嫦娥二號衛星CCD立體相機設計與驗證

趙葆常 楊建峰 汶德勝 高 偉 常凌穎,2 薛 彬

(1 中國科學院西安光學精密機械研究所,西安 710119)

(2 中國科學院研究生院,北京 100049)

1 引言

嫦娥一號衛星的CCD立體相機,采用了廣角、遠心、消畸變的光學系統,配以一塊1 024×1 024 元的面陣CCD 作為圖像遙感器,取其第1 行、第512行及1 024 行作為前視、正視與后視遙感器[1];該相機在軌無故障運行1年4個月,已獲取了目前國際上覆蓋最完整、質量最好的全月面立體影像圖[1-2]。但是它的地元分辨率在200km 圓軌道上僅為120m,所以只能發現較大尺寸的目標,若以月坑直徑為例,則它只能發現直徑大于360m 的月坑,為了向月球科學家提供更高分辨率的三維影像,并為嫦娥三號著陸器和月球車提供虹灣地區著陸點附近詳細的地形地貌數據,嫦娥二號衛星CCD立體相機大幅度提高了地元分辨率。

根據任務要求,嫦娥二號衛星CCD立體相機應滿足在兩種軌道上實現立體成像:一是具有在100km 的圓軌道上實現地元分辨率優于10m 的全月成像能力,二是具有在100km/15km 橢圓軌道近月弧段上獲取地元分辨率優于1.5m 的局域立體成像能力;前者將為月球科學家提供更為精細的全月三維地形地貌圖,以便對月球進行更詳細的地質學研究,后者主要為嫦娥三號月球探測任務服務。

2 總體方案及系統參數計算

衛星總體與中科院探月工程總體部下達的嫦娥二號衛星CCD立體相機的主要技術指標如表1所示。

表1 嫦娥2 號衛星CCD立體相機主要技術指標Table1 Main technical parameters of CCD stereo camera of Chang' e-2 lunar orbiter

無論是在100km 的圓軌道上實現地元分辨率優于10m 的全月成像時對極區低反射目標的立體成像,還是對100km/15km 橢圓軌道近月弧段上獲取地元分辨率優于1.5m 的虹灣地區立體成像(虹灣地區中心位于北緯44.1°,反射率在0.05～0.1 之間,是低反射區),由于地元分辨率高,允許的最長曝光時間短,所以CCD立體相機的探測靈敏度是首先必須解決的技術問題。參照嫦娥一號衛星CCD立體相機在軌獲取全月圖像時的各項參數及相應的實際圖像的灰度值[1-2],認為從保證CCD立體相機的探測靈敏度出發,擬采用高靈敏度的時間延遲積分CCD(稱為TDI-CCD)作為圖像遙感器是一種科學合理的選擇[3-5],采用TDI-CCD 還可以大大簡化光機系統,且研究所內已有符合要求的TDI-CCD 器件。

2.1 光學系統焦距計算

TDI-CCD 器件的像元數N為6 144,積分級數為16、32、48、64、96級共5 檔,它們的曝光時間之比為1 ∶2 ∶3 ∶4 ∶6。因為在100km 圓軌道時,在赤道上相鄰軌距約為32km,從軌道間拼接要求出發,要求100km 圓軌時月面刈幅寬度L 大于等于43km ,以43km 計,立刻可以計算出采用單片TDICCD(有效像元數為6 144 元)最高可能的地元分辨率

因為任務要求地元分辨率優于(小于)10m,所以用單片TDI-CCD 已能滿足要求。根據CCD 像元尺寸dx為10.1μm ×10.1μm ,在軌道高度為H =100km時,立刻可以求出光學系統的焦距f′為

式中,H為軌道高度、GSD為地元分辨率,dx為CCD 像元尺寸,f′為光學系統焦距,則

由于100km/15km 橢圓軌道近月弧段的攝影高度比100km 圓軌道降低了85km ,所以立刻可以估算出它的地元分辨率應為1.05m,同樣符合任務要求的優于1.5m 的指標。

2.2 焦平面配置與系統視場角

嫦娥一號衛星中的CCD,每個視角(每行)為500個像元,三行共1 500個像元,而且行頻僅為12行/s,數據率為0.144M bit/s,而嫦娥二號的CCD一個視角(一行)數據率就達10.91 M bit/s,如果采用與嫦娥一號相同的三線陣焦平面方案,則總數據率達32.73 Mbit/s,給數據下傳帶來巨大的壓力。為此采用了雙線陣CCD 相機的立體配置方案[6],在這種條件下數據量仍達21.82M bit/s,為嫦娥一號總數據率的151.3倍,因此必須采取數據壓縮技術才能滿足數傳的要求。

從獲取立體圖像來說,兩線陣就可滿足要求,它將從CCD 相機像方獲得4個已知量x前、y前及x后、y 后,用最小二乘法求解月面目標點的三個坐標值x、y、z[7]。但是因為通常光學系統視場中心部分的像質總會優于視場邊緣,所以從保證正射圖像(星下點)的質量出發,總希望在視場中心部分配置一條正視遙感器,但當方案被限制在只用兩個視角時,這種配置的基高比較小。經平衡折衷后,嫦娥二號中兩條線陣CCD 的配置為前視8°及后視-17.2°,前視8°照顧了正射圖像,這時的基高比值可達0.45。

對CCD立體相機,焦平面配置一旦確定,就可以立刻計算出系統的總視場角。圖1中,O 點為光軸中心點,后視17.2°的CCD 中心點B到O 點距離OB =f′·tan17.2°=44.67mm,而B A=(6 144 ×0.010 1)/2=31.027mm。立刻可以求出像方的最大線視場OA=54.4mm,在半徑方向再留約1mm的設計、加工與裝配余量,確定像方線視場為φ110.78mm,相對應的視場角(2ωUP)為42°。

圖1 焦平面配置圖(單位mm)Fig.1 Schematic diagram of focus plane(mm)

2.3 相對孔徑的考慮

通常相對孔徑的考慮基于如下兩個方面:系統能量與衍射極限。由于采用了TDI-CCD,系統能量是足夠的,因此在嫦娥二號衛星CCD立體相機相對孔徑的考慮中主要是衍射極限,同時對航天產品還應適當考慮相機的重量與尺寸。經初步預估對50 lp/mm 的奈奎斯特(Nyquist)空間頻率(它對應CCD 像元尺寸為10.1m ×10.1m),當相對孔徑取F/9時,衍射調制傳遞函數(MTF)約為0.7,按設計經驗評估,認為對這樣一個系統,在像差校正上可以做到接近衍射極限。

從上面計算,認為嫦娥二號衛星CCD立體相機的光學系統參數為:

1)焦距f′=144.3mm

2)相對孔徑F/數=F/9

3)視場角2ωUP=42°

4)基高比為0.45

5)成像模式為雙線陣CCD立體成像

上述光學系統在100km 圓軌道與100km/15km 橢圓軌道上可達到的技術指標如表2所示,它滿足了衛星總體下達的技術指標。圖2為該相機的推掃示意圖。

2.4 光譜范圍選擇

與嫦娥一號衛星CCD立體相機相比,嫦娥二號的立體相機焦距增大6.2倍,視場角從36°提高到42°,要求的奈奎斯特空間頻率從41 lp/mm 提高到50 lp/mm ,顯然設計難度大幅提高,從保證圖像質量的要求出發,我們的設計目標是整機全視場發射前的檢測MTF 仍大于0.4,但是在通常的情況下它是無法達到的。

圖2 嫦娥二號衛星有效載荷CCD立體相機推掃示意圖Fig.2 Schematic diagram of Chang＇e-2 lunar orbiter CCD stereo camera

表2 嫦娥二號衛星CCD立體相機技術參數設計值Table2 Design technical parameters of CCD stereo camera

為此,我們研究了TDI-CCD 器件的對比傳遞函數(CTF)特性。

廠家給出的CTF(λ)曲線,是以矩形鑒別率條紋的測試數據,它與MTF 間的關系為CTF。圖3 中縱坐標為CTF值(MTF),橫坐標為波長,從圖可以看出CTF 對波長有重大的依賴關系,在波長為450nm～520nm 間,器件的CTF 非常高,接近0.9,換算為MTF 后接近0.7,而隨著波長的增長,CTF 快速下降,在λ=1μm時,CTF 僅為0.3。因此我們選擇450nm～520nm 作為CCD立體相機的工作波段,從光學系統來考慮,也是波長越短,衍射MTF值越高。同時月表對太陽光在360nm～760nm 的可見光波段內并無波長選擇性特征,是一條隨波長增大而反射率略有增大的斜直線。因此對應用目標沒有影響。

從光學系統與CCD 探測器這兩個對MTF 影響最大的環節來評估,認為整機靜態MTF 大于0.4是可能的。

3 光學系統設計

3.1 設計參數

1)f′=144.3mm

2)F/數=F/9

3)2ωUP=42°

4)λ=450nm～520nm

5)MTF ＞0.6(50 lp/mm ,設計值)

6)畸變≤0.5%

3.2 光學系統結構形式的選擇

在結構形式的選擇上,重點考察了遠心與非遠心兩種情況。

若系統設計為遠心系統,這時對光學設計的要求除滿足3.1 的條件外,增加了一個像方遠心條件,這樣的系統從設計及研制上是可實現的,但從系統像方線視場為φ110.78mm 來判斷,這時在像面附近處的透鏡尺寸一定超過φ110.78mm,從而使系統的重量、體積大幅度增加,而且對航天環境適應性也不利,為此,放棄遠心的要求。利用6 144 元的CCD分為12個通道的特性,通過電子學手段調整各通道的增益從而改善電子圖像輸出的均勻性是一種合理的選擇。

圖3 TDI-CCD 的CTF 曲線Fig.3 CTF curve of TDI-CCD

圖4 嫦娥二號衛星CCD立體相機光學系統結構圖(單位mm)Fig.4 Structure diagram of Chang＇e-2 lunar orbiter CCD stereo camera optical system(mm)

圖5 調制傳遞函數MTF曲線(計算機仿真圖)Fig.5 MTF of optical system(by computer simulation)

3.3 光學系統設計結果

系統最前方為融石英窗口玻璃,對月面不鍍膜,后方為濾光片,濾光片后面的光學系統為6 組7 片型,系統總長202.97mm,光學筒長為161mm,最大直徑為最后一塊透鏡,尺寸為φ79mm(其中通光口徑為φ68.8mm),系統無漸暈。光學系統設計結構如圖4所示,白光的設計MTF 曲線如圖5所示。

如表3所示,軸上點MTF值達到衍射極限(0.71),對前視8°～14.4°MTF 均值為0.68,比衍射極限低0.03,后視17.2°～21°,MTF 均值為0.663,比衍射極限低0.047,說明全視場MTF 接近衍射極限,是一個理想的設計。

表3 前、后視的MTF值Table3 MTF of foresight and back sight

圖6所示是在像面上的彌散斑,全視場彌散斑直徑的均方值小于 7μm (一個像元尺寸為10.1μm),最大彌散除視場角21°外也均在一個像元尺寸之內,結果與MTF 相符,畸變為±0.1%。

對100km/15km 橢圓軌道近月弧段的成像,MTF 及彌散斑尺寸同100km 圓軌道的情況。

4 檢測與地面試驗

4.1 檢測

對初樣鑒定級產品與正樣產品進行了嚴格的檢測,兩者相差極小,都達到了研制任務書的各項技術指標,正樣產品的檢測結果如表4所示。

圖6 光學系統彌散斑及像散、畸變圖(計算機仿真圖)Fig.6 Spot astigmatic and distortion curve of optical system(by computer simulation)

4.2 速高比補償與地面推掃成像試驗

由于嫦娥二號衛星CCD立體相機采用了高探測靈敏度的時間延時積分TDI-CCD,但TDI-CCD要求進行速高比補償,否則它會降低沿飛行方向的MTF(子午方向)[8-9],對月球探測采用TDI-CCD 以及由此帶來的速高比補償在國內外均屬首次。

與地球衛星采用TDI-CCD,并進行速高比補償相比,在月球探測中進行速高比補償在技術上要困難得多,這是由于探月衛星軌道高度低,月球地形起伏大,無精確的月面高程數據,無GPS 定位系統支持等因素所致[10]。

對速高比補償的殘差連同衛星平臺的姿態穩定度因素,造成沿飛行方向上的MTF 最大下降以不超過50%為判據,這是基于相機實際達到的MTF在0.4 以上,即便由于速高比補償殘差與衛星平面姿態穩定度導致它下降一半,在軌沿飛行方向的MTF 仍大于要求的0.2。據此計算了不同TDICCD級數下允許的速高比失配允差,如表5所示,圖7所示是地面推掃成像試驗驗證,表明在上述條件下,圖像質量沒有明顯下降。此外還在實驗室內進行了定量檢測,結果與理論分析一致。

表4 主要性能指標檢測結果Table4 Test results of main performance parameters

圖7 速高比有殘差時的外景推掃圖像Fig.7 Exteriors push broom image with residual velocity-height ratio

5 結束語

由中國科學院西安光學精密機械研究所研制的嫦娥二號衛星CCD立體相機,能同時滿足如下兩種軌道的成像要求:在100km 極軌圓軌道上,具有實現地元分辨率為7m 的全月立體成像能力。在100km/15km 橢圓軌道近月弧段上具有實現在嫦娥三號預選著陸區虹灣地區的1m 地元分辨率的超高空間分辨率的局域立體成像能力。

表5 速高比補償殘差允限Table5 Allowable residual velocity-heigh ratio

對100km 軌道的成像,單條CCD 允許的最大曝光時間為4.5ms,對100km/15km 橢圓軌道單條CCD 允許的最大曝光時間為0.6ms,但由于衛星的高度較低(15km),所以軌道高度誤差對曝光時間與地元分辨率的影響較為顯著,按研制任務書規定,100km/15km 橢圓軌道允許軌道高度變化±5km,即15km ±5km ,所以其地元分辨率應在0.7m～1.4m 之間。相應的單條CCD 曝光時間為0.4～0.8ms。

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