一種星載微型凝視式可見光CCD遙感器設(shè)計

張鏡洋常海萍沈為民

（1南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院，南京 210016）

（2南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

（3蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)所，蘇州 215006）

1 引言

世界航天遙感技術(shù)蓬勃發(fā)展，在對地觀測上取得了豐碩的成果[1]。無論是光譜分辨率[2]還是空間時間分辨率上航天遙感技術(shù)都取得長足的進步?；诳臻g碎片和空間武器對空間飛行器的威脅，空間態(tài)勢感知和空間攻防方面的研究逐步深入，并成為世界各國的研究焦點，該領(lǐng)域?qū)教煨禽d遙感技術(shù)提出了對空間動態(tài)目標(biāo)偵查的新應(yīng)用需求，它要求星載遙感設(shè)備能夠結(jié)合低慣性小衛(wèi)星指向靈活、軌道機動的特點，形成對空間目標(biāo)快速捕捉、動態(tài)跟蹤的能力[3]。這就要求星載遙感設(shè)備具備短積分時間、高幀頻的特點，并且能夠適應(yīng)小衛(wèi)星平臺集約化、低功耗的設(shè)計要求[4]。

本文以對空間動態(tài)目標(biāo)成像應(yīng)用為背景[5]，設(shè)計了適應(yīng)小衛(wèi)星平臺的微型凝視式可見光CCD遙感器。該遙感器采用了單幅積分時間短的凝視式成像方式，采用LVDS差分并行傳輸?shù)母邘l圖像傳輸模式。為適應(yīng)小衛(wèi)星平臺需求，該遙感器采用折反式光學(xué)系統(tǒng)、部分國外工業(yè)級器件的集約化設(shè)計。文中首先對其光學(xué)系統(tǒng)和電子電路集約化設(shè)計特點和性能進行闡述，并設(shè)計了其可靠性保證技術(shù)路線，通過力學(xué)環(huán)境、模擬空間環(huán)境試驗驗證該技術(shù)路線可行性；最后通過性能測試，該可見光遙感在奈奎斯特頻率（Nyquist）處靜態(tài)MTF＞0.2，信噪比＞49，對設(shè)計動態(tài)目標(biāo)MTF＞0.16；該遙感器的研制為空間動態(tài)目標(biāo)成像提供支持，其集約化的設(shè)計方法和可靠性保證技術(shù)路線為輕小型載荷的研制探索了新的思路。

2 某星載微型凝視式CCD遙感器光學(xué)系統(tǒng)及電子電路設(shè)計

某星載遙感器研制目標(biāo)是通過在軌實驗驗證其凝視式成像模式對地面或空間動態(tài)目標(biāo)的成像效果。其主要性能參數(shù)見表1。為適應(yīng)小衛(wèi)星平臺對載荷集成化、集約化設(shè)計。該遙感器設(shè)計主要特點如下：第一、采用折反式的光學(xué)系統(tǒng)，工作溫度寬泛，光學(xué)系統(tǒng)小，光焦度相對較高，有效F數(shù)為3.4，焦距125mm；第二、采用大量國外工業(yè)級器件經(jīng)過嚴(yán)格的篩選和器件級環(huán)境試驗，電子電路體積小，功耗低，遙感器總質(zhì)量小于2kg，峰值功耗小于3W；第三、采用凝視式成像模式和面陣CCD，單幅積分時間短，單幅積分時間小于2ms；第四、采用LVDS差分并行數(shù)據(jù)接口，傳輸速率快，轉(zhuǎn)移時間短，幀頻大于10Hz。以上特點均適用于資源有限的小衛(wèi)星平臺，并利于捕捉隨機的動態(tài)目標(biāo)。圖1為微型凝視式CCD遙感器組成原理圖。

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圖1 可見光遙感系統(tǒng)組成Fig.1 Buildup of remote sensor with visible light

（1）光學(xué)系統(tǒng)

CCD遙感器采用折反式光學(xué)系統(tǒng)[6]，如圖2所示，由兩塊窗口、一塊主反射鏡、四塊透鏡、一塊兼作透鏡和次反射鏡的透鏡組成。遠(yuǎn)處目標(biāo)被光學(xué)系統(tǒng)成像在焦平面探測器CCD處。此光學(xué)系統(tǒng)的主要優(yōu)點包括：結(jié)構(gòu)緊湊、色差小、溫度適應(yīng)性強、相對孔徑大、采用球面元件、成像品質(zhì)接近衍射極限。光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）如圖3所示，在CCD取樣Nyquist頻率67線對/mm處的MTF值高于0.65。相對畸變曲線如圖4所示，相對畸變值為0.091%，如圖4，與近軸像高相比高5μm，不到一個像元。經(jīng)計算，溫度水平變化±12℃時，在CCD Nyquist頻率（67線對/mm）處的MTF值下降約0.1。在0.65的MTF下溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)成像性能的影響較小。折反式光學(xué)系統(tǒng)成像品質(zhì)受環(huán)境溫度較小，且小光學(xué)系統(tǒng)溫度梯度小，特別適用于熱控能力弱的小衛(wèi)星。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)及光路Fig.2 Optical system and light path

圖3 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 MTF curve of optical system

圖4 相對畸變曲線Fig.4 Relative aberration curve

（2）電子電路

CCD遙感器電子電路原理如圖5所示，由面陣CCD芯片、時序信號發(fā)生器、信號處理電路和A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字視頻信號接口電路、DC/DC電源、監(jiān)控等功能模塊構(gòu)成。CCD在有效脈沖的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)光生電荷的收集、轉(zhuǎn)移、儲存，最后以序列的方式將像元信號逐個輸出。采用DALSA公司HQ級的FT-18面陣幀轉(zhuǎn)移CCD，其外形和電路組成如圖6所示。時序信號發(fā)生器為CCD芯片提供一組嚴(yán)格的工作有效時序驅(qū)動脈沖，時序信號由FPGA芯片產(chǎn)生，采用VHDL語言作為開發(fā)FPGA的工作平臺。該芯片還同時輸出信號處理電路所需的控制信號，如鉗位、采樣/保持、同步、及數(shù)字視頻傳輸?shù)让}沖。設(shè)計中采用Altera公司工業(yè)級的EP2C5T144I8和配置芯片EPCS4SI8。信號處理電路處理CCD輸出的視頻信號，經(jīng)過鉗位、采樣/保持、CDS（雙相關(guān)采樣）、可編程增益放大PGA、A/D轉(zhuǎn)換等處理后，輸出12bit寬度的數(shù)字視頻信號。設(shè)計中采用ADI公司工業(yè)級的AD9945視頻ADC電路。數(shù)字視頻信號接口電路采用12位并行傳輸模式，將A/D輸出的LVTTL數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成LVDS格式的數(shù)據(jù)。設(shè)計中采用TI公司的SN55LVDS31四路驅(qū)動芯片。DC/DC電源模塊輸入外電源電壓+12V，為遙感器提供+1.2V、+3.3V、+5V、+10V、+22V內(nèi)部電源，采用BOOST/BUCK型開關(guān)電源與LDO低壓差等電源轉(zhuǎn)換電路。監(jiān)控模塊用MCU實時監(jiān)控遙感器的工作狀態(tài)，接受衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)的工作指令，以電平的下降沿為觸發(fā)信號，衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)的輸出為OC門輸出，上拉電阻設(shè)置在遙感器端。CCD遙感器與衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口界面和邏輯關(guān)系見圖5。數(shù)據(jù)接口信號均采用LVDS邏輯電平傳輸，信號分為幀、行、位三個同步信號和12位數(shù)據(jù)信號，并行傳輸實現(xiàn)高碼率。

圖5 電子電路構(gòu)成Fig.5 Block diagram of electronic circuit

圖6 FT-18幀轉(zhuǎn)移CCDFig.6 FT-18 CCD with frame transfer

3 某星載微型凝視式CCD遙感器可靠性保證

為了適應(yīng)小衛(wèi)星空間、質(zhì)量、能源的局限，其載荷應(yīng)該具備體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點，因而為實現(xiàn)集約化和集成化設(shè)計，本文所設(shè)計的星載微型面陣CCD遙感器大規(guī)模采用集成度高、體積小、功耗小的國外工業(yè)級器件，并進行整體防輻射和散熱設(shè)計。為保證其可靠性，本文參照國內(nèi)外對選用目錄外元器件的措施，制定了元器件可靠性保證技術(shù)路線，并通過整機環(huán)境實驗進行驗證。下文分別通過元器件級可靠性保證措施和整機環(huán)境試驗來描述該技術(shù)路線。

（1）元器件級可靠性保證措施

該CCD遙感器部分元器件按照航天級元器件選用目錄選用，部分選用國外工業(yè)級器件的科學(xué)級元器件，對國外工業(yè)級器件進行破壞性物理分析（DPA）、補充篩選實驗、單板級環(huán)境實驗保證其元器件可靠性。DPA主要包含實驗項目分為4類：CCD、CCD插座、塑封器件、共模扼流圈，根據(jù)不同器件類型和國軍標(biāo)《GJB4027A-2006軍用電子元器件破壞性物理分析方法》制定了不同的實驗分析項目，該階段為抽檢，抽檢器件是否合格作為采購?fù)慌纹骷暮细衽袚?jù)。DPA合格的器件進行補充篩選，進一步考核其電性能等特性，此階段為全檢。全部考核合格后，根據(jù)電性能設(shè)計制成測試電路，進行單板實驗，單板實驗主要針對國外工業(yè)級器件經(jīng)受空間熱環(huán)境和粒子輻照環(huán)境其電路組成的電性能能否滿足設(shè)計要求，主要實驗項目包括：高低溫循環(huán)、熱真空（此前兩相均在鑒定級實驗條件基礎(chǔ)上±5℃）和粒子輻照實驗（按壽命累計總劑量+30%）。實驗中監(jiān)測單板電性能參數(shù)變化，如果電性能無變化則元器件和單板設(shè)計通過考核。

（2）整機環(huán)境試驗

整機環(huán)境試驗主要是考核CCD遙感器經(jīng)受運載火箭給予的振動環(huán)境、空間粒子輻照環(huán)境、空間熱環(huán)境、空間紫外輻照環(huán)境等能力，以及其電磁兼容性，主要實驗項目有：地面溫度試驗、高低溫?zé)嵫h(huán)試驗、熱真空試驗、電磁兼容性試驗、粒子輻照試驗、鏡頭玻璃紫外輻照試驗以及力學(xué)的正弦振動、隨機振動、沖擊、加速度試驗等實驗項目，經(jīng)鑒定級和驗收級試驗考核，本文所設(shè)計的輕小型面陣CCD遙感器均能通過以上試驗項目。

4 星載微型面陣CCD遙感器成像性能驗證

CCD遙感器鏡頭正樣產(chǎn)品的MTF采用Optest光學(xué)測試系統(tǒng)測量，照明光源分別采用550nm綠光和400～900nm寬波段光源，測量誤差小于0.03。鏡頭靜態(tài)MTF在Nyquist頻率處大于0.6，滿足設(shè)計要求。整機測試的成像性能靜態(tài)指標(biāo)主要包括遙感器靜態(tài)MTF、視場角，其中遙感器的靜態(tài)MTF測試結(jié)果如表2所列，靜態(tài)MTF在Nyquist頻率67線對/mm處能夠達到0.2以上，從圖7中可以看出CCD遙感器可以清晰分辨出16線對，其信噪比大于49。此外，CCD遙感器進行了動態(tài)成像測試和數(shù)值模擬，數(shù)值模擬中窗口與待測目標(biāo)速度距離比模擬在軌速高比，曝光時間2ms內(nèi)相對位移為0.2～2個像元，整機MTF大于0.16；動態(tài)成像試驗?zāi)M相對位移在曝光時間2ms內(nèi)0.2～1.4個像元，整機傳函大于0.18，均能夠滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

該CCD遙感器通過地面的可靠性試驗和性能測試，所搭載的小衛(wèi)星平臺于近期入軌進行成像試驗，將對凝視式CCD遙感器對空間相對運動目標(biāo)成像進行探索，其在軌試驗的成功將為空間動態(tài)目標(biāo)成像遙感器的研制提供有利的參考，其集約化的研制技術(shù)也將為輕小型載荷研制提供新的思路。

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[1]岳濤.中國航天光學(xué)遙感技術(shù)成就與展望[J].航天返回與遙感，2008，29（3）：10-19.

YUE Tao.The Achievements and Future Prospects of Chinese Space Optical Remote Sensing Technology[J].Spacecraft Recovery and Remote Sensing.2008，29（3）：10-19.（in Chinese）

[2]王麗霞，王慧，高軍.星載超光譜成像技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)狀分析[J].航天返回與遙感，2000，21（1）：40-47.

WANG Lixia，WANG Hui，GAO Jun.Analysis of Application and Current Situation of Space-borne Hyper-Spectral Imaging Technology[J].Spacecraft Recovery and Remote Sensing.，2000，21（1）：40-47.（in Chinese）

[3]Stephen L.The Space Maneuver Vehicle：Enhancing Space’s Utility to the War Fighter[R].ADA paper，2001，ADA4-04007.

[4]Chesters D，Jensm D.GATES-A Small，Agile Imaging Satellite for GOES-R[J].SPIE，1996，2812：30-39.

[5]Higbee Terry A，DARPASAT：Small，Smart Space System[J].Proc SPIE，1993，1：1940-1945.

[6]陳世平，楊秉新，王懷義，等.空間相機設(shè)計與試驗[M].中國宇航出版社.2003.

CHEN Shiping，YANG Bingxin，WANG Huaiyi，et al.Design and Experiment of Space Camera[M].China Astronautic Publishing House.2003.（in Chinese）

[7]王靈杰，張新，楊皓明，等.超緊湊型紅外折反式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué) 2007，28（3）：288-291.

WANG Lingjie， ZHANG Xin， YANG Haoming， et al.Design of a Compact Infrared Catadioptric System[J].Journal of Applied Optics.2007，28（3）：288-291.（in Chinese）

[8]李愛玲，張伯珩，邊川平.高速CCD圖像采集存儲系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].電子器件.2007，30（6）：2145-2147.

LI Ailing，ZHANG Boheng，BIAN Chuanping.Design of High-Speed CCD Image Data Acquisition Hardware System[J].Chinese Journal of Electron Devices.2007，30（6）：2145-2147.（in Chinese）