環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星16 m相機設計與驗證

呂秋峰 任海培 靳利鋒 曹偉 蔡媛媛

(北京空間機電研究所 先進光學遙感技術北京市重點試驗室，北京 100094)

遙感技術是獲取環(huán)境信息的強有力手段，環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星裝載了16 m相機，圖像數(shù)據(jù)廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測與災害評估、災后恢復重建等方面[1]。16 m相機在距離地面645 km的太陽同步軌道，以推掃方式對地面景物成像，其具有藍、綠、紅、近紅外、紅邊共5個譜段，空間分辨率優(yōu)于16 m，成像幅寬大于200 km[2]。16 m相機的探測器采用了GL2110-01型電荷耦合元件(CCD)，這是該型CCD器件首次應用于空間光學遙感相機。本文主要講述16 m相機的設計方案、技術難點、在軌運行及測試情況。

1 設計方案及難點

1.1 設計方案概述

由于搭載16 m相機的環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星均是小型衛(wèi)星平臺，因此對相機的尺寸、質(zhì)量、功耗等都有比較嚴苛的要求[3]。16 m相機由遮光罩、鏡頭組件、焦面組件、視頻電路、二次電源模塊及熱管組成。相機光學鏡頭采用折射式光學系統(tǒng)，地物輻射信息經(jīng)過分光棱鏡分成5個譜段，分別成像在5片CCD探測器上。CCD探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號處理電路讀出、A/D轉(zhuǎn)換后編碼送入衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)。為保證相機5個CCD探測器溫度一致性，通過一個異形的導熱銅條從CCD探測器引出到熱管進行散熱。16 m相機設計時，CCD器件的選擇是關鍵[4]。結(jié)合16 m相機的設計方案，所選擇的CCD器件應具備像元尺寸小、像元規(guī)模大、動態(tài)范圍大、調(diào)制傳遞函數(shù)高的優(yōu)點。

經(jīng)過選擇確定使用重慶光電技術研究所生產(chǎn)的GL2110-01型CCD器件。GL2110-01是一款單線列可見光型CCD器件，工作溫度范圍為-40～+70 ℃，抗輻照總劑量30 krad(Si)，具備抗位移損傷效應能力。器件外觀如圖1所示，詳細尺寸如圖2所示。

圖1 GL2110-01 CCD外觀圖Fig.1 Outside view of GL2110-01

圖2 GL2110-01器件外形尺寸Fig.2 Shape size of GL2110-01

1.2 技術難點

16 m相機的設計難點是在輕小型的要求下，具有超大視場5譜段成像的能力。為實現(xiàn)該目標，對光學系統(tǒng)進行了輕小型化、消色差及消雜散光設計，對焦面組件進行了集成化設計，對多探測器進行了同時散熱設計，對電路采取了低噪聲設計。

1.2.1 大視場寬譜段消色差光學系統(tǒng)設計

16 m相機采用了6.5 μm小像元超長線陣CCD，縮短了光學系統(tǒng)焦距、避免了焦面多片器件拼接，在減輕質(zhì)量、縮小體積的同時，由于空間頻率高(77線對/毫米)、譜段范圍寬(0.45～0.89 μm)、視場角大(32°)，對光學系統(tǒng)傳函、色畸變差要求苛刻[5]。相機主光學鏡頭采用像方遠心光路系統(tǒng)，相機光學系統(tǒng)的形式如圖3所示。

圖3 光學系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of optical system

分光棱鏡的任務是將一束全色光分為B1～B5這5個譜段的單色光。從偏振度與入射角的關系曲線看，偏振度在入射角14°左右明顯存在一個拐點，大于14°時，偏振度增加很快，反之小于14°時，偏振度增加則較緩慢，所以分光棱鏡的光線入射角應控制在14°以內(nèi)。分光示意如圖4所示。

圖4 分光示意Fig.4 Schematic diagram of beam split

1.2.2 多譜段焦面組件設計

16 m相機焦面組件包括：分光棱鏡框、分光棱鏡、CCD器件、導熱銅條、焦面電路板、焦面驅(qū)動電路板、隔熱墊以及加熱片等。焦面組件的安裝空間十分狹小，對電路進行了小型化設計布局。為了使光學鏡頭溫度穩(wěn)定，焦面組件與光學鏡頭之間進行了隔熱安裝。CCD器件粘接于CCD支架上，通過調(diào)整支架與分光棱鏡框之間的墊片，使CCD處于成像最佳物理焦面。通過配準，將5片CCD器件相同位置像元對準[6-7]。在CCD背面粘貼導熱銅條，對CCD器件進行散熱。5片CCD通過接插件與焦面電路對接，焦面電路與焦面驅(qū)動電路對接，焦面驅(qū)動電路通過撓性柔板與后端的視頻電路盒連接。焦面及視頻電路盒結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。

圖5 焦面與視頻電路盒結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of focal plane and circuit box

1.2.3 多探測器散熱設計

為了保證CCD器件工作溫度控制要求，采用導熱銅條、熱管聯(lián)合的導熱方法，將CCD器件產(chǎn)生的熱量傳導到其專用散熱面上，直接輻射到冷空間[8]。為了保證5片CCD的溫度一致性，每片CCD用導熱膠粘貼一根外形完全一樣的導熱銅條，5根導熱銅條共同連接到一根異形銅條上。異形導熱銅條與外貼熱管相連接，外貼熱管連接在衛(wèi)星專用的散熱面上。焦面具體熱控形式見圖6。

圖6 焦面熱控形式示意Fig.6 Thermal control diagram of focal plane

1.2.4 高性能低噪聲視頻信號處理電路設計

電路系統(tǒng)的硬件設計包括CCD模擬前端和圖像處理后端。模擬前端電路主要包括：CCD電壓偏置電路、CCD驅(qū)動電路以及模擬信號隔直放大電路等；圖像處理后端部分主要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA等。16 m相機電路系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 電路系統(tǒng)工作流程Fig.7 Circuit system block diagram

CCD的工作和驅(qū)動電路需要多種不同電源，這些電源對電路性能，特別是CCD器件輸出噪聲影響很大，因此必須對電源做特殊處理，以提高CCD器件的輸出性能和整個電路的信噪比。根據(jù)CCD的特性，有效輸出模擬信號疊加在大約10 V的直流電壓上，且輸出阻抗較高，不利于信號的長線傳輸。本文設計的模擬信號隔直放大電路采用交流耦合的方法來消除這個直流分量，進行了阻抗變換和模擬信號的放大，有效抑制傳輸過程中帶來的噪聲干擾。

FPGA芯片實現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(AD)的驅(qū)動，對AD量化輸出的讀取，對數(shù)據(jù)的存儲控制，以及數(shù)據(jù)的合成與發(fā)送。FPGA功能框圖如圖8所示。

圖8 FPGA 功能框圖Fig.8 FPGA flow diagram

在遙感圖像中，暗電流的存在限制了CCD器件的靈敏度和動態(tài)范圍[9]，CCD響應非均勻性(或稱固定圖像噪聲)[9-10]反映在圖像上為條紋或條帶。在16 m相機的信號處理FPGA中增加了星上暗電流校正、像元一致性校正功能，解決了CCD器件暗電流變化對圖像品質(zhì)的影響，校正了像元響應不一致及光學系統(tǒng)的照度不均勻?qū)D像的影響，提高了圖像信噪比。

1.2.5 消雜光設計

16 m相機通過在鏡頭前加裝遮光罩、設置消雜光光闌、控制鏡筒內(nèi)壁的吸收率和粗糙度，將鏡頭的雜光系數(shù)控制在要求值以下。

在鏡頭組件前面放置整體遮光罩的方法進行消雜光。若鏡頭前面沒有任何光闌時，物空間內(nèi)約2π角度內(nèi)的光線均可以射入物鏡，則鏡筒內(nèi)壁等非工作表面將被照亮，形成雜散光。為此，加上遮光罩可以攔掉視場以外的光線射入物鏡的入射光瞳[11]。

分光棱鏡框的設計采用了整體結(jié)構(gòu)，只在入射光線和各譜段的出射光線位置留出合適的通光口徑，相當于在像面前加入了視場光闌，有效降低了像面附近雜散光的影響。

在過程控制方面采取的其它消雜光措施包括：光學零件折射表面鍍減反膜層、非工作面涂無光黑漆，工藝上控制光學零件表面光潔度；鏡筒的內(nèi)壁及光學零件的托框、壓圈表面等均作發(fā)黑處理[11-12]。

2 在軌性能測試

16 m相機搭載于環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星發(fā)射成功后，在軌工作正常，性能穩(wěn)定，下傳了大量遙感圖像數(shù)據(jù)。16 m相機在軌CCD器件工作溫度，非成像時間器件溫度波動小于1 ℃，成像過程中器件溫升小于2.5 ℃，器件工作溫度始終控制在理想范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 CCD在軌工作溫度Fig.9 CCD working temperature

16 m相機圖像飽和區(qū)域無溢出拖尾現(xiàn)象，驗證了GL2110-01型CCD器件抗彌散效應滿足使用要求。16 m相機在軌工作時間已接近2年，相機工作電流平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)因空間環(huán)境效應導致CCD器件性能退化的現(xiàn)象。該器件在空間光學遙感相機的成功應用，對提高中國航天設備核心器件自主可控具有重要的意義。建議應用于中分辨率、大幅寬、高信噪比需求的陸地和海洋觀測遙感相機。

衛(wèi)星在軌工程測試期間，地面處理系統(tǒng)完成了16 m相機的在軌分辨率與幅寬、輻射定標，以及譜段配準精度測試。測試結(jié)果見表1，各項指標均滿足技術要求。16 m相機圖像層次分明、文理清晰、色彩豐富，目視效果良好(部分數(shù)據(jù)成像效果如圖10所示)，受到用戶好評[13]。

表1 16 m相機技術指標在軌測試結(jié)果Table 1 Results of 16m camera on-orbit test

圖10 巴西利亞遙感圖像Fig.10 Remote sensing image of Brasilia

3 結(jié)束語

本文介紹了16 m相機的科學任務、設計難點以及在軌驗證情況。環(huán)境減災二號A/B衛(wèi)星搭載的16 m相機具有大視場、中等分辨率的觀測能力，可以很好地滿足我國陸地資源勘查、農(nóng)業(yè)與林業(yè)資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、災害預警與災后評估以及海事搜索和識別等業(yè)務領域遙感應用需求。16 m相機入軌后經(jīng)測試各項成像性能滿足使用要求，圖像清晰、層次分明、色彩豐富，得到用戶一致好評。目前已經(jīng)形成批量化生產(chǎn)的能力，可作為標準化產(chǎn)品配置。其具有體積小、質(zhì)量輕、研制成本低、衛(wèi)星平臺適應性強等諸多優(yōu)點，可廣泛應用于資源、環(huán)境、海洋等多個成熟衛(wèi)星平臺，為我國的資源普查、海洋監(jiān)測等業(yè)務應用提供高質(zhì)量多光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品。16 m相機的多光譜數(shù)據(jù)可以與國內(nèi)外的高分辨率全色圖像融合，在保留光譜特征的基礎上得到高分辨率圖像，應用于更多領域，具有較高的經(jīng)濟效益和社會效益。