康建兵 王蕓 于婷婷 林喆
微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法
康建兵 王蕓 于婷婷 林喆
(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)
夜間成像時(shí),遙感成像地面目標(biāo)的輻亮度可低至白天的10–6,在提升弱信號(hào)獲取能力的各種措施中,通過(guò)長(zhǎng)曝光時(shí)間提升信噪比是一種直接而有效的解決方式,但是在低軌遙感任務(wù)中其實(shí)現(xiàn)卻受到極大限制。為完成探測(cè)目標(biāo)凝視,文章提出通過(guò)光路中的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光軸穩(wěn)定的解決方案,補(bǔ)償了相機(jī)相面與地物的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在曝光時(shí)間內(nèi)使探測(cè)器相面景物與地物景物保持相對(duì)靜止,從而實(shí)現(xiàn)靈活微光成像模式;具體闡述了微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制方法,對(duì)其原理及設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析,并進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的像移補(bǔ)償系統(tǒng)可將圖像抖動(dòng)補(bǔ)償至0.2像元之內(nèi),為低軌遙感微光成像系統(tǒng)提供了優(yōu)異的解決途徑。
微光成像 像移補(bǔ)償 光軸穩(wěn)定 信噪比 星載遙感器
微光條件下遙感相機(jī)入瞳能量?jī)H為白天的10–6,達(dá)到信噪比指標(biāo)需要的理論成像時(shí)間為白天的 16 000倍。傳統(tǒng)的TDI(時(shí)間延遲積分)模式受器件級(jí)數(shù)、TDI同步畸變等因素影響,不能提供所需曝光時(shí)長(zhǎng)。為了解決該問(wèn)題,遙感器通常選擇面陣凝視模式,通過(guò)系統(tǒng)級(jí)駐留技術(shù)來(lái)獲得地物信息在探測(cè)器上的長(zhǎng)穩(wěn)定駐留時(shí)間[1]。這就要求沿軌飛行的探測(cè)器需具備口徑大、勻速段時(shí)間長(zhǎng)、歸位時(shí)間極短等特性的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)[2],補(bǔ)償探測(cè)器在軌運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生的像移,通過(guò)凝視成像多幀疊加來(lái)累計(jì)能量[3]。
目前比較常用的補(bǔ)償方案主要有以下幾種[4]:1)移動(dòng)光學(xué)元件補(bǔ)償。采用光學(xué)方法通過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)光路中部分光學(xué)元件,使最終照射到成像介質(zhì)上的光線按照一定的方式改變方向,從而保證在曝光時(shí)間內(nèi)焦平面與跟蹤對(duì)象保持相對(duì)靜止;缺陷是系統(tǒng)復(fù)雜,精密補(bǔ)償控制難度大[5]。2)焦平面平移補(bǔ)償。通過(guò)控制焦平面的同步運(yùn)動(dòng)使目標(biāo)所成影像在焦面上的像移量為零;缺陷是不能對(duì)快速大視場(chǎng)的像移進(jìn)行補(bǔ)償。3)電子式像移補(bǔ)償。通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移方式在曝光時(shí)間內(nèi)控制相機(jī)感光面上的電荷轉(zhuǎn)移速度,使其等于目標(biāo)成像的移動(dòng)速度[6];缺陷是電荷讀出時(shí)間比較長(zhǎng),幀頻低[7]。4)圖像式像移補(bǔ)償。通過(guò)建立像移引起的圖像退化數(shù)學(xué)模型,對(duì)存在像移的圖像進(jìn)行圖像恢復(fù);缺陷是對(duì)芯片的計(jì)算能力要求很高,難以在星載遙感器中應(yīng)用。
微光成像用星載相機(jī)具有遠(yuǎn)距、長(zhǎng)焦、高分辨率的特點(diǎn),對(duì)于采用面陣探測(cè)器的微光相機(jī)來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的像移補(bǔ)償方法,如縮短曝光時(shí)間、TDI CCD補(bǔ)償、焦平面平移補(bǔ)償、電子學(xué)像移補(bǔ)償?shù)确椒ň贿m用[8],必須采用基于快速反射鏡的新型高精度像移補(bǔ)償技術(shù)才能滿足大口徑、長(zhǎng)掃描周期、極短的歸位時(shí)間要求[9]。本文為微光成像星載遙感器設(shè)計(jì)了一套快速反射鏡補(bǔ)償機(jī)構(gòu),具有高剛度、高帶寬、高精度的特點(diǎn),并設(shè)計(jì)了一套快速反射鏡的控制系統(tǒng),仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明可滿足星載遙感器微光成像需求。
對(duì)于面陣探測(cè)器來(lái)說(shuō),探測(cè)器感光介質(zhì)在秒級(jí)的曝光時(shí)間內(nèi),目標(biāo)景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的像與探測(cè)器焦平面感光像元間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)下降、成像模糊[10]。因此,需在相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)造快速反射鏡機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)跟隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的相面勻速補(bǔ)償,以彌補(bǔ)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)像移。
根據(jù)微光成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的要求為:勻速掃描時(shí)間424 ms,快速回掃歸位時(shí)間為50 ms;勻速掃描角度范圍為±0.955 4°,同時(shí)要求勻速掃描段角度測(cè)量精度需優(yōu)于±0.5″,控制精度需優(yōu)于±1″,掃描速度波動(dòng)量不超過(guò)0.001 03(°)/s。根據(jù)該要求規(guī)劃補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡具體如圖1所示。
圖1 補(bǔ)償鏡運(yùn)動(dòng)軌跡
圖1中,像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)勻速掃描段0長(zhǎng)度為424 ms,此區(qū)間補(bǔ)償鏡從–0.955 4°運(yùn)行到+0.955 4°,旋轉(zhuǎn)速度為4.506 6(°)/s,在此階段相機(jī)成像。復(fù)位段1長(zhǎng)度為50 ms,在此區(qū)間補(bǔ)償鏡從+0.955 4°運(yùn)行到0.961 8°的正極限位置,速度降為0(°)/s,再?gòu)恼龢O限位置運(yùn)行到–0.961 8°的負(fù)極限位置,速度降為0(°)/s,然后再?gòu)呢?fù)極限位置加速運(yùn)動(dòng)到–0.955 4°,復(fù)位段結(jié)束,在復(fù)位段內(nèi)相機(jī)不成像。
根據(jù)上述指標(biāo),像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)為:補(bǔ)償鏡50 ms內(nèi)完成回位并迅速穩(wěn)定,要求運(yùn)動(dòng)帶寬優(yōu)于100 Hz,機(jī)構(gòu)基頻高于600 Hz;控制精度優(yōu)于±1″、掃描速度波動(dòng)量不超過(guò)為0.001 03(°)/s,這要求必須采用先進(jìn)控制算法,以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定切換;角度測(cè)量精度優(yōu)于±0.5″已經(jīng)超過(guò)了國(guó)內(nèi)測(cè)角元件的極限精度[11-12],需要在選用高精度測(cè)量元件基礎(chǔ)上采用光學(xué)方法進(jìn)行誤差校正。
系統(tǒng)對(duì)像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡要求分解為組件指標(biāo),難點(diǎn)主要體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)的基頻高(600 Hz以上)、控制帶寬高(50 ms完成換向并穩(wěn)定)以及控制精度精度高(優(yōu)于±1″),下面針對(duì)上述難點(diǎn)分別闡述機(jī)構(gòu)和控制器的設(shè)計(jì)方案。
光學(xué)系統(tǒng)采用經(jīng)典的前置無(wú)焦系統(tǒng)+中間平行光路+成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,在平行光路安裝像移補(bǔ)償反射鏡,對(duì)衛(wèi)星在軌運(yùn)行產(chǎn)生的俯仰像移進(jìn)行補(bǔ)償[13]。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的,像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將像移補(bǔ)償反射鏡、成像鏡組和中繼鏡組安裝于主鏡背板上,通過(guò)光路折疊保證系統(tǒng)較為緊湊。
補(bǔ)償鏡基座采用U型架構(gòu)型,選用鈦合金整體鑄造,筋板厚度為4 mm,同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)筋等方式保證結(jié)構(gòu)剛度。像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)如圖2所示,補(bǔ)償鏡組件通過(guò)樞軸安裝在基座上,采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光電編碼器測(cè)角,電機(jī)、光電編碼器同軸安裝在基座兩側(cè)。用高精度鏜床加工基座的樞軸孔,以保證孔的同軸度。
圖2 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意
像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用輕量化高穩(wěn)定SiC(碳化硅)補(bǔ)償鏡,為了減小溫度變形不匹配所導(dǎo)致的鏡面面形差,與補(bǔ)償鏡連接的限位擋塊、樞軸座、過(guò)渡軸均采用與補(bǔ)償鏡熱膨脹系數(shù)相近的鈦合金材料。為了提高樞軸安裝孔的同軸度,樞軸座、過(guò)渡軸和補(bǔ)償鏡裝配后,采用組合加工的方式來(lái)保證兩側(cè)安裝樞軸孔、電機(jī)安裝孔的同軸度。通過(guò)基座構(gòu)型設(shè)計(jì)、補(bǔ)償鏡輕量化高穩(wěn)定設(shè)計(jì)、材料選型及裝配后組合加工等措施,可保證機(jī)構(gòu)支撐剛度達(dá)800 Hz以上,能夠滿足機(jī)構(gòu)基頻高于600 Hz的要求。
影響補(bǔ)償線性度的關(guān)鍵因素是補(bǔ)償軸系摩擦的力矩波動(dòng)量和電機(jī)的控制性能[13]。軸系組件采用無(wú)齒槽力矩的音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,音圈電機(jī)有高加速度、高速度、快速響應(yīng)、平滑力特性等優(yōu)良性能,無(wú)齒槽力矩影響;補(bǔ)償鏡支撐軸承選用無(wú)接觸、無(wú)摩擦的撓性樞軸作為小角度擺動(dòng)支撐部件,撓性樞軸具有無(wú)滾動(dòng)摩擦、防冷焊、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的像移補(bǔ)償角度為0.9554°,因此選擇5032-800WC型號(hào)樞軸,根據(jù)器件手冊(cè)可知該樞軸在±13°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可滿足無(wú)限壽命。
根據(jù)微光成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果,控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)帶寬需大于100 Hz,控制精度需優(yōu)于±1″,掃描速度波動(dòng)量不超過(guò)0.001 03(°)/s,為了達(dá)到該指標(biāo),需構(gòu)建一套高帶寬高精度控制系統(tǒng),使補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)在50 ms的時(shí)間內(nèi)完成如下3個(gè)步驟:1)補(bǔ)償鏡由4.506 6(°)/s的掃描速度減速到停止,到達(dá)正極限位置0.961 8°;2)從正極限位置迅速反轉(zhuǎn)至–0.961 8°的負(fù)極限位置并停止;3)由負(fù)極限位置加速至速度為4.506 6(°)/s,并穩(wěn)定在(4.506 6±0.001 03)(°)/s的范圍內(nèi)。
其中步驟3)可用速度階躍響應(yīng)進(jìn)行控制系統(tǒng)指標(biāo)分析,該控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)[16],其數(shù)學(xué)模型如圖3所示,其中()為系統(tǒng)輸入,()為壓差,()為系統(tǒng)輸出。
圖3 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型
根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性理論[17],將校正后阻尼比調(diào)節(jié)為最優(yōu)的0.707,對(duì)應(yīng)的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)輸出對(duì)電壓的階躍響應(yīng)如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)
控制系統(tǒng)帶寬n的表達(dá)式為
式中s為上升時(shí)間;ts為穩(wěn)定的門限值,按指標(biāo)要求掃描速度穩(wěn)定在(4.506 6±0.001 03)(°)/s的范圍內(nèi),則ts=0.001 03/4.506 6=0.000 228。補(bǔ)償鏡要在50 ms之內(nèi)完成3個(gè)步驟,留2 ms余量,3個(gè)步驟用時(shí)均分48 ms,則取s=16 ms,代入式(1)可得n=1 235.2 rad/s(即196.6 Hz)。設(shè)計(jì)結(jié)果滿足帶寬要求。
像移補(bǔ)償控制系統(tǒng)采用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)+FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)架構(gòu),其中DSP負(fù)責(zé)完成像移補(bǔ)償控制閉環(huán)算法計(jì)算、指令解析、流程控制等任務(wù),F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)CAN(控制器局域網(wǎng))總線通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)生成、電機(jī)電流采樣AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換)控制、光電編碼器通訊與視頻控制信號(hào)生成等功能。采用基于位置反饋的控制方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)劃掃描運(yùn)動(dòng)軌跡指令的跟蹤控制[14],整個(gè)系統(tǒng)基于DSP完成控制律的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。
圖5 補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)組成
控制算法采用3環(huán)(電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán))閉環(huán)設(shè)計(jì)。由于補(bǔ)償鏡運(yùn)動(dòng)為周期性運(yùn)動(dòng),故采用前饋控制以提高跟蹤精度[15]??刂葡到y(tǒng)各環(huán)控制流程如圖6所示。
圖6 控制算法流程
圖6(c)中,C()表示校正環(huán)節(jié),m()表示對(duì)象特性,m–1()表示對(duì)象特性的逆[18],d()表示指令角度,()表示實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度。控制系統(tǒng)傳函的波特圖如圖7所示。其中,開環(huán)穿越頻率14.7 Hz,相角裕度58.9°。100 Hz處的幅值裕度26.2 dB,–3 dB處的閉環(huán)帶寬25 Hz。
圖7 控制系統(tǒng)波特圖
使用Matlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,補(bǔ)償鏡的控制精度如圖8所示。由圖8(b)的仿真結(jié)果可以看出:像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)加電運(yùn)行0.2 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài),穩(wěn)態(tài)控制誤差小于±1″,滿足系統(tǒng)分解的控制精度要求。
圖8 補(bǔ)償鏡控制誤差仿真結(jié)果
根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果,角度測(cè)量精度需優(yōu)于±0.5″。這一指標(biāo)要求已經(jīng)超過(guò)了國(guó)內(nèi)測(cè)角元件的極限精度,目前國(guó)內(nèi)宇航用光電編碼器測(cè)角精度約為±3″,不滿足像移補(bǔ)償精度需求[19],必須通過(guò)光學(xué)標(biāo)定的方法進(jìn)行誤差校正[20],將測(cè)角精度提升至0.5″。本文采用的光學(xué)標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示,由光電自準(zhǔn)直儀(測(cè)量精度±0.25″)、像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、控制器、上位機(jī)組成。其中,光電自準(zhǔn)直儀測(cè)試補(bǔ)償鏡的旋轉(zhuǎn)角度,補(bǔ)償控制電路采集碼盤角度,然后將該角度信息上傳給上位機(jī)采集,通過(guò)比對(duì)自準(zhǔn)直儀和碼盤之間的角度得到誤差,將碼盤角度校正至0.5″之內(nèi)。
補(bǔ)償鏡碼盤角度誤差曲線如圖10所示,校正后角度測(cè)量精度優(yōu)于±0.35″(RMS值),滿足±0.5″的角度測(cè)量精度要求。
圖9 光學(xué)標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)
圖10 補(bǔ)償鏡碼盤角度測(cè)量誤差(校正后)
為了驗(yàn)證像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星飛行運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償效果,設(shè)計(jì)了一套地面驗(yàn)證裝置。驗(yàn)證系統(tǒng)由相機(jī)、像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、平行光管、光源、靶標(biāo)等構(gòu)成。測(cè)試時(shí)將帶有像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的相機(jī)安裝至測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上,采用景物模擬器和平行光管模擬無(wú)窮遠(yuǎn)景物[21],再控制高精度轉(zhuǎn)臺(tái)以一定的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)控制像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以相同的速度反向轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)兩者的運(yùn)動(dòng)相互抵消,實(shí)現(xiàn)凝視成像[22]。
像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)應(yīng)用速度為4.506 6(°)/s,轉(zhuǎn)臺(tái)以4.506 6(°)/s的速度反方向旋轉(zhuǎn),未開像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的靶標(biāo)成像效果分別如圖11所示。未開像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)對(duì)比見圖12。
通過(guò)對(duì)成像品質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,未開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)時(shí)圖像抖動(dòng)約21個(gè)像元。開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)后圖像清晰無(wú)明顯抖動(dòng),經(jīng)圖像處理[23]計(jì)算得到抖動(dòng)約0.2個(gè)像元。根據(jù)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),瞬時(shí)視場(chǎng)角為3″,0.2像元對(duì)應(yīng)反射鏡精度為0.6″。試驗(yàn)結(jié)果證明像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)控制精度優(yōu)于±1",說(shuō)明像移補(bǔ)償系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)償效果。
圖11 未開像移補(bǔ)償(左)和開啟像移補(bǔ)償(右)的靶標(biāo)成像效果
圖12 未開像移補(bǔ)償(左)和開啟像移補(bǔ)償(右)靶標(biāo)成像的細(xì)節(jié)對(duì)比
微光條件下遙感器入瞳能量大幅下降,面陣探測(cè)器需通過(guò)凝視成像才能滿足信噪比要求[24]。本文提出了一種基于中繼光學(xué)平行光路的像方掃描像移補(bǔ)償方法,設(shè)計(jì)了一套高精度像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng),仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的像移補(bǔ)償系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)償效果,通過(guò)誤差校正可將像移抑制在0.2個(gè)像元之內(nèi),能夠滿足微光條件下星載遙感器提升信噪比的需求,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。
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Design and Control Methods Research of a Motion Compensation System under Low-Light-Level Imaging Condition
KANG Jianbing WANG Yun YU Tingting LIN Zhe
(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)
In comparison with the radiation of the ground targets at daylight, under low-light-level imaging condition, the radiation could be reduced to one in a million for a remote sensing system. Among various measures to improve the ability to detect low-light-level signal, longer exposure time is considered as a direct and effective step, which is essentially difficult to acquire in a low-earth-orbit system. In order to stare at target, a solution of line of sight stabilization was provided by means of the image motion compensation mechanism in this paper. In time of exposure, a motionless focal plane targets relative to ground targets was accomplished with low-light-level imaging ability. The research of design and control methods of a motion compensation system under low-light-level imaging condition is elaborated. Simulation and test results indicate that the motion compensation system can compensate image motion less than 0.2 pixels, providing an excellent solution to low-light-level sensing.
low-light-level sensing; image motion compensation; line of sight stabilization; signal noise ratio(SNR); space remote sensor
V445
A
1009-8518(2023)04-0039-09
10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.005
2022-10-08
國(guó)家自然科學(xué)基金(B2YG1460)
康建兵, 王蕓, 于婷婷, 等. 微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(4): 39-47.
KANG Jianbing, WANG Yun, YU Tingting, et al. Design and Control Methods Research of a Motion Compensation System under Low-Light-Level Imaging Condition[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(4): 39-47. (in Chinese)
康建兵,男,1979年生,2005年獲西安交通大學(xué)測(cè)控技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位,高級(jí)工程師。主要從事遙感器機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究。E-mail:7285585@qq.com。
(編輯:夏淑密)