡三塊非球面鏡以及一塊折返光路的平面反射鏡，這樣可以使相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更為緊湊合理，光學(xué)和機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.2 長(zhǎng)焦平面拼接設(shè)計(jì)

對(duì)于需要寬成像視場(chǎng)和寬地面覆蓋推掃成像的航天相機(jī)，單片TDICCD探測(cè)器的像元數(shù)不能滿足寬視場(chǎng)和地面寬覆蓋的要求。為解決這一矛盾，采用多片TDICCD交錯(cuò)拼接的方案，等效為一個(gè)長(zhǎng)TDICCD焦平面。但是每?jī)善琓DICCD探測(cè)器的邊緣不能完全重合，因此，拼接時(shí)采用上下兩行交錯(cuò)拼接。計(jì)算出多片TDICCD重合像元素，使之在推掃成像時(shí)成像效果等效為一行長(zhǎng)TDICCD的推掃成像效果。這樣就將多片TDICCD拼接成一個(gè)大視場(chǎng)探測(cè)器陣列。

為使地面覆蓋寬帶達(dá)到100 km的技術(shù)要求，像面組件采用視場(chǎng)拼接方案，8片TDICCD拼接成長(zhǎng)線陣，每片TDICCD像元數(shù)為6 144，拼接后像元總數(shù)為49 152。

圖2是高分辨TDICCD相機(jī)焦平面機(jī)械式交錯(cuò)拼接原理圖。在相機(jī)焦平面像面的視場(chǎng)中心線兩側(cè)分兩行上下交錯(cuò)排列相鄰的TDICCD器件，此種拼接方法光能利用率高。拼接的長(zhǎng)TDICCD焦平面通過(guò)剛性連接固定在相機(jī)調(diào)焦動(dòng)機(jī)構(gòu)上。

圖2 TDICCD焦面組件機(jī)械交錯(cuò)平面拼接原理圖Fig.2 Principle diagram of mechanical interleaving assembly TDICCD focus plane

3 調(diào)焦控制系統(tǒng)組成

3.1 高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶提出的調(diào)焦控制系統(tǒng)的調(diào)焦精度，需要計(jì)算出分配給調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦精度。根據(jù)計(jì)算公式2Fλ2，求得焦深為 ±80 μm，采用移動(dòng)焦平面方式調(diào)焦，調(diào)焦精度優(yōu)于±20 μm時(shí)能夠滿足調(diào)焦控制系統(tǒng)的調(diào)焦精度要求。工程設(shè)計(jì)誤差、機(jī)械加工誤差和裝配裝調(diào)誤差、溫度等環(huán)境因素引起的相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)反射鏡曲率變化，以及光學(xué)零件軸向間隔改變引起的焦距變化量，相機(jī)焦平面在光軸方向的調(diào)焦行程為±2 mm可滿足調(diào)焦范圍要求。經(jīng)計(jì)算得到，調(diào)焦鏡組件重20 kg，驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)件重2.2 kg，驅(qū)動(dòng)載荷按照30 kg計(jì)算。

綜合以上分析，設(shè)計(jì)的高精度調(diào)焦機(jī)構(gòu)如圖3所示，利用執(zhí)行動(dòng)力元件步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。調(diào)焦機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)組成:一級(jí)傳動(dòng)齒輪副和一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，從而帶動(dòng)端部裝有絕對(duì)式光電軸角編碼器的滾珠絲杠副，推動(dòng)導(dǎo)軌上的滑動(dòng)部件帶動(dòng)焦面組件沿其光軸方向前后運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副的螺母與絲杠之間為無(wú)間隙配合，通過(guò)測(cè)量絕對(duì)式光電軸角編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，即可計(jì)算出焦面運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位移，即調(diào)焦量。調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

(1)調(diào)焦范圍:0～4 mm;

(2)調(diào)焦減速器速比:40∶1;

(3)絲杠導(dǎo)程:4 mm;

(4)編碼器144°對(duì)應(yīng)調(diào)焦行程0～4 mm;

(5)步進(jìn)電機(jī)步距角為0.9°;

(6)步進(jìn)電機(jī)一步對(duì)應(yīng)調(diào)焦量為0.053 μm;

(7)焦平面位移1 μm對(duì)應(yīng)編碼器一碼1.64個(gè)碼值。

圖3 調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of focusing mechanic

3.2 調(diào)焦控制系統(tǒng)組成及工作過(guò)程

圖4 調(diào)焦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of refocusing control system

調(diào)焦控制系統(tǒng)是根據(jù)相機(jī)在軌成像對(duì)調(diào)焦性能和功能的需求設(shè)計(jì)的多功能控制系統(tǒng)。根據(jù)性能和功能需求調(diào)焦控制系統(tǒng)組成如圖4所示。相機(jī)的調(diào)焦控制系統(tǒng)電氣部分主要采用Silicon Labs公司的C8051F020芯片為主控芯片，設(shè)計(jì)了調(diào)焦編碼器數(shù)據(jù)采集與處理電路、調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、通訊接口電路、供電系統(tǒng)電源電路、單片機(jī)外圍電路、電源變換DC/DC模塊;光機(jī)結(jié)構(gòu)部分包括把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線運(yùn)動(dòng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)、TDICCD焦平面、位置檢測(cè)光電編碼器等模塊。

3.3 調(diào)焦控制系統(tǒng)工作過(guò)程

調(diào)焦控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下:通過(guò)RS485總線接收來(lái)自位機(jī)的調(diào)焦控制指令，總線發(fā)送調(diào)焦命令和調(diào)焦參數(shù)給調(diào)焦控制系統(tǒng)控制器C8051F020，并根據(jù)接收的指令對(duì)光電編碼器位置信息進(jìn)行采集、對(duì)調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)、閉環(huán)調(diào)焦控制，并對(duì)輪詢調(diào)焦?fàn)顟B(tài)和停止調(diào)焦指令進(jìn)行應(yīng)答，該模式下通訊能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)輪詢編碼器位置信息時(shí)，編碼器位置信息通過(guò)RS485總線發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)再把位置信息通過(guò)CAN總線送給星務(wù)計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸形式發(fā)送到地面接收站。

這種調(diào)焦控制系統(tǒng)方案可以實(shí)現(xiàn)以編碼器位置量為輸入的閉環(huán)控制，也可以實(shí)現(xiàn)以步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為輸入量的開(kāi)環(huán)控制。

4 調(diào)焦控制系統(tǒng)測(cè)量與結(jié)果分析

4.1 調(diào)焦控制系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備組成

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)設(shè)計(jì)的調(diào)焦控制系統(tǒng)對(duì)焦平面機(jī)構(gòu)全系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖5所示。由于TDICCD焦平面為8片TDICCD拼接的長(zhǎng)焦平面，因此用兩個(gè)千分尺分別固定在焦平面的兩端不動(dòng)機(jī)構(gòu)件上，表的指針對(duì)準(zhǔn)TDICCD焦平面并把數(shù)顯千分尺清零，即數(shù)顯千分尺的0 μm對(duì)應(yīng)調(diào)焦行程的一個(gè)端點(diǎn)。由于調(diào)焦機(jī)構(gòu)沒(méi)有機(jī)械限位保護(hù)，如果調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍超過(guò)行程的兩個(gè)極限點(diǎn)，會(huì)損壞調(diào)焦機(jī)構(gòu)，因此本次調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍限制在0～4 mm。

圖5 調(diào)焦控制系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.5 Test schematic of refocusing system

測(cè)試設(shè)備中包括相機(jī)下位機(jī)、調(diào)焦控制系統(tǒng)電子學(xué)部分、調(diào)焦電機(jī)和調(diào)焦機(jī)構(gòu)及TDICCD焦平面組件。

4.2 開(kāi)環(huán)調(diào)焦控制精度測(cè)試結(jié)果

開(kāi)環(huán)控制是以調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)為輸入量來(lái)控制焦平面運(yùn)動(dòng)，本試驗(yàn)中調(diào)焦電機(jī)以376步/次帶動(dòng)焦平面組件運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)后記錄TDICCD焦平面直線位置值，根據(jù)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)繪制其調(diào)焦行程測(cè)試范圍內(nèi)TDICCD焦平面位置與主份編碼器的碼值對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 調(diào)焦行程內(nèi)CCD焦平面位置與碼值對(duì)應(yīng)曲線Fig.6 Position curve of CCD focus plane vs.encoder value

調(diào)焦電機(jī)以376步/次帶動(dòng)調(diào)焦組件運(yùn)動(dòng)，記錄每次運(yùn)動(dòng)后CCD焦平面的位置值，并計(jì)算出CCD焦平面每次運(yùn)動(dòng)位置值與上一次的位置值的差值xi，求出所有差值的平均值

計(jì)算出每次調(diào)焦運(yùn)動(dòng)量與差值平均值的殘差Δxi:

在調(diào)焦測(cè)試行程內(nèi)繪制每次CCD焦平面運(yùn)動(dòng)量殘差Δxi大小。對(duì)調(diào)焦行程內(nèi)38次測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，剔除初始點(diǎn)和較大誤差測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)其中35次測(cè)量記錄數(shù)據(jù)根據(jù)式(2)分別計(jì)算各自殘差大小，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 開(kāi)環(huán)調(diào)焦測(cè)試數(shù)據(jù)的殘差曲線Fig.7 Error curve of CCD focus plane test by open loop

從殘差計(jì)算結(jié)果看出，殘差都小于2.2 μm，即，

從記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出平均值為:

根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)量為:

其標(biāo)準(zhǔn)差為:

取置信度為99.7%，置信系數(shù)為3時(shí)，從測(cè)量數(shù)據(jù)中可以得出此時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確位置為:

因此調(diào)焦系統(tǒng)的調(diào)焦精度為±7.2 μm(不考慮系統(tǒng)誤差情況)。

4.3 調(diào)焦精度測(cè)試與理論設(shè)計(jì)對(duì)比

根據(jù)對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)主份測(cè)試數(shù)據(jù):當(dāng)電機(jī)走376步對(duì)應(yīng) TDICCDCCD 焦平面20.3 μm，對(duì)應(yīng)編碼器變化30.3個(gè)碼值。即調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)每走一步相當(dāng)于焦平面運(yùn)動(dòng)的距離為:

調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)換算關(guān)系為:

電機(jī)運(yùn)動(dòng)16.936°對(duì)應(yīng)TDICCD焦平面位移1 μm，同時(shí)對(duì)應(yīng)編碼器軸角度 0.036°，則 0.036°對(duì)應(yīng)的碼值為:0.036°/(360/16384)=1.6384 個(gè)碼。

電機(jī)每步焦面移動(dòng)距離:

以上測(cè)試分析與3.1節(jié)的理論設(shè)計(jì)值一致，由此得出調(diào)焦系統(tǒng)實(shí)際調(diào)焦控制精度測(cè)試結(jié)果符合理論設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)論

針對(duì)基于衛(wèi)星平臺(tái)的對(duì)地觀測(cè)高分辨率TDICCD相機(jī)調(diào)焦功能和調(diào)焦精度的實(shí)際要求，本文結(jié)合相機(jī)離軸寬視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、交錯(cuò)拼接TDICCD焦平面光機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)焦控制系統(tǒng)，介紹了調(diào)焦系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了調(diào)焦系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，最后對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，開(kāi)環(huán)調(diào)焦控制精度達(dá)到為±7.2 μm滿足相機(jī)在軌成像調(diào)焦精度需求。

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