高分七號相機遮光罩展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)

劉靖雷， 馮 昊， 曹 旭， 江長虹， 賈 賀， 張 章

1. 北京空間機電研究所， 北京 100191 2. 中國空間技術(shù)研究院航天器無損著陸技術(shù)核心專業(yè)實驗室， 北京 100191

引 言

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》確定的16個重大科技專項之一， 目前已經(jīng)形成了空間信息產(chǎn)業(yè)鏈， 使我國對地觀測系統(tǒng)達到了世界先進水平。 高分七號衛(wèi)星工程作為高分工程天基觀測系統(tǒng)的收官之星， 將在高分辨率立體測繪圖像數(shù)據(jù)處理、 高分辨率立體測圖、 城鄉(xiāng)建設(shè)高精度衛(wèi)星遙感和遙感統(tǒng)計調(diào)查等領(lǐng)域取得突破[1]。

高分七號衛(wèi)星搭載的主載荷雙線陣相機由前后視相機組成， 兩臺相機成一定夾角安裝在衛(wèi)星上， 從不同角度對地面成像， 從而獲得立體影像及高程數(shù)據(jù)。 由于該相機的特殊結(jié)構(gòu)及軌道工況設(shè)計， 需要較傳統(tǒng)遙感相機更長的遮光罩以滿足在極端工況下避免太陽光直射導(dǎo)致溫度穩(wěn)定性無法滿足要求的問題[2]。

目前， 針對空間相機遮光罩應(yīng)用， 主要分為固定式遮光罩系統(tǒng)以及可展開遮光罩系統(tǒng)。 可展開遮光罩主要包含圓柱(錐)狀遮光罩以及開放式平面遮光罩。 在高分七號相機設(shè)計過程中， 為解決發(fā)射環(huán)節(jié)運載包絡(luò)尺寸約束問題， 設(shè)計了柔性遮光罩系統(tǒng)， 其由六根610 mm長度的“豆莢桿”式支撐結(jié)構(gòu)以及蒙皮組成了遮光罩本體[3]。 在發(fā)射狀態(tài)， 遮光罩的幾片組件呈收攏狀態(tài)， 當(dāng)發(fā)射入軌后， 由地面控制解鎖， 在“豆莢桿”式支撐結(jié)構(gòu)彈性力的作用下， 遮光罩組件伸展到位， 并組成了遮光系統(tǒng)。 柔性遮光罩系統(tǒng)較傳統(tǒng)剛性遮光罩系統(tǒng)需要對在軌工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測， 用以地面判斷遮光罩系統(tǒng)的在軌狀態(tài)， 對數(shù)據(jù)進行處理。

1 遮光罩展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)設(shè)計

1.1 展開狀態(tài)感知設(shè)計需求

適用于高分七號遮光罩的展開狀態(tài)感知系統(tǒng)的設(shè)計需求如下：

(1)展開狀態(tài)感知系統(tǒng)必須盡可能對現(xiàn)有遮光罩系統(tǒng)不產(chǎn)生負影響， 重量輕， 結(jié)構(gòu)小巧且能夠適應(yīng)航天器無溫控等的環(huán)境要求[4]。

(2)展開狀態(tài)感知系統(tǒng)盡可能選擇代價較小的方案， 功率消耗盡可能小于1 W， 對于下行數(shù)據(jù)遙測帶寬要求低， 避免大數(shù)據(jù)量傳輸[5]。

(3)展開狀態(tài)感知系統(tǒng)盡可能使用非活動結(jié)構(gòu)與部件， 避免因為發(fā)射階段巨大的加速度及振動環(huán)境帶來結(jié)構(gòu)沖擊。

(4)展開狀態(tài)感知系統(tǒng)作為在空間應(yīng)用的艙外設(shè)備， 需要經(jīng)受得住空間環(huán)境應(yīng)力的作用， 特別是嚴苛的溫度交變應(yīng)力的作用， 根據(jù)高分七號的仿真分析結(jié)果， 在軌溫度范圍可達-80～125 ℃。

常規(guī)的展開狀態(tài)感知手段包括采用小型相機監(jiān)視、 接近(到位)開關(guān)、 霍爾傳感器以及電機自到位判斷等方式[6]。 小型相機監(jiān)視遮光罩狀態(tài)需要較高的成本且占用較多的通訊帶寬； 接近(到位)開關(guān)測距方式適用于剛性結(jié)構(gòu)展開系統(tǒng)； 霍爾傳感器以及電機自到位判斷等方式適用于依靠電機驅(qū)動的剛性展開系統(tǒng)。 根據(jù)如上約束， 本文描述的是一種基于近紅外(NIR)光學(xué)探測的展開狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。 其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 工作原理為： 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)安裝于“豆莢桿”系統(tǒng)的一端， 通過產(chǎn)生一定波長的紅外光學(xué)信號， 經(jīng)過“豆莢桿”裝置內(nèi)部空間直射、 漫散射而被安裝于另一端的紅外光線接收系統(tǒng)采集， 采集到的紅外光線被轉(zhuǎn)換為電流信號， 經(jīng)過上拉電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出用于遮光罩展開狀態(tài)判斷。

圖1 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)

該紅外感知系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠經(jīng)受住較為嚴苛的環(huán)境而幾乎不增加原有遮光罩系統(tǒng)的代價。 通過調(diào)節(jié)紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率參數(shù)與接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)可以設(shè)置展開監(jiān)測系統(tǒng)的工作點， 進而將工作點平移至溫度影響較小區(qū)間范圍內(nèi)， 消除對大動態(tài)溫度交變等敏感因素的影響[6]。

1.2 系統(tǒng)模型與設(shè)計

展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)的工作原理是： 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生紅外光線， 在“豆莢桿”中間的空間通道內(nèi)經(jīng)過直射與漫散射， 進入到紅外光線接收系統(tǒng)， 經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。

如圖1所示， 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)出的紅外光線經(jīng)過“豆莢桿”通道后進入接收系統(tǒng)的視場范圍， 光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的視場交集可以進行微元表示， 在一定的豆莢桿直線度范圍下， 輸出電壓信號可以由如式(1)表示

(1)

其中，V1為基準(zhǔn)偏置電壓值，I0為紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)輸出光功率，ρ是“豆莢桿”用鈹青銅材料的表面反照率，H為光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的距離，θ1與θ2分別為光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的視場角，S0為“豆莢桿”截平面的物理參數(shù)，λ為豆莢桿展開后的直線度，η為接收系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率，R0為接收系統(tǒng)上拉電阻對電流的放大參數(shù)。 dΩ1為微元對紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的接收度， dΩ2為接收系統(tǒng)對微元發(fā)射光的接收度， 積分針對紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的視場交集進行。 由式(1)可以得出， 當(dāng)展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)所安裝的截面積、 距離等參數(shù)固定時， 接收系統(tǒng)的輸出電壓與紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的光功率、 接收系統(tǒng)的上拉電阻有關(guān)。

圖2 光電接收系統(tǒng)等效原理圖

對于接收系統(tǒng)的光電三極管電路， 如圖2所示， 可以將光電三極管等效為受控電阻Rx， 則有

U=V1-IRx

(2)

其中電流I為接收回路中等效電流， 在折疊狀態(tài)時， 電流I的值與光電三極管的漏電流有關(guān)， 由于漏電流值在nA級， 盡管Rx阻值設(shè)計為數(shù)十kΩ量級， 但是輸出電壓U的值仍為高電壓狀態(tài)。 在光照狀態(tài)時，Rx阻值迅速降低至kΩ量級， 電流I迅速增大， 輸出電壓U值由高壓變化至低壓狀態(tài)。

由于遮光罩“豆莢桿”系統(tǒng)原理， 其工作中只有兩種狀態(tài)： 展開(λ=180°)與折疊(λ=0°)。 在折疊狀態(tài)下， 接收系統(tǒng)等效為零光功率接收。 在展開狀態(tài)下， 接收系統(tǒng)的輸出電壓值與紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的光功率與接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)有關(guān)， 同時溫度的變化對電子元器件的工作特性會產(chǎn)生影響。

如式(2)所示， 在寬溫度交變環(huán)境下， 紅外感知系統(tǒng)的展開態(tài)正確信號取決于展開狀態(tài)下的接收系統(tǒng)光電流Iλ0； 在折疊狀態(tài)下， 影響感知系統(tǒng)是否輸出正確信號的影響因素主要有接收系統(tǒng)上拉電阻Rx、 接收系統(tǒng)暗電流Iλ180。 記系統(tǒng)的判別門限電壓分別為UOH，UOL， 則分別需要滿足式(3)條件

(3)

1.3 參數(shù)設(shè)計

根據(jù)已知參數(shù)包絡(luò)及整星電子學(xué)設(shè)計狀態(tài)， 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)的光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的距離H、 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的視場角θ1與θ2、 “豆莢桿”截平面的物理參數(shù)S0、 接收系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率η均為已知固定量。

根據(jù)機械設(shè)計， 遮光罩在軌有展開與折疊兩種理想狀態(tài)， 兩種理想狀態(tài)下，λ分別按照0°與180°計算， 對于調(diào)節(jié)量， 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)輸出光功率I0以及接收系統(tǒng)上拉電阻對電流的放大參數(shù)R0為電子學(xué)系統(tǒng)可調(diào)設(shè)計變化量， 交變溫度環(huán)境為外部隨機干擾參量。

采用美國OPTEK公司的高性能膠囊式封裝的OP224組成紅外發(fā)射系統(tǒng)陣列， 采用OP604光電接收二極管組成紅外接收系統(tǒng)陣列， 光學(xué)系統(tǒng)工作波長為890 nm。 根據(jù)功率包絡(luò)， 首先確定發(fā)射陣列電流參數(shù)值約為50 mA， 接收陣列放大參數(shù)匹配電阻值為25 kΩ左右， 構(gòu)建試驗系統(tǒng)。

2 試驗驗證

由理論分析可知， 影響紅外監(jiān)測系統(tǒng)輸出準(zhǔn)確性的因素主要有紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出光功率、 紅外光線接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)以及外部溫度環(huán)境。 而接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)值越大， 紅外監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度越高， 但是在零光功率的狀態(tài)下， 接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)如果越大， 漏電流產(chǎn)生的影響會加大。 另一方面在電子學(xué)設(shè)計上， 接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)值會影響系統(tǒng)對外的輸出阻抗， 存在與外接電路的阻抗匹配性設(shè)計問題， 所以放電電路的參數(shù)需要取平衡值。

2.1 零功率狀態(tài)接收系統(tǒng)放大參數(shù)影響試驗

根據(jù)電路參數(shù)設(shè)計原理， 接收系統(tǒng)的放大特性與接收電路的上拉電阻阻值成正比， 接收系統(tǒng)的放大特性可以用上拉電阻阻值表示。 分別測試了在零發(fā)射功率狀態(tài)下， 接收系統(tǒng)的上拉電阻由1 kΩ， 2～20 kΩ(步進值2 kΩ)、 30～100 kΩ(步進值10 kΩ)狀態(tài)下的電壓輸出值。 如圖3所示。

圖3 零功率輸入接收系統(tǒng)放大參數(shù)影響數(shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)可知， 在定輸入加載電壓以及零功率加載環(huán)境下， 隨著接收系統(tǒng)上拉電阻的增大， 靜態(tài)輸出電壓呈近似線性變化， 線性變化率大約為0.5 mV·kΩ-1， 但是總體上輸出電壓值能夠保持在5 V以上。 根據(jù)光電晶體管物理特性， 該電流是由晶體管暗電流引起， 通過計算， 光電晶體管系統(tǒng)的暗電流值約為500 nA。 接收陣列二極管在零功率輸入條件下的等效電阻約為10 MΩ。

2.2 光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率與接收系統(tǒng)放大參數(shù)匹配試驗

針對光功率與接收系統(tǒng)的電路放大參數(shù)兩項因素， 在實驗室狀態(tài)下進行了兩項因素的匹配試驗， 由于紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的光功率與輸入電流成正比， 所以紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)的光功率用工作電流值表示， 接收系統(tǒng)的放大參數(shù)用上拉電阻的特征值表示。 設(shè)計了光電流在5～100 mA區(qū)間， 放大參數(shù)在11～100 kΩ區(qū)間的共228個工況的試驗矩陣， 試驗采用安捷倫公司的E3649A型電源提供電流與電壓激勵， 采用FLUKE公司的F289C數(shù)字萬用表進行電壓信號測試分析， 采用了永星電子的精密3296KX系列可調(diào)電位器改變上拉電阻值。

試驗過程中， 將展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)安裝于遮光罩“豆莢桿”裝置本體內(nèi)， 通過外部控制遮光罩的展開與折疊狀態(tài)， 通過儀器對展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)的參數(shù)進行測試。 試驗過程如圖4所示。

圖4 遮光罩折疊展開試驗

試驗得到12組共228個工況的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 匹配試驗測試數(shù)據(jù)

通過試驗得出， 在遮光罩處于伸展?fàn)顟B(tài)下， 紅外光線接收系統(tǒng)輸出的電壓值和紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率值、 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻阻值均有關(guān)系。 具體為： 當(dāng)紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)射光功率一定時， 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻的阻值越大， 紅外光線接收系統(tǒng)輸出電壓值越小， 因為當(dāng)紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)射輸出光功率時， 紅外光線接收系統(tǒng)的光電二極管陣列等效阻值開始變化， 其呈現(xiàn)的零功率下的高阻狀態(tài)變?yōu)槟撤N阻值的低阻狀態(tài)。 為了增加系統(tǒng)的輸出電壓的分辨率， 必須增加紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻的阻值。 當(dāng)紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)射光功率的值減小至20 mA以下時， 紅外光線接收系統(tǒng)的上拉電阻需要在30 kΩ以上才能使得展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)在實驗室條件下正常工作。 當(dāng)紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率值減小至5 mA左右時， 系統(tǒng)的工作狀態(tài)趨近于發(fā)射系統(tǒng)零功率下的狀態(tài)， 即曲線開始封頂平直， 幾乎不再受到紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻的影響。 試驗表明， 在展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計上， 需要同時匹配考慮發(fā)射光功率與紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻的阻值。 兩者均需要在外部供電與電子學(xué)遙測采集可接收的條件下， 取較高值。

2.3 溫度對展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)影響試驗

針對系統(tǒng)軌道熱控數(shù)據(jù)， 設(shè)計的溫度試驗點分別有： -90， -60， 20， 100， 125和145 ℃六個測試狀態(tài)， 分別針對零光功率(λ=0°)以及伸展?fàn)顟B(tài)下(λ=180°)進行性能測試。 按照飛行試驗狀態(tài)制備了六組相同狀態(tài)制品， 六組制品的參數(shù)設(shè)定為： 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率電流值45 mA， 接收系統(tǒng)上拉電阻阻值25 kΩ， 供電電壓5.0 V， 得到試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度環(huán)境下感知系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

溫度條件對展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)的影響試驗表明， 在紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率電流值45 mA， 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻參數(shù)25 kΩ條件下， 在-90～100 ℃溫度范圍內(nèi)， 系統(tǒng)能夠正常的表示遮光罩的展開與折疊狀態(tài)， 當(dāng)溫度上升至125 ℃時， 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)在伸展?fàn)顟B(tài)下的輸出電壓值開始下降， 對狀態(tài)的判斷開始出現(xiàn)偏差， 當(dāng)溫度上升至145 ℃時， 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)對遮光罩的狀態(tài)判斷會出現(xiàn)嚴重偏差。

基于上述數(shù)據(jù)， 對紅外光線接收系統(tǒng)光電晶體管陣列的等效電阻進行了計算， 如圖6所示。 計算結(jié)果表明溫度下降對紅外光線接收系統(tǒng)光電晶體管陣列的等效電阻會產(chǎn)生影響， 變化趨勢是等效阻值增大， 但是沒有產(chǎn)生數(shù)量級的變化。 當(dāng)溫度上升時， 紅外光線接收系統(tǒng)光電晶體管陣列的等效電阻開始下降， 當(dāng)溫度達到100 ℃時， 等效電阻降低至常溫等效電阻的1/2～1/3左右， 當(dāng)溫度達到125 ℃時， 光電晶體管的等效電阻已經(jīng)降低至常溫等效電阻的1/10左右， 溫度達到145 ℃時， 光電晶體管的等效電阻下降至kΩ量級。 由于受到溫度影響， 等效電阻出現(xiàn)較大范圍下降， 所以紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻的阻值宜選用在10～50 kΩ之間。

圖6 溫度環(huán)境下光電晶體管等效電阻

2.4 討論與分析

影響遮光罩展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)的性能因素主要有： 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率值、 紅外光線接收系統(tǒng)的放大參數(shù)值及工作溫度。

該展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)， 紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率參數(shù)大于25 mA， 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻特征參數(shù)大于15 kΩ是系統(tǒng)工作的理想包絡(luò)。

在溫度環(huán)境作用下， 當(dāng)紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻特征參數(shù)不大于50 kΩ時， 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)在小于125 ℃溫度環(huán)境下能夠有效的判定遮光罩系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

當(dāng)遮光罩系統(tǒng)幾何參數(shù)等變量發(fā)生變化時， 可以通過改變紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率參數(shù)、 紅外光線接收系統(tǒng)放大參數(shù)改變系統(tǒng)工作點， 為后續(xù)其他該類產(chǎn)品在軌狀態(tài)監(jiān)測提供了相關(guān)參數(shù)設(shè)計方案。

3 結(jié) 論

研制了展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)， 用于高分七號相機遮光罩在軌展開狀態(tài)監(jiān)測。 感知系統(tǒng)包含紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)與接收系統(tǒng)， 采用890 nm紅外光作為信息載體， 經(jīng)空間柔性展開結(jié)構(gòu)“豆莢桿”通道后由紅外光線接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號， 通過對電信號處理得到柔性結(jié)構(gòu)展開狀態(tài)信息。 具有無動作機構(gòu)部件、 無大能源消耗等優(yōu)點。 搭建了試驗系統(tǒng)， 針對紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率、 紅外光線接收系統(tǒng)光電晶體管陣列上拉電阻以及工作溫度等參數(shù)對展開判定的影響， 進行了測試。 得到以現(xiàn)有設(shè)計包絡(luò)， 即紅外光線產(chǎn)生系統(tǒng)光功率參數(shù)大于25 mA、 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻大于15 kΩ是系統(tǒng)工作的理想包絡(luò)。 在溫變環(huán)境下， 紅外光線接收系統(tǒng)上拉電阻特征參數(shù)不大于50 kΩ時， 展開狀態(tài)紅外感知系統(tǒng)在125 ℃以下溫度環(huán)境中能夠有效的判定遮光罩系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。 為同類型柔性遮光罩監(jiān)測方案設(shè)計提供了基礎(chǔ)， 具較大應(yīng)用前景。