高光譜遙感高速成像電路電磁兼容設(shè)計

劉永征, 劉學(xué)斌, 劉文龍, 張 昕, 陳小來

(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著高光譜成像遙感不斷發(fā)展進(jìn)步,所需空間分辨率越來越高,這就要求圖像幅面足夠?qū)?而光譜分析要求的譜段數(shù)不斷增加及光譜分辨率的進(jìn)一步提高,同時要求干涉成像電路干涉圖方向采樣點數(shù)足夠多,即推掃方向上圖像足夠?qū)挕l足夠高。由此帶來電路功耗、時鐘頻率不斷提高,電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)的問題越來越明顯。

衛(wèi)星平臺發(fā)展到今天,載荷種類不斷增加,平臺的電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)環(huán)境越來越復(fù)雜。這就要求整星不斷加強(qiáng)EMC的管控。近年來,隨著整星EMI性能測試條件的逐漸明確,越來越多的遙感載荷暴露出EMC測試超標(biāo)的問題[1-2]。而在眾多的星載遙感成像設(shè)備中,高光譜成像儀CE102和RE102超標(biāo)現(xiàn)象比較常見。但國內(nèi)外關(guān)于大面陣、高幀頻的高光譜成像儀高速電路EMC設(shè)計的研究較少,且往往僅限于某個局部問題的解決,未能從成像光譜儀的整體考慮進(jìn)行研究[3-4]。本文結(jié)合高光譜遙感星載大孔徑干涉成像光譜(large aperture static imaging spectrometry,LASIS)技術(shù)成像儀電路的設(shè)計經(jīng)驗,探索星載高光譜成像儀電路EMC設(shè)計的理論方法和技術(shù)手段,從而為更多的星載高速成像設(shè)備滿足航天可靠性提供技術(shù)支持和經(jīng)驗支撐。

作者最近設(shè)計的在軌運行星載高光譜成像儀最高圖像吞吐率達(dá)到9.6 Gbps,在軌運行多年,工作狀態(tài)良好。表明作者設(shè)計的高分辨率高光譜遙感高速成像儀,實現(xiàn)了較為良好的EMC設(shè)計效果。

1 高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)及電路組成

高光譜成像儀系統(tǒng)電子學(xué)部分主要由焦面組件(含可見光焦面組件和紅外焦面組件)、信號處理器和光譜成像儀控制器3部分組成，如圖1所示。焦面組件的主要功能是將遙感成像儀光學(xué)系統(tǒng)獲取的地物目標(biāo)反射太陽光信號轉(zhuǎn)換成與目標(biāo)相對應(yīng)的電信號;信號處理器的主要功能是將焦面電路的模擬視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后并將數(shù)字信號拼接成帶有時間和曝光信息的圖像數(shù)據(jù),最后將圖像數(shù)據(jù)壓縮后再分包整理成便于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù)包。光譜儀控制器的主要功能是接收整星數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的指令,按命令控制成像儀加斷電、分發(fā)遙控遙測指令和時間信號。

為使高光譜成像儀實現(xiàn)高的空間分辨率,采用定制的2 048×256背照式大面陣幀轉(zhuǎn)移高幀頻電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)作為電子學(xué)可見光焦面組件探測器,其并行輸出端口達(dá)到32個,每個端口模擬視頻像元速率高達(dá)35 MHz。

圖1 遙感星載高光譜成像儀的組成框圖

圖像處理單元采用高速并行處理現(xiàn)場可編程邏輯陣列(field programmable gate array, FPGA)對高速模擬視頻信號進(jìn)行采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像拼接后先進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮,最后再進(jìn)行多路串化高速輸出。

1.1 高速CCD驅(qū)動電路

航天遙感為獲取高的空間分辨率和寬的對地遙感幅面,選用大面陣高速CCD。CCD電荷讀出需要具有強(qiáng)驅(qū)動力的高速驅(qū)動器。驅(qū)動信號有6路垂直轉(zhuǎn)移、3路水平轉(zhuǎn)移、復(fù)位等,且最窄的高速驅(qū)動脈沖半高寬達(dá)到9 ns,驅(qū)動電壓擺幅高、電流大,極易產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI問題[5-6]。

1.2 高速多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

高速高光譜成像儀要實時處理32個通道的高速CCD模擬視頻信號,需選擇針對航天遙感模擬視頻的多通道高速模數(shù)專用處理芯片。

圖2 高速高光譜成像儀電路

在新研制的某民用星載遙感高速高光譜成像儀中,采用8片四通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADDI7004搭建的大面陣、高幀頻高速高光譜成像儀電子學(xué)系統(tǒng),實現(xiàn)了2 048×256圖像幅面、幀頻1 500 fps的指標(biāo)設(shè)計,電路設(shè)計如圖2所示。在此指標(biāo)下,可見光近紅外光譜通道圖像數(shù)據(jù)量在1 500 fps下達(dá)到9.6 Gbps。ADDI7004的每個通道并行輸入模擬視頻的像元頻率在35 MHz,采用12 bit量化,每片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量高達(dá)4×40 MHz×12 bit=1.92 Gb/s。此部分電路是復(fù)雜的高速模數(shù)混合電路,故對電路布局、布線和阻容參數(shù)控制以及數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)的要求較高[7]。

1.3 高速圖像數(shù)據(jù)傳輸電路

高光譜成像儀系統(tǒng)中,可見光近紅外譜段純圖像數(shù)據(jù)量為2 048×256×12 bit×1 500 fps=9.44 Gbps,加上幀頻、時間碼、曝光時間等輔助數(shù)據(jù),可見光近紅外光譜通道數(shù)據(jù)量最高達(dá)到9.6 Gbps;短波紅外譜段數(shù)據(jù)量最高達(dá)1.2 Gbps。

可見光近紅外圖像數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)壓縮電路主備份各采用8片高速串行SerDes傳輸芯片TLK2711;短波紅外主備各采用4片TLK2711將圖像數(shù)據(jù)送給壓縮編碼電路。壓縮后的圖像數(shù)據(jù)輸出電路主備各采用4片TLK2711實現(xiàn)了衛(wèi)星遙感圖像的高速輸出。

TLK2711是千兆高速串行收發(fā)器芯片,其內(nèi)部將并行數(shù)據(jù)分為高8位和低8位,將16位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行8 bit/10 bit編碼后,用10倍頻時鐘提升為高速串行數(shù)據(jù)輸出。宇航級產(chǎn)品在超高速、點對點的雙向傳輸系統(tǒng)中可達(dá)到1.6～2.5 Gbps的串行數(shù)據(jù)率,信號帶寬超過2.16 GHz。該芯片使用中對印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局、布線、走線阻抗參數(shù)和發(fā)送時鐘品質(zhì)的要求較高[8-9]。

2 高光譜成像儀EMC設(shè)計

高光譜成像儀EMC設(shè)計的基本原則是接地、濾波和屏蔽。針對性EMC設(shè)計主要從兩個大的方面進(jìn)行了設(shè)計規(guī)劃:一是電路設(shè)計方面,盡可能地降低電路對其他載荷的干擾,即對外輻射水平;二是高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)殼體設(shè)計方面,確保金屬殼體的搭接及良好的屏蔽性能[10-12]。

2.1 電路的EMC設(shè)計

驅(qū)動電路EMC設(shè)計部分,針對CCD驅(qū)動電壓種類多、速度高、擺幅寬的特點,特意設(shè)計了模擬地、數(shù)字地層,并且將模擬地進(jìn)行了精細(xì)的接地層分割,充分考慮了11路CCD垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動和水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號的工作頻率及電壓擺幅,確保大擺幅、短升降時間的CCD驅(qū)動信號不會影響敏感的32路高速CCD模擬視頻信號。為降低EMI,在驅(qū)動脈沖頻率能滿足CCD需求的前提下,盡量降低驅(qū)動脈沖上升沿斜率[13],最大可能地降低了EMI發(fā)射,驅(qū)動電路設(shè)計如圖3所示。高光譜成像儀分系統(tǒng)二次電源電路的作用,是將衛(wèi)星平臺提供的+28 V電源轉(zhuǎn)換為分系統(tǒng)成像電路和控制電路工作所需的+24 V、+16 V、+10 V、+5 V等多軌低壓電源,是以功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為主的多頻率成份功率電路。這樣就使得半導(dǎo)體開關(guān)器件周期性地工作在通斷狀態(tài),并通過控制開關(guān)元件的時間占空比來調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。脈寬調(diào)制(pluse width modulation, PWM)的工作方式使得電源電路難以避免地產(chǎn)生周期性雜波,雜波的頻譜分布在開關(guān)頻率點和其二階諧波頻率點附近。針對開關(guān)頻點設(shè)計濾波電路,濾除大電流開關(guān)產(chǎn)生的電源線傳導(dǎo)輻射[14]。

圖3 CCD驅(qū)動電路

制冷機(jī)驅(qū)動電路部分使用反熔絲工藝可編程器件A54SX72A產(chǎn)生脈寬調(diào)制驅(qū)動信號來驅(qū)動H橋驅(qū)動器IR2110(突變電壓≥50 V/ns),兩片IR2110控制H橋的4個橋臂的場效應(yīng)管IRFN150開通和關(guān)斷,場效應(yīng)管IRFN150在開關(guān)時產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt信號[15]。電場的變化產(chǎn)生變化的磁場,這些瞬變信號共同作用產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射干擾。制冷機(jī)PWM調(diào)制電路的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)開關(guān)頻率12.8 kHz和25.6 kHz頻點輻射干擾較強(qiáng)。在濾波和退耦電路的設(shè)計方面,專門針對制冷機(jī)電路的工作頻率和電壓幅度,設(shè)計針對性的RC濾波、π型濾波電路[16]，濾波電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 帶有瞬態(tài)抑制功能的EMI濾波電路

為最大程度降低大面陣、高幀頻高光譜成像儀32個通道之間的傳輸干擾,高速模擬視頻傳輸采用差分傳輸方式,使32路CCD模擬視頻都經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分電路轉(zhuǎn)換成差分模擬信號，如圖5所示,視頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADDI7004支持差分輸入。為了加強(qiáng)ADDI7004應(yīng)用于航天遙感的航天適應(yīng)性,物理實現(xiàn)上,電路的差分傳輸線終端用100 Ω電阻端接以匹配阻抗。此部分電路布線和參數(shù)設(shè)置,充分兼顧了信號完整性要求和EMC的匹配[17]。根據(jù)高光譜成像儀載荷系統(tǒng)單機(jī)劃分的特點,進(jìn)行了系統(tǒng)的接地設(shè)計:成像電路部分電源地和信號地在驅(qū)動電路設(shè)計部分經(jīng)鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離劃分;信號處理器中信號地和電源地經(jīng)過磁珠隔離,最終各個單機(jī)信號地和電源地在高光譜成像儀控制器中匯集到一點[18],具體如圖6所示。

圖5 CCD模擬視頻單端轉(zhuǎn)差分電路

CB板上高速SerDes信號走線嚴(yán)格控制信號完整性,定義疊層結(jié)構(gòu)時,讓差分線走線層處于上下地層之間,形成帶狀線;控制差分對正負(fù)線的長度適配和嚴(yán)格耦合[19];走線轉(zhuǎn)彎角度大于90°,阻抗控制在(100±1) Ω。

2.2 成像儀結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計

電磁屏蔽是利用低電阻率的金屬導(dǎo)體材料對電磁輻射能的反射和引導(dǎo)作用,在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與源電磁場相反的電場和磁場極化,從而減弱源電磁場的輻射效果[20]。由于高光譜成像儀電控箱上孔洞、面板連接器縫隙會引起結(jié)構(gòu)箱屏蔽金屬材料導(dǎo)電不連續(xù),并產(chǎn)生電磁泄露,故屏蔽設(shè)計的關(guān)鍵是保證屏蔽的完整性。箱體搭接處縫隙深而窄,泄露就小,故需盡可能減小結(jié)合縫隙的寬度;同時盡可能增大結(jié)合面的深度以提高電磁屏蔽效果[21]。設(shè)計采取的具體措施如下。

圖6 高光譜成像儀電路接地設(shè)計

高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)件均采用金屬外殼,除了安裝光學(xué)組件玻璃的成像儀主體采用鈦合金外,焦面組件、信號處理器和控制器等電控箱的金屬殼均采用鋁材。

為保證可靠接地,分系統(tǒng)所有電控箱上連接器及有搭接縫的金屬板與接地樁之間的搭接電阻都控制在小于等于5 mΩ[22]。所有接插件、安裝螺釘與外殼間涂抹導(dǎo)電膠保持良好的導(dǎo)通性,并且磁密封良好,最終確保整體外殼具有良好的電磁屏蔽性能。

機(jī)箱的上下蓋板結(jié)合處采用凹凸對接加螺釘緊固的設(shè)計,凹槽深度較深且窄,以減少接縫泄露。

蓋板之間的緊固螺釘要同時滿足強(qiáng)度足夠,屏蔽嚴(yán)密。螺釘布設(shè)越密屏蔽效果越好,但過密也會降低裝配效率。從電磁屏蔽設(shè)計考慮,縫隙的最大尺寸范圍為λ/10～λ/100,高光譜成像儀結(jié)構(gòu)箱體根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗并考慮裕量取螺釘間距為λ/200。

箱體安裝連接器時,預(yù)鎖緊完成后,先將PCB板與機(jī)箱結(jié)構(gòu)件松開后鎖緊,再將連接器和PCB板松開后鎖緊(鎖緊力矩按0.5～0.6 N·m進(jìn)行控制),最后將連接器和面板松開后鎖緊(鎖緊力矩按0.7～0.8 N·m進(jìn)行控制)。為了確保緊固性和導(dǎo)電性,在安裝螺釘與螺母的配合位置涂抹導(dǎo)電螺紋膠進(jìn)行加固。

要求電控箱所有對外連接電纜采用屏蔽電纜,屏蔽層應(yīng)無截斷且屏蔽材料排布均勻緊密;屏蔽層與插頭連接器360°環(huán)形包接;連接器對接后用螺釘加固擰緊,保證插頭外殼、插座外殼、電控箱內(nèi)部電路得到完整連續(xù)的屏蔽。

電纜設(shè)計時先對高速電纜線進(jìn)行了對比選型,通過比對進(jìn)口電纜線RCN8687和國產(chǎn)高速電纜線FFCH10-100 2×24的屏蔽效能,發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)線屏蔽效率高于進(jìn)口線2 dB/m。傳輸鏈路中連接器和線纜均采取屏蔽措施,連接器縫隙,涂抹導(dǎo)電屏蔽膠。此外,在外層增加用雙面鍍鋁聚酯薄膜對電纜及電纜連接器整體包裹來進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽作用[23]。

作為高精度遙感成像設(shè)備,高光譜成像儀在進(jìn)行EMC設(shè)計時不像普通光電成像設(shè)備可以在光學(xué)玻璃上加金屬絲夾層[24],但可通過從結(jié)構(gòu)上特別加長遮光罩來增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的光線入瞳處開放空間的電磁屏蔽設(shè)計效果。

3 星載高光譜成像儀EMC測試

先對系統(tǒng)進(jìn)行了EMC試驗前成像檢查測試,在實驗室太陽模擬器光照下獲取的均勻光干涉圖像及室外自然光下推掃的LASIS高光譜成像儀圖像如圖7所示。

圖7 LASIS高光譜成像儀獲取高分辨圖像

為考核電子學(xué)系統(tǒng)的安全性,對系統(tǒng)進(jìn)行了10%電壓拉偏測試,如圖8所示，系統(tǒng)在電壓拉偏及高低溫條件下的功能及圖像數(shù)據(jù)均正常。設(shè)計的電子學(xué)系統(tǒng)還隨同高光譜成像儀光機(jī)系統(tǒng)通過了熱應(yīng)力篩選及力學(xué)環(huán)境考核,測試結(jié)果均表明:星載高速高光譜成像儀功能可靠,性能指標(biāo)良好。

圖8 高速高光譜成像儀EMI測試

為測試高光譜成像分系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計有效性,按照GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)對分系統(tǒng)初樣產(chǎn)品進(jìn)行了電磁兼容試驗[25-26],試驗項目及結(jié)果如表1所示。針對初樣基線產(chǎn)品出現(xiàn)的超標(biāo),CE102的超標(biāo)頻點包括166.8 kHz、1.222 MHz和3.394 MHz,166.8 kHz均為紅外探測器制冷機(jī)驅(qū)動電路中H橋中MOSFET器件IRFN150開關(guān)的工作頻率,1.222 MHz和3.394 MHz頻點為制冷機(jī)開關(guān)電源模塊工作的倍頻點。優(yōu)化該器件供電軌上π型濾波電路參數(shù)后,超標(biāo)頻段被壓制,復(fù)測測試效果如圖9(b)所示。RE102的超標(biāo)頻段,1.25 GHz高速SerDes傳輸發(fā)射頻率超標(biāo)進(jìn)行針對性設(shè)計后,改善情況如圖9(d)所示。

表1 高光譜成像儀測試EMC項目

圖9 高光譜成像儀基線產(chǎn)品電磁兼容超標(biāo)與針對性設(shè)計后效果比對

4 結(jié) 論

高光譜遙感成像分辨率和幅寬指標(biāo)不斷攀升,要求大面陣、高速CCD成像電路采用大擺幅、高速驅(qū)動,多通道并行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換及多通道高速串行數(shù)據(jù)傳輸,由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的EMI問題。本研究為改善EMI進(jìn)行了有益的針對性設(shè)計,測試驗證證明了EMC設(shè)計的有效性,且EMI設(shè)計對高光譜成像功能及性質(zhì)指標(biāo)提升沒有制約。EMC設(shè)計方法及實施措施提升了高速高光譜成像儀的可靠性,為遙感高光譜成像電子學(xué)設(shè)計的規(guī)范化提供了幫助。