一種大幅寬空間光學(xué)遙感器調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭君 張孝弘 雷文平 李坤 張占東 齊少凡 李富強(qiáng)

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

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一種大幅寬空間光學(xué)遙感器調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭君 張孝弘 雷文平 李坤 張占東 齊少凡 李富強(qiáng)

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

傳統(tǒng)調(diào)焦控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力和體積大小，已無(wú)法滿(mǎn)足大幅寬空間光學(xué)遙感器大焦面調(diào)焦的需求，為此，文章提出了一種雙路直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。調(diào)焦控制系統(tǒng)通過(guò)焦面位置遙測(cè)單元的精確測(cè)量和焦面調(diào)焦控制單元的自主決策原則，運(yùn)用分步調(diào)焦、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)整的閉環(huán)反饋控制方法，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的大焦面調(diào)焦控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有調(diào)焦驅(qū)動(dòng)力大、調(diào)焦精度高、調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和調(diào)焦可靠性高等特點(diǎn)。調(diào)焦性能測(cè)試和外景成像試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。該設(shè)計(jì)可用于大幅寬空間光學(xué)遙感器的調(diào)焦控制，從而保證光學(xué)遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)及成像質(zhì)量。

空間光學(xué)遙感器；調(diào)焦控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制；編碼器

1 引言

為了保證大幅寬空間光學(xué)遙感器的成像質(zhì)量和幾何精度，設(shè)計(jì)一套高精度、高穩(wěn)定性的調(diào)焦控制系統(tǒng)是十分必要的。這是因?yàn)椋孩儆捎诖蠓鶎捒臻g光學(xué)遙感器的光學(xué)系統(tǒng)焦距較長(zhǎng)，衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊，以及復(fù)雜多變的在軌溫度、壓力等環(huán)境，可能會(huì)導(dǎo)致成像系統(tǒng)偏離焦平面[1-3]。離焦是影響成像質(zhì)量的重要因素，將導(dǎo)致光學(xué)遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)下降，從而降低成像分辨率，直接影響幾何精度[4]。②在軌的最佳焦面位置與在地面常溫常壓實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的焦面位置，以及真空常溫條件下的焦面位置，可能都會(huì)存在差異，必要時(shí)要進(jìn)行在軌調(diào)焦[4]。③地球本身的橢圓特征、地表景物絕對(duì)高度的參差不齊，以及光學(xué)遙感器的變軌成像功能，也要求具備在軌實(shí)時(shí)調(diào)焦能力[2]。中巴地球資源衛(wèi)星-02B(CBERS-02B)在軌測(cè)試期間，進(jìn)行了在軌調(diào)焦，取得了明顯效果[4]。美國(guó)艾科諾斯-2(IKNOS-2)衛(wèi)星在軌也經(jīng)歷了多次調(diào)焦過(guò)程。世界觀(guān)測(cè)-1(Worldview-1)衛(wèi)星和地球之眼-1(GeoEye-1)衛(wèi)星經(jīng)在軌測(cè)試調(diào)整，確定了光學(xué)遙感器的最佳焦面位置[5]。

文獻(xiàn)[1，3]中闡述了遙感器中一般常用的凸輪調(diào)焦機(jī)構(gòu)、絲杠螺母調(diào)焦(螺紋調(diào)焦)機(jī)構(gòu)和連桿調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦設(shè)計(jì)方案，但是這3種方式對(duì)于結(jié)構(gòu)布局非常緊湊的大焦面來(lái)說(shuō)，存在一定的局限性，占有較大的空間。本文以確保遙感器成像質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種雙路直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)高精度調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制方法，調(diào)焦驅(qū)動(dòng)力大，可靠性高，在確保光學(xué)遙感器的光學(xué)高穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)焦。

2 調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)不同，應(yīng)用領(lǐng)域不同，調(diào)焦方式也不同。光學(xué)遙感器常用的調(diào)焦方式有鏡頭調(diào)焦、反射鏡調(diào)焦和焦面調(diào)焦3種[1]。鏡頭調(diào)焦通過(guò)移動(dòng)光學(xué)鏡頭的方式改變光學(xué)間隔實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，反射式光學(xué)系統(tǒng)中，主鏡和次鏡對(duì)成像質(zhì)量影響較大，一般不作為調(diào)焦對(duì)象，而常采用三鏡調(diào)焦方式[3]。高分二號(hào)(GF-2)衛(wèi)星的高分辨率光學(xué)遙感器就采用三鏡調(diào)焦方式進(jìn)行調(diào)焦設(shè)計(jì)[6]。反射鏡調(diào)焦通過(guò)移動(dòng)在光學(xué)系統(tǒng)中起折轉(zhuǎn)光路作用的反射鏡進(jìn)行調(diào)焦，常用于后截距較長(zhǎng)、調(diào)焦精度較高的光學(xué)系統(tǒng)中。資源三號(hào)(ZY-3)衛(wèi)星多光譜相機(jī)通過(guò)調(diào)整平面鏡位置可實(shí)現(xiàn)焦面位置的調(diào)整[7]。焦面調(diào)焦的優(yōu)點(diǎn)是能讓光學(xué)系統(tǒng)保持很好的穩(wěn)定性，適用于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)非常敏感、穩(wěn)定性要求高的光學(xué)遙感器。

對(duì)于大幅寬的光學(xué)遙感器，調(diào)整大尺寸的三鏡或反射鏡位置對(duì)成像質(zhì)量非常敏感，其微小的角度變化都會(huì)使CCD光敏面偏離光學(xué)系統(tǒng)的焦平面，將直接導(dǎo)致MTF下降，其函數(shù)表達(dá)式為[8]

(1)

式中：M為離焦的MTF值；J1為一階貝塞爾函數(shù)；S為軸向離焦量；NA=D/(2f)=1/(2F)，其中，D/f=1/F，D為入射光瞳直徑，f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距，F(xiàn)為相對(duì)孔徑的倒數(shù)。

式(1)顯示了遙感器離焦直接影響MTF的大小。因此，在調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本文采用焦面部件移動(dòng)方式，有利于保證光學(xué)遙感器自身成像性能和幾何精度的穩(wěn)定性。但是，大幅寬勢(shì)必導(dǎo)致焦面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度跨度大，焦面結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)規(guī)模大，質(zhì)量大；同時(shí)，長(zhǎng)焦面結(jié)構(gòu)中間空間狹小，可利用空間不足。因此，采用焦面調(diào)焦需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：①要滿(mǎn)足大驅(qū)動(dòng)力的需求；②調(diào)焦機(jī)構(gòu)占用空間小。為此，本文提出焦面兩端采用雙路直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)+閉環(huán)反饋控制的大焦面調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖1所示，調(diào)焦控制系統(tǒng)包括電機(jī)1和2的驅(qū)動(dòng)單元、焦面位置1和2的遙測(cè)單元、焦面調(diào)焦控制單元。電機(jī)1和2的驅(qū)動(dòng)單元由2個(gè)相同的直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)組成，分別安裝在焦面兩端。電機(jī)內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，體積小，性能好，特別適用于在極其有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能和長(zhǎng)久應(yīng)用的場(chǎng)合。焦面調(diào)焦控制單元根據(jù)地面注入的調(diào)焦控制需求，依據(jù)自主決策原則產(chǎn)生相應(yīng)直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，同時(shí)根據(jù)焦面位置遙測(cè)單元的遙測(cè)信號(hào)，實(shí)行閉環(huán)控制，完成焦面位置快速、準(zhǔn)確的調(diào)整。

調(diào)焦分辨率是指焦面能移動(dòng)的最小值，指電機(jī)每運(yùn)行一個(gè)步距角所對(duì)應(yīng)的焦面移動(dòng)量，一般應(yīng)小于光學(xué)遙感器半焦深的1/5[9]，焦深|±Δ|根據(jù)式(2)求得。

(2)

式中：λ為光學(xué)遙感器工作的中心波長(zhǎng)。

調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處在于遙測(cè)和控制的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，要解決2個(gè)難題：①保證同步驅(qū)動(dòng)一致性的問(wèn)題；②保證系統(tǒng)高可靠性的問(wèn)題。采用雙路直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)存在焦面兩端移動(dòng)不同步、不一致的問(wèn)題，從而導(dǎo)致焦面傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，影響成像質(zhì)量。對(duì)應(yīng)的解決方案是采用閉環(huán)反饋控制。調(diào)焦控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取2套焦面位置遙測(cè)單元的遙測(cè)信號(hào)來(lái)確定焦面兩端的實(shí)際位置，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)遙測(cè)結(jié)果來(lái)判斷2個(gè)電機(jī)的同步性，并修正驅(qū)動(dòng)脈沖，滿(mǎn)足焦面兩端位置一致。為保證系統(tǒng)的高可靠性，電路系統(tǒng)中都采用成熟的功能模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)關(guān)鍵的電路功能模塊之間的接口，須加強(qiáng)硬件接口電路可靠性設(shè)計(jì)。

注：ASI為異步串行接口。圖1 調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Project design of focusing control system

2.2 焦面位置遙測(cè)單元設(shè)計(jì)

焦面位置遙測(cè)單元的作用是實(shí)現(xiàn)調(diào)焦過(guò)程中焦面位置的精確測(cè)量。一般，采用電位計(jì)測(cè)量焦面移動(dòng)位置是最簡(jiǎn)單的遙測(cè)方法，但是，無(wú)論是普通機(jī)電式電位計(jì)，還是數(shù)字電位計(jì)，都有測(cè)試精度不高、測(cè)量范圍小的局限性。為此，本文焦面位置遙測(cè)單元采用多圈絕對(duì)值式光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量系統(tǒng)，包括：編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)。編碼器測(cè)量角度精度高，16位的編碼器分辨率達(dá)到0.005°，且測(cè)量范圍寬，能記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。如圖2所示，編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安裝在直線(xiàn)電機(jī)的后部，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的每一個(gè)位置提供唯一的編碼數(shù)值，實(shí)時(shí)將角度信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，送入編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)，得到多圈絕對(duì)值式的角度值[10-11]。焦面調(diào)焦控制單元將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度值換算成軸向的直線(xiàn)距離，就可實(shí)現(xiàn)焦面位置的精確測(cè)量。

焦面位置遙測(cè)單元關(guān)鍵接口電路有兩處：①編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出接口。編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)接口采用交叉主備份設(shè)計(jì)方案，既有光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主備份電路設(shè)計(jì)，又有輸出接口的主備份設(shè)計(jì)，具有高可靠性特點(diǎn)。②編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)輸出接口。相對(duì)一般通用的數(shù)據(jù)傳輸方式(并行傳輸和同步串行傳輸)，本文采用的編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出方式為ASI傳輸方式，在約定的波特率下，遙測(cè)數(shù)據(jù)由編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)傳向焦面調(diào)焦控制單元。為保證可靠傳輸數(shù)據(jù)，編碼器信號(hào)處理系統(tǒng)和焦面調(diào)焦控制單元之間的硬件接口電路也采用交叉主備份設(shè)計(jì)方案。

圖2 焦面位置遙測(cè)單元原理示意Fig.2 Schematic diagram of focal plane position telemetry unit

2.3 焦面調(diào)焦控制單元設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

焦面調(diào)焦控制單元(見(jiàn)圖3)包括反饋控制模塊、電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊。反饋控制模塊是調(diào)焦控制系統(tǒng)的控制核心，其基本功能是：接收光學(xué)遙感器控制平臺(tái)的調(diào)焦控制需求(調(diào)焦距離+調(diào)焦方向)；同時(shí)接收焦面位置遙測(cè)單元的遙測(cè)信號(hào)來(lái)確定焦面結(jié)構(gòu)的實(shí)際位置，并經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理產(chǎn)生雙路直線(xiàn)電機(jī)的相應(yīng)脈沖時(shí)序信號(hào)。電源模塊主要是為整個(gè)焦面調(diào)焦控制單元提供電能。電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊是執(zhí)行組件，根據(jù)反饋控制模塊輸入的步進(jìn)電機(jī)脈沖控制信號(hào)，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

為確保焦面兩端調(diào)焦的同步性、一致性，反饋控制模塊要具備：①實(shí)現(xiàn)2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序同步，即時(shí)序控制同源性；②能夠?qū)崿F(xiàn)任意一個(gè)電機(jī)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)調(diào)整工作；③實(shí)時(shí)比較2個(gè)電機(jī)的同步性，并修正驅(qū)動(dòng)脈沖滿(mǎn)足焦面兩端位置同步。

(1)時(shí)序控制同源性的實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，反饋控制模塊向電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊1和2同時(shí)輸出電機(jī)同步脈沖時(shí)序信號(hào)，并保證信號(hào)傳輸路徑的長(zhǎng)度一致，這樣可以滿(mǎn)足時(shí)序控制的“同源性”。也就是說(shuō)：①路徑a與路徑a′的長(zhǎng)度之和應(yīng)等于路徑b與路徑b′的長(zhǎng)度之和；②電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊1和2同時(shí)工作。

(2)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制同源性的情況下，若某個(gè)電機(jī)在前進(jìn)或后退過(guò)程中遇到阻力，出現(xiàn)實(shí)際的直線(xiàn)運(yùn)行距離與指令要求的脈沖信號(hào)不匹配，即出現(xiàn)“丟步”情況。這時(shí)能根據(jù)實(shí)際遙測(cè)位置值來(lái)進(jìn)行相應(yīng)電機(jī)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)調(diào)整。如圖3所示，反饋控制模塊輸出使能信號(hào)1和使能信號(hào)2。在同源時(shí)序驅(qū)動(dòng)工作模式時(shí)，兩路使能信號(hào)同時(shí)為高電平，允許2個(gè)電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)工作。若判斷出某個(gè)電機(jī)出現(xiàn)“丟步”情況，該電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊收到的使能信號(hào)為高電平，其模塊處于工作狀態(tài)，同時(shí)使另一個(gè)電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊收到的使能信號(hào)為低電平，使其模塊處于待機(jī)狀態(tài)，這樣就可以滿(mǎn)足單獨(dú)調(diào)整某電機(jī)的前進(jìn)或者后退。如表1所示，使能信號(hào)1與使能信號(hào)2的不同組合，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)焦控制系統(tǒng)的4種工作模式。

圖3 焦面調(diào)焦控制單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Focusing control unit structure

使能信號(hào)1使能信號(hào)2電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊1電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊2工作模式說(shuō)明高電平高電平工作狀態(tài)工作狀態(tài)同源時(shí)序模式高電平低電平工作狀態(tài)待機(jī)狀態(tài)電機(jī)1調(diào)整模式低電平高電平待機(jī)狀態(tài)工作狀態(tài)電機(jī)2調(diào)整模式低電平低電平待機(jī)狀態(tài)待機(jī)狀態(tài)待機(jī)模式

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

調(diào)焦控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分步調(diào)焦，實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整。硬件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了時(shí)序控制同源性和單電機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)性，為軟件的實(shí)施提供了保障。如圖4所示，軟件工作流程就是根據(jù)地面上注的調(diào)焦需求，依據(jù)自主判斷原則確定調(diào)焦步長(zhǎng)的策略。如果調(diào)焦步長(zhǎng)D較大，則首先進(jìn)行粗調(diào)，將大步調(diào)整化解成多個(gè)小步數(shù)dn調(diào)整，即D=d1+d2+d3+…+dn(n=1，2,3，…)；進(jìn)入精調(diào)范圍時(shí)，按照最小步長(zhǎng)dmin=1進(jìn)行調(diào)整。無(wú)論是粗調(diào)還是精調(diào)，每次調(diào)焦都要進(jìn)行距離比較。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械間隙的因素，兩端的絕對(duì)位置不可能與理論計(jì)算結(jié)果完全相等。根據(jù)間隙誤差分析得到的允許最大公差為

(3)

式中：L1和L2為編碼器1和2的角度值；L0為焦面兩端絕對(duì)位置相差所允許的最大值。

根據(jù)焦面移動(dòng)距離比對(duì)結(jié)果作出實(shí)時(shí)調(diào)整，對(duì)移動(dòng)位置小的一端進(jìn)行單獨(dú)修正，目的就是確保每走一步都能滿(mǎn)足焦面兩端的移動(dòng)同步性，避免焦面結(jié)構(gòu)傾斜，確保成像質(zhì)量。

圖4 調(diào)焦控制系統(tǒng)工作流程Fig.4 Working flow of focusing control system

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

試驗(yàn)驗(yàn)證包括實(shí)驗(yàn)室里的性能測(cè)試和實(shí)地外景成像測(cè)試。通過(guò)精確的數(shù)據(jù)測(cè)試和實(shí)物圖像拍攝測(cè)試，能充分驗(yàn)證調(diào)焦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果。

3.1 調(diào)焦控制系統(tǒng)性能測(cè)試驗(yàn)證

3.1.1 測(cè)試驗(yàn)證方案

根據(jù)式(2)求得本文驗(yàn)證用光學(xué)遙感器的焦深，調(diào)焦分辨率設(shè)計(jì)值應(yīng)小于半焦深的1/5，設(shè)計(jì)數(shù)值應(yīng)優(yōu)于0.002 0 mm才能滿(mǎn)足調(diào)焦精度要求。綜合考慮機(jī)械加工誤差、裝配裝調(diào)誤差，以及在軌工作溫度均衡變化等環(huán)境因素引起的遙感器光學(xué)系統(tǒng)變化，分析確定遙感器焦平面在光軸方向±2.00 mm的調(diào)焦行程可滿(mǎn)足調(diào)焦范圍要求。同時(shí)，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)仿真，焦面移動(dòng)的角偏精度須優(yōu)于10″的設(shè)計(jì)要求。為了充分驗(yàn)證上述性能指標(biāo)，在潔凈度10萬(wàn)級(jí)的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行直線(xiàn)度測(cè)試和精度測(cè)試。

直線(xiàn)度測(cè)試采用經(jīng)緯儀測(cè)角法。如圖5所示，在焦面機(jī)構(gòu)中間粘貼了基準(zhǔn)鏡，測(cè)試時(shí)，經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)鏡，將調(diào)焦機(jī)構(gòu)由一個(gè)極限位置經(jīng)中間位置移向另一個(gè)極限位置，分別記下經(jīng)緯儀在各個(gè)位置的水平角和豎直角的讀數(shù)，通過(guò)不同位置的角度來(lái)判斷調(diào)焦過(guò)程中焦面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)性。

圖5 調(diào)焦控制系統(tǒng)測(cè)試Fig.5 Test of focusing control system

3.1.2 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果與分析

調(diào)焦范圍測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，直線(xiàn)性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，調(diào)焦精度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，殘差Si統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。分析可得：

(1)實(shí)際測(cè)試范圍為±2.72mm，優(yōu)于調(diào)焦范圍設(shè)計(jì)要求±2.00mm。

(2)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)于0.001 8mm，優(yōu)于調(diào)焦分辨率設(shè)計(jì)要求0.002 0mm。

(3)根據(jù)表2，大范圍移動(dòng)時(shí)，焦面在水平角和豎直角方向的偏角變化在6″以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足10″的設(shè)計(jì)要求。

(4)根據(jù)表3，小范圍移動(dòng)時(shí)，焦面在水平角和豎直角方向的偏角變化在1″以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足10″的設(shè)計(jì)要求。

(5)根據(jù)表4和圖6，由式(4)和式(5)得出調(diào)焦系統(tǒng)的最大誤差為3σ=3×0.000 4=0.001 2mm。在±2.176 0mm調(diào)焦行程范圍內(nèi)，最大誤差為1.2μm。參照文獻(xiàn)[1，3，9]的測(cè)試情況，從調(diào)焦精度測(cè)試效果來(lái)看，性能測(cè)試結(jié)果較好。

表2 調(diào)焦控制系統(tǒng)范圍測(cè)試

表3 調(diào)焦控制系統(tǒng)直線(xiàn)性測(cè)試

表4 調(diào)焦精度測(cè)試

圖6 殘差Si統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)Fig.6 Statistical curve of Si

3.2 調(diào)焦控制系統(tǒng)外景成像試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)景拍攝更為直觀(guān)地驗(yàn)證調(diào)焦控制系統(tǒng)的性能。圖7為某高樓的成像全景圖(目標(biāo)距離2.8 km)。圖8為圖7中藍(lán)色標(biāo)識(shí)處的局部放大圖，其中圖8(a)為非最佳焦面處的成像效果，圖8(b)為最佳焦面處的成像效果，兩者成像效果對(duì)比非常明顯。圖8(c)為圖8(b)中紅色標(biāo)識(shí)處的局部放大圖，其中空調(diào)的防護(hù)網(wǎng)清晰可見(jiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)焦精度高，調(diào)焦效果好。

圖7 調(diào)焦試驗(yàn)成像全景圖Fig.7 Imaging panorama of focusing test

圖8 調(diào)焦試驗(yàn)成像局部圖Fig.8 Imaging local graph of focusing test

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙路直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和高精度、高可靠性的焦面位置遙測(cè)設(shè)計(jì)，結(jié)合基于自主決策的閉環(huán)反饋控制方法，設(shè)計(jì)了大幅寬空間光學(xué)遙感器調(diào)焦控制系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度高、可靠性好，在軌可以實(shí)現(xiàn)焦面調(diào)整到最佳位置，從而保證系統(tǒng)MTF，提高成像分辨率，提高幾何精度，確保成像質(zhì)量。這對(duì)大幅寬空間光學(xué)遙感器的研制具有重要意義。

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(編輯：夏光)

Design of Focusing Control System for Wide Swath Space Optical Remote Sensor

ZHENG Jun ZHANG Xiaohong LEI Wenping LI Kun ZHANG Zhandong QI Shaofan LI Fuqiang

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity，Beijing 100094，China)

The traditional focusing control system can not yet satisfy the requirements of large drive force and small size for space optical remote sensor with wide swath. To resolve these problems，the paper proposes a focusing control system design with dual linear drive which can achieve high precision and high reliability focusing control. The focusing control system adopts focal plane position telemetry unit with accurate measurement，focusing control unit with the principle of self-determination， and closed-loop feedback control method including step by step focusing，real-time monitoring and real-time adjustment. The focusing control system can meet the requirements of design，such as large driving force，high precision，concise design and high reliable scheme. The focusing control system is verified by the focusing capacity test and imaging test on the ground，and can be applied to space optical remote sensor with wide swath to ensure the system MTF and imaging quality.

space optical remote sensor； focusing control system； closed-loop control；encoder

2016-10-14；

2017-03-14

國(guó)家重大航天工程

鄭君，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器電子學(xué)總體設(shè)計(jì)。Email:zhj1766@163.com。

TB811；P407.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.009