結合面陣成像的擺鏡掃描系統設計研究

袁 野,裘 俊,王智磊,周世宏

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

結合面陣成像的擺鏡掃描系統設計研究

袁 野,裘 俊,王智磊,周世宏

(上海衛星工程研究所,上海 201109)

為實現低軌衛星對地面熱點區域快速、大范圍的成像偵查，對面陣成像擺鏡掃描系統的設計進行了研究。基于反射鏡擺動掃描展寬相機視場的原理，根據衛星軌道高度、地面分辨率，確定掃描系統采用階梯式的步進掃描，要求擺鏡快速擺動快速穩定。給出了擺鏡掃描系統的組成、技術指標和構型，采用TRUM-60旋轉行波超聲電機作為驅動電機。對設計的擺鏡系統建立虛擬樣機模型進行仿真，設計的擺鏡模態滿足系統使用要求。用ADAMS軟件對擺鏡系統進行動力學仿真分析，擺鏡單步運動滿足50 ms快速擺動、50 ms快速停止穩定成像的要求；1個運動周期內擺鏡的運動狀況與設計要求一致，前1 000 ms內完成10次快擺快穩的步進掃描，回程用時少于200 ms，完成1行掃描的時間充裕。設計的擺鏡掃描系統能完成面陣掃描，實現寬幅成像。

擺鏡； 面陣成像； 快擺； 快穩； 階梯式步進掃描； 超聲電機； 單步運動； 運動周期

0 引言

目前航天偵察主要通過低軌衛星實現。雖然衛星有廣闊的視野，但由于種種技術原因，對地較高分辨率偵察還是“煙囪”式的，衛星對全球態勢感知的效能未充分發揮。逐漸成熟的面陣成像技術可在一次曝光時間內對一片區域以較高分辨率成像，大幅提高對地遙感偵察效率。該技術與擺鏡掃描機構結合，將沿衛星軌跡垂直方向進行點掃描成像提升為面推掃成像，并與反射鏡橫向擺掃結合獲取二維較高分辨率的寬幅圖像。這種衛星載荷可較好地滿足在地面突發情況下的遙感需求，利用此遙感衛星可對熱點區域進行快速大面積的詳細偵察[1-4]。

目前國內外遙感成像偵察衛星發展已較成熟，從點陣到線陣再到面陣成像，都在嘗試通過多種方式實現高分辨率和寬視場，獲得更好的偵察性能。對光學掃描機構也進行了大量研究，但主要是結合線陣成像的探測器使用。現階段國內外掃描型相機的研制雖然在輕質量掃描鏡的設計與加工、掃描機構指向精度控制，以及運動速度控制技術等方面取得了很大進展，但相關報道較少。根據公開資料發現目前衛星面陣掃描展寬成像研究還處在起步階段，尚無成功案例[5]。面陣成像技術對掃描系統的要求不同，不再是連續的線性掃描，面陣照片的幅寬決定了階梯式的步進掃描，滿足兩次成像間光軸掃過單張照片幅寬，又提供了相機穩定成像的環境?；诿骊嚦上耠A梯式步進掃描，對擺鏡的擺動響應時間及擺動后穩定度的要求也較高。本文對軌道高度600 km的太陽同步軌道衛星的應用面陣掃描技術進行了研究，在不提高星載相機配置、不增加衛星敏捷機動能力的前提下，增加對地面偵查的范圍，提出用階梯式步進快擺快穩的掃描方式，在衛星飛行軌跡的垂直方向掃描，增加成像寬度從而擴大偵查范圍。針對快擺快穩的擺鏡掃描方式，采用超聲電機進行直接驅動，設計了一種新型擺鏡掃描系統。

1 面陣成像掃描方案

應用于低軌衛星的面陣掃描成像技術，利用衛星自身飛行的前向推掃，結合擺鏡對衛星軌跡垂直方向的掃描，獲取地面的二維圖像[6]。結合面陣成像的擺鏡掃描系統是在星載面陣相機前安裝一個可擺動的反射鏡，使相機的視場隨反射鏡擺動而擺動，完成多次成像，拼接后形成一張寬幅圖像，由此完成了對星下點區域的寬視場遙感偵查。反射鏡擺動掃描展寬相機視場的原理如圖1所示。

圖1 擺鏡掃描原理Fig.1 Principle of scanning mirror

針對軌道高度(H)600 km的太陽同步軌道，地面分辨率(p)要求2 m，光學系統口徑(D)250 mm，衛星在軌飛行速度7.546 km/s。相機傳感器類型初選為JAI公司的SP20000M(全色)COMS，有效像素5 120 pixel×3 840 pixel，像元尺寸(d)6.4 μm，感光面尺寸32.7 mm×24.5 mm，通過3塊傳感器的拼接可實現單景照片20 km×10 km，光學系統視場角±1.13°，最高幀頻30 f/s，光學系統焦距(f)1 920 mm。

根據以上參數可得衛星飛過單幅照片區域需用時1 325 ms，如圖2所示。擺鏡掃描系統需充分利用這段時間，通過擺鏡擺動，將相機光軸在飛行軌跡垂直方向擺過一定角度，在保證兩次成像有一定重疊的前提下，盡量擴大掃描成像的范圍。面陣成像的單幅照片有一定寬度，因此掃描系統的運動方式不是連續的線性掃描，而是階梯式的步進掃描；擺鏡的單步掃描時間可分為擺動、穩定和成像三部分，擺鏡50 ms擺動1°并停止，利用35 ms時間穩定，使相機有一個靜止穩定的成像環境，然后面陣相機成像用時15 ms，一次擺動成像總用時100 ms，在一幅照片的過頂時間內擺鏡系統在軌跡垂直方向擺動10次，完成11張照片，總用時1 015 ms，剩余時間用于擺鏡迅速回位，準備開始下一周期的掃描，通過掃描系統將成像幅寬增加至220 km。

圖2 掃描成像和擺鏡運動

2 擺鏡掃描系統設計

擺鏡掃描系統由平面反射鏡、擺鏡傳動軸、擺鏡支架、驅動電機、電機驅動控制器(含軟件)組成，擺鏡掃描系統技術指標要求如下：擺鏡布局方式，與光軸成45°角的平面鏡；擺鏡擺動范圍，一維擺動40°～50°，單向掃描；擺動速度，50 ms擺動1°，穩定50 ms。

掃描反射鏡是擺鏡掃描系統的關鍵部件。根據光學系統要求，本文的擺鏡鏡體為長半軸410 mm、短半軸270 mm、厚40 mm的橢圓形鏡體。設計掃描反射鏡時需考慮地面和空間環境中反射鏡的外形、鏡體厚度、鏡面厚度，以及材料本身密度、傳熱系數、彈性模量等屬性對反射鏡鏡面質量的影響[7]。針對文中的掃描系統，要求擺鏡快速擺動快速穩定。根據

Mq=Jx·α+Mf.

式中：Mq為驅動力矩；α為擺鏡角加速度；Mf為阻力矩；Jx為橢圓形鏡體的轉動慣量，且Jx=(m/4)·a2。此處：a為橢圓的長半軸，已由系統參數要求確定；m為質量。必須要求擺鏡的質量輕、轉動慣量小，驅動電機的輸出力矩大，才能獲得較大的角加速度，實現快速起動。因此，擺鏡采用背部開減輕孔設計，在鏡體兩端利用矩形孔減重，并對厚度進行削減，以減小轉動慣量；為實現快速響應，鏡體采用兩側支撐的方式，將傳動軸與鏡體固連，傳動軸與電機連接實現直接驅動。擺鏡在穩定位置處的振動方程為

式中：θ為角位移；c為阻尼；k為剛度。有阻尼自由振動的解為

擺鏡系統在穩定位置處的系統阻尼主要由鏡體材料決定。為使擺鏡能快速穩定，需擺鏡身有較大的剛度，在中心傳力部分采用三角形孔設計，增強局部的扭轉剛度[8]。為實現掃描系統的快擺快穩，需要驅動電機的起動、停止的響應時間短，額定輸出力矩大。傳統電磁式電機存在電磁滯后，響應時間長，且輸出力矩不足，無法滿足要求；超聲電機的運動部件慣量小，起動速度快，斷電響應時間短，位置和速度控制性好，轉矩密度大，可實現低速大轉矩的直接驅動，適于本文擺鏡掃描系統[9]。選取TRUM-60型旋轉行波超聲電機作為驅動電機，電機額定力矩0.6 N·m，自鎖力矩大于1 N·m，起動響應時間小于3 ms，停止響應時間小于1 ms，質量小于300 g。擺鏡掃描系統構型如圖3所示。

圖3 擺鏡掃描系統構型Fig.3 Structure of scanning mirror system

3 仿真分析

3.1 系統模態

在擺鏡掃描系統設計的基礎上，建立虛擬樣機模型，對擺鏡組件進行了仿真分析。先對鏡體和整個組件進行有限元分析。在PATRAN軟件中導入鏡體的PROE模型，進行網格劃分，通過模態分析計算鏡體各階固有頻率、振型，以及在兩端支撐和重力作用下的變形，擺鏡組件整體的固有頻率，結果如圖4～6所示。其中：擺鏡在重力作用下變形0.572 μm。由仿真結果可知：設計的擺鏡滿足系統使用要求。

3.2 擺鏡運動學

圖4 鏡體固有頻率和振型Fig.4 Nature modes of mirror

圖5 鏡體重力作用下變形Fig.5 Mirror deformation under gravity

ADAMS柔性模塊采用模態表示物體彈性，它是基于物體的彈性變形時相對連接物體坐標系的彈性小變形，同時物體坐標系又是經歷大的非線性整體移動和轉動假設建立的。其方法是賦予柔性體一個模態集，采用模態展開法，用模態向量和模態坐標的線性組合表示彈性位移，通過計算每一時刻物體的彈性位移描述其變形運動[10]。

ADAMS柔性模塊中的柔性體是用離散化的若

干個單元的有限個結點自由度表示物體的無限多個自由度。這些單元結點的彈性變形可近似地用少量模態的線性組合表示。若物體坐標系的位置用它在慣性坐標系中的笛卡爾坐標X=[xyz]和反映剛體方位的歐拉角Ψ=[φθφ]表示，模態坐標q=[q1q2…qM]T(此處M為模態坐標數)，則柔性體的廣義坐標可表示為

ξ=[XΨq]T=[xyzφθφqj]T，

則柔性體上任一結點位置向量為

ri=X+A(Si+Ψiq).

式中：A為物體坐標系至慣性坐標系的轉換陣；Si為結點i在物體坐標系中未變形時的位置。求導可得該結點的移動速度

為驗證在電機驅動下擺鏡能否達到設計要求的運動狀態，用ADAMS軟件對擺鏡機構進行動力學仿真分析。將掃描機構的PROE模型轉成X_T文件，導入ADAMS-View中，將系統的關鍵部件擺鏡鏡體通過有限元仿真軟件處理，生成MNF文件，在ADAMS中用柔性體替換擺鏡鏡體部分，形成擺鏡系統的剛柔耦合模型；建立各零件間約束和運動副，作為動力學仿真的計算模型，如圖7所示。

圖6 擺鏡組件固有頻率和振型Fig.6 Nature modes of assembly

圖7 ADAMS中剛體與剛柔耦合模型Fig.7 Calculation models in ADAMS

先仿真擺鏡100 ms的單步運動過程。施加扭矩模擬超聲電機提供的轉矩，驅動擺鏡實現運動；對超聲電機的斷電自鎖，在轉軸間施加一徑向力模擬斷電后自鎖的大摩擦力矩，實現擺鏡的快速停止并穩定。仿真所得擺鏡的擺動角度、速度和加速度分別如圖8～10所示。由圖可知：擺鏡在50 ms時達到了設計要求的擺動角度，并停止運動，開始衰減穩定，角度穩定于0.984°；擺鏡的角加速度在80 ms后衰減到0.01 (°)/s2量級以下，滿足50 ms快速擺動、50 ms內快速停止穩定成像的設計要求。

圖8 擺鏡單步運動角度Fig.8 Scanning angle of mirror with one step

圖9 擺鏡單步運動角速度Fig.9 Scanning angular velocity of mirror with one step

圖10 擺鏡單步運動角加速度Fig.10 Scanning angular acceleration of mirror with one step

在此基礎上，根據掃描方案設計的擺動時序，對1個周期內的運動進行仿真。電機采用開環控制策略，通過控制電機加、斷電時間，實現擺鏡在要求的時間內快速擺動、快速停止穩定。仿真所得擺鏡的擺動角、角速度和角加速度分別如圖11～13所示。由圖11～13可知：擺鏡的運動狀況與設計要求的一致，在前1 000 ms內完成10次快擺快穩的步進掃描，然后迅速回到初始位置，回程用時小于200 ms，完成1行掃描的時間充裕，能完成面陣成像掃描的功能，實現寬幅成像。

圖11 1個運動周期內擺鏡角度Fig.11 Scanning angle of mirror in one cycle

圖12 1個運動周期內擺鏡角速度Fig.12 Scanning angular velocity of mirror in one cycle

圖13 1個運動周期內擺鏡角加速度Fig.13 Scanning angular acceleration of mirror in one cycle

4 結束語

本文對高度600 km的太陽同步軌道衛星應用面陣掃描成像技術進行了研究。根據低軌衛星特點設計了一種快擺快穩的擺鏡掃描系統，給出了總體方案、擺鏡掃描系統設計并進行了仿真。仿真驗證在超聲電機的驅動作用下，設計的擺鏡能實現50 ms快擺，50 ms快穩成像的運動。設計的擺鏡掃描系統對空間面陣成像技術的應用有一定的參考意義。本文對低軌面陣掃描的應用進行了探索，通過研究分析發現，面陣掃描的成像體制能大幅提高掃描效率，提升遙感衛星偵查的能力，也可為未來衛星應用拓展提供技術儲備。后續將進行原理樣機加工，用實驗測試擺鏡掃描系統能否達到設計要求。

目前原理樣機已完成加工、裝配，進入掃描機構的調試階段，將用于驗證這種用于低軌面陣成像的擺鏡掃描系統的可行性。

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Study on Design of Scanning Mirror System for Area Array Imaging

YUAN Ye, QIU Jun, WANG Zhi-lei, ZHOU Shi-hong

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

To realize fast and wide range imaging detection of hot spots on the ground with low earth orbit (LEO) satellite, the design of scanning mirror system for area array imaging was studied. Based on the principle of scanning mirror for expanding the camera field, stepped scan was used in the scanning system according to the orbit altitude and ground resolution, in which the scanning mirror would be fast swinging and fast steady. The composition, specification and structure of the scanning mirror system designed were given. The TRUM-60 traveling wave-type rotary ultrasonic motor was used as driving motor. Virtual prototype of the designed mirror system was modeled and simulation was carried. The modal of the designed mirror meets the system requirement. The dynamics of the scanning mirror system was analyzed by simulation with ADAMS software. The one step motion of the mirror meets the requirements which are fast swinging in 50 ms and fast steady and imaging in 50 ms. The mirror motion in one cycle is consistent with the design requirement. It can implement 10 times step scanning with fast swinging and fast steady in the first 1 000 ms and return time was less than 200 ms. There is plenty time to finish one line scanning. The scanning mirror system designed can realize area array imaging and wide swath imaging.

Swinging mirror; Area array imaging; Fast swinging; Fast steady; Stepped scanning; Ultrasonic motor; Step motion; Motion cycle

1006-1630(2016)06-0072-06

2016-03-08；

2016-05-13

袁 野(1990—)，男，碩士，主要從事衛星總體設計與仿真技術研究。

V447.1

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.010