對地觀測高分辨率TDICCD相機調焦控制系統設計

呂世良 ，劉金國，王曉茜

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西西安710054;3.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春130102;4.中國科學院大學，北京100049)

1 引言

隨著航天遙感技術應用的發展，基于衛星平臺的對地觀測相機成像已經達到實時高效的能力，而且觀測范圍廣，空間上能實現對全球覆蓋的能力，而且傳輸速率高［1-4］。因此基于衛星平臺的航天相機得到越來越多的重視和利用。對地觀測高分專項衛星有效載荷之高分辨率相機具有分辨率高、覆蓋范圍寬、時效性好、壽命長等特點，在644.6 km軌道高度可實現地面全色像元分辨率2 m，多光譜分辨率8 m，覆蓋寬度100 km的對地觀測性能要求。

具有高分辨率和寬視場性能的航天相機，一般需要具有長焦距、反射式光學系統，與傳統的透射式相機系統相比，反射式相機具有譜段寬、質量輕、反射系統不產生色差等優點［5-7］。隨著半導體工藝的改進和半導體生產技術的進步，TDICCD像元尺寸可以越來越小，并且TDICCD技術具有在不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下能獲得高質量的圖像，其探測靈敏度和響應均勻性也逐步提高。因此，在航天遙感相機領域，TDICCD探測器成為解決航天相機寬覆蓋、寬視場、高分辨率的主要技術途徑和關鍵技術。采用TDICCD作為成像探測器的傳輸型相機是航天相機研制的發展趨勢［8-12］，具有廣泛的應用前景。

航天相機由于其工作環境的特殊性，所處運載和運行環境因素經常變化，特別是受沖擊、振動、壓力、溫度、軌道高度等因素變化。相機軌道環境真空度約為10-5～10-6Pa量級，背景溫度約為3K，影響相機溫度的軌道環境空間外熱流受太陽輻射、地球紅外輻射、地球太陽反照等影響，因此相機溫度變化劇烈。而相機的光機材料都會因這些因素變化而變形，特別是相機光學鏡頭材料變形對相機的焦平面影響可能導致相機離焦［13-16］。為保證相機在上述環境條件下的成像質量，需要對相機焦平面進行控制調節，以達到對焦平面的離焦量進行精確補償。

本文針對課題組在研的基于衛星平臺對地觀測高分辨率TDICCD相機，對研制要求和對地觀測技術指標要求進行了分析;介紹了高分辨率TDICCD相機的總體調焦控制系統技術指標和調焦控制系統方案;重點闡述了高分辨TDICCD相機調焦控制的設計與實現，并對調焦控制系統和調焦機構進行試調焦精度測試。

2 離軸反射式光學系統設計

2.1 離軸四反光學系統組成

對地觀測高分辨率TDICCD相機的光學系統設計如圖1所示。光學系統設計為像方準遠心光路，這種光學系統的設計優點使得像面離焦時，在正負焦深范圍內產生的投影畸變可以忽略不計。

圖1 高分辨率TDICCD相機光學系統設計原理圖Fig.1 Priciple diagram of optical system of high resolution TDICCD camera

根據成像視場和成像覆蓋寬度，采用離軸四反、無中心遮攔、無中間像的光學系統，將次鏡確定為光闌位置，主鏡和次鏡的間隔與次鏡和三鏡的間隔相同，可以避免主鏡和像面之間有直接入射的雜光干擾。光學系統包括主鏡、次鏡和三鏡三塊非球面鏡以及一塊折返光路的平面反射鏡，這樣可以使相機光學系統的結構設計得更為緊湊合理，光學和機械裝配結構穩定。

2.2 長焦平面拼接設計

對于需要寬成像視場和寬地面覆蓋推掃成像的航天相機，單片TDICCD探測器的像元數不能滿足寬視場和地面寬覆蓋的要求。為解決這一矛盾，采用多片TDICCD交錯拼接的方案，等效為一個長TDICCD焦平面。但是每兩片TDICCD探測器的邊緣不能完全重合，因此，拼接時采用上下兩行交錯拼接。計算出多片TDICCD重合像元素，使之在推掃成像時成像效果等效為一行長TDICCD的推掃成像效果。這樣就將多片TDICCD拼接成一個大視場探測器陣列。

為使地面覆蓋寬帶達到100 km的技術要求，像面組件采用視場拼接方案，8片TDICCD拼接成長線陣，每片TDICCD像元數為6 144，拼接后像元總數為49 152。

圖2是高分辨TDICCD相機焦平面機械式交錯拼接原理圖。在相機焦平面像面的視場中心線兩側分兩行上下交錯排列相鄰的TDICCD器件，此種拼接方法光能利用率高。拼接的長TDICCD焦平面通過剛性連接固定在相機調焦動機構上。

圖2 TDICCD焦面組件機械交錯平面拼接原理圖Fig.2 Principle diagram of mechanical interleaving assembly TDICCD focus plane

3 調焦控制系統組成

3.1 高精度調焦機構設計

根據用戶提出的調焦控制系統的調焦精度，需要計算出分配給調焦機構的調焦精度。根據計算公式2Fλ2，求得焦深為 ±80 μm，采用移動焦平面方式調焦，調焦精度優于±20 μm時能夠滿足調焦控制系統的調焦精度要求。工程設計誤差、機械加工誤差和裝配裝調誤差、溫度等環境因素引起的相機光學系統各個反射鏡曲率變化，以及光學零件軸向間隔改變引起的焦距變化量，相機焦平面在光軸方向的調焦行程為±2 mm可滿足調焦范圍要求。經計算得到，調焦鏡組件重20 kg，驅動的滑動件重2.2 kg，驅動載荷按照30 kg計算。

綜合以上分析，設計的高精度調焦機構如圖3所示，利用執行動力元件步進電機驅動調焦機構運動。調焦機構內部機械運動組成:一級傳動齒輪副和一級蝸輪蝸桿傳動副，從而帶動端部裝有絕對式光電軸角編碼器的滾珠絲杠副，推動導軌上的滑動部件帶動焦面組件沿其光軸方向前后運動。滾珠絲杠副的螺母與絲杠之間為無間隙配合，通過測量絕對式光電軸角編碼器的旋轉角度，即可計算出焦面運動的實際位移，即調焦量。調焦機構設計參數如下:

(1)調焦范圍:0～4 mm;

(2)調焦減速器速比:40∶1;

(3)絲杠導程:4 mm;

(4)編碼器144°對應調焦行程0～4 mm;

(5)步進電機步距角為0.9°;

(6)步進電機一步對應調焦量為0.053 μm;

(7)焦平面位移1 μm對應編碼器一碼1.64個碼值。

圖3 調焦機構結構圖Fig.3 Schematic diagram of focusing mechanic

3.2 調焦控制系統組成及工作過程

圖4 調焦控制系統結構圖Fig.4 Schematic diagram of refocusing control system

調焦控制系統是根據相機在軌成像對調焦性能和功能的需求設計的多功能控制系統。根據性能和功能需求調焦控制系統組成如圖4所示。相機的調焦控制系統電氣部分主要采用Silicon Labs公司的C8051F020芯片為主控芯片，設計了調焦編碼器數據采集與處理電路、調焦步進電機驅動控制電路、通訊接口電路、供電系統電源電路、單片機外圍電路、電源變換DC/DC模塊;光機結構部分包括把旋轉運動轉換為線運動的調焦機構、TDICCD焦平面、位置檢測光電編碼器等模塊。

3.3 調焦控制系統工作過程

調焦控制系統工作過程如下:通過RS485總線接收來自位機的調焦控制指令，總線發送調焦命令和調焦參數給調焦控制系統控制器C8051F020，并根據接收的指令對光電編碼器位置信息進行采集、對調焦步進電機進行開環、閉環調焦控制，并對輪詢調焦狀態和停止調焦指令進行應答，該模式下通訊能夠發送和接收數據。當輪詢編碼器位置信息時，編碼器位置信息通過RS485總線發送給上位機，上位機再把位置信息通過CAN總線送給星務計算機，然后通過無線傳輸形式發送到地面接收站。

這種調焦控制系統方案可以實現以編碼器位置量為輸入的閉環控制，也可以實現以步進電機步數為輸入量的開環控制。

4 調焦控制系統測量與結果分析

4.1 調焦控制系統測量設備組成

在實驗室內通過設計的調焦控制系統對焦平面機構全系統進行了測試，現場測試如圖5所示。由于TDICCD焦平面為8片TDICCD拼接的長焦平面，因此用兩個千分尺分別固定在焦平面的兩端不動機構件上，表的指針對準TDICCD焦平面并把數顯千分尺清零，即數顯千分尺的0 μm對應調焦行程的一個端點。由于調焦機構沒有機械限位保護，如果調焦機構運動范圍超過行程的兩個極限點，會損壞調焦機構，因此本次調焦機構運動范圍限制在0～4 mm。

圖5 調焦控制系統測試圖Fig.5 Test schematic of refocusing system

測試設備中包括相機下位機、調焦控制系統電子學部分、調焦電機和調焦機構及TDICCD焦平面組件。

4.2 開環調焦控制精度測試結果

開環控制是以調焦步進電機走的步數為輸入量來控制焦平面運動，本試驗中調焦電機以376步/次帶動焦平面組件運動，每次運動后記錄TDICCD焦平面直線位置值，根據測試記錄數據繪制其調焦行程測試范圍內TDICCD焦平面位置與主份編碼器的碼值對應關系曲線，如圖6所示。

圖6 調焦行程內CCD焦平面位置與碼值對應曲線Fig.6 Position curve of CCD focus plane vs.encoder value

調焦電機以376步/次帶動調焦組件運動，記錄每次運動后CCD焦平面的位置值，并計算出CCD焦平面每次運動位置值與上一次的位置值的差值xi，求出所有差值的平均值

計算出每次調焦運動量與差值平均值的殘差Δxi:

在調焦測試行程內繪制每次CCD焦平面運動量殘差Δxi大小。對調焦行程內38次測量記錄數據，剔除初始點和較大誤差測試數據，對其中35次測量記錄數據根據式(2)分別計算各自殘差大小，計算結果如圖7所示。

圖7 開環調焦測試數據的殘差曲線Fig.7 Error curve of CCD focus plane test by open loop

從殘差計算結果看出，殘差都小于2.2 μm，即，

從記錄的測試數據計算出平均值為:

根據貝塞爾公式計算其標準偏差的估計量為:

其標準差為:

取置信度為99.7%，置信系數為3時，從測量數據中可以得出此時測量準確位置為:

因此調焦系統的調焦精度為±7.2 μm(不考慮系統誤差情況)。

4.3 調焦精度測試與理論設計對比

根據對調焦機構主份測試數據:當電機走376步對應 TDICCDCCD 焦平面20.3 μm，對應編碼器變化30.3個碼值。即調焦步進電機每走一步相當于焦平面運動的距離為:

調焦機構設計參數換算關系為:

電機運動16.936°對應TDICCD焦平面位移1 μm，同時對應編碼器軸角度 0.036°，則 0.036°對應的碼值為:0.036°/(360/16384)=1.6384 個碼。

電機每步焦面移動距離:

以上測試分析與3.1節的理論設計值一致，由此得出調焦系統實際調焦控制精度測試結果符合理論設計值。

5 結論

針對基于衛星平臺的對地觀測高分辨率TDICCD相機調焦功能和調焦精度的實際要求，本文結合相機離軸寬視場光學系統設計特點、交錯拼接TDICCD焦平面光機機結構設計特點，設計并實現高精度調焦控制系統，介紹了調焦系統的工作原理及系統組成，并詳細分析了調焦系統的參數設計，最后對調焦系統進行了實際測試，對測試數據進行分析。分析結果表明，開環調焦控制精度達到為±7.2 μm滿足相機在軌成像調焦精度需求。

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