衛星指向式雙通道遙感相機設計與驗證

褚備 李玲 范建凱 高揚 張孝弘

(北京空間機電研究所,北京 100094)

隨著對地觀測遙感需求的不斷增加,對衛星遙感相機的功能性能要求也隨之提高[1]。高分辨率對地成像、多譜段融合觀測、大可視范圍、高精度定向觀測等要素逐漸融合已成為一個明顯的發展趨勢,在大幅提升單臺遙感相機成像能力的同時,對光機系統的精度、穩定性和集成化也提出了更高的要求。

現有CCD成像器件由于受到加工工藝、原材料的限制,單片器件最多只有5個譜段,要實現更高的譜段數量,需要采用分通道成像的方式。例如:2019年發射的資源一號02D衛星搭載的可見近紅外相機,采用分視場的分光方式,將光學系統分為2個通道,實現了1個全色和8個多光譜譜段成像[2]。但是,多光譜相機在增加譜段的同時,系統的功耗和體積也隨之大幅度增大,因此在多光譜相機的設計中,分光方式和焦面結構的優化設計尤為重要。由于光學設計中高分辨率和大視場存在矛盾,大幅度增加視場會導致光學系統規模成倍增加,邊緣視場畸變增加,成像質量嚴重下降,因此對于高分辨率且具有大范圍區域定點成像需求的遙感相機,通常需要搭配指向單元,實現光學視場的轉向功能。例如:2015年發射的浦江一號輕小型相機,通過光學系統前端的擺鏡機構實現了可見光譜段在600km范圍內的定點成像[3]。但是,新增的指向單元會大大增加系統的復雜程度,指向鏡的面形穩定性和抗力學性能、驅動機構的指向及測量精度都會成為系統研制的重點和難點。

隨著資源普查、海洋觀測、災害預警等領域對遙感應用需求的不斷提升,對譜段數量、觀測精度和重訪周期等要求也在提高,傳統衛星遙感相機難以同時滿足上述需求。因此,迫切需要一款新型遙感相機,同時具備多譜段、高分辨率和大可視范圍的成像能力,以及滿足輕小型、高穩定性和高精度的要求。為此,本文提出了一種指向式雙通道遙感相機設計,從相機的功能及指標需求出發,采用多學科集成設計方法對光機主體進行方案設計和優化,并對大口徑輕型指向鏡、高精度指向機構、雙通道多光譜焦面組件和高穩定性光機結構設計等關鍵技術進行介紹,通過仿真分析、試驗及測試對設計情況進行了驗證。

1 相機設計及性能分析

1.1 相機總體方案設計

本文研究的遙感相機需要在大可視范圍內(不小于1000km)實現對地面任意指定目標進行全色及多光譜共9個譜段成像。為此,本文提出了一種新型的相機系統方案,如圖1所示。主光學系統為長焦距、大口徑且無遮擋的三反離軸式光學系統。采用成像鏡頭+高精度指向側擺的成像體制,指向鏡位于主光學系統的前端,地面景物發出的光線經過擺鏡的反射進入主光學系統,通過焦平面的時間延遲積分CCD(TDICCD)推掃成像。通過指向鏡沿穿軌方向轉動,實現大范圍定點成像。該相機具備在大可視范圍內對指定目標進行多譜段成像的能力。其主要特點是:在傳統離軸遙感相機的基礎上,通過新式分光方案實現雙通道多譜段成像功能,采用高精度輕型指向單元實現大范圍的定點成像功能。其優勢體現為:在兼具寬覆蓋和多光譜功能的基礎上,系統輕小,指向精度高,成像穩定性好。

圖1 系統方案示意

考慮到成像器件的限制,焦面部分采用雙通道分光成像的方案。包含地物信息的光信號通過遮光罩、指向鏡和主光學系統,在分光鏡處分為2個通道。2個通道的焦面組件分別使用5色TDICCD(1全色+4多光譜)和4色TDICCD(4多光譜),并通過指向機構驅動指向鏡轉動,使得遙感相機可以在覆蓋范圍內對任意目標進行9個譜段成像。相機主體的組成框圖如圖2所示。

圖2 相機主體組成

與其他遙感相機相比,本文設計方案的特點是:將大范圍定點成像和雙通道多譜段成像功能集成在1臺相機上,并通過系統布局優化及關鍵部組件的技術攻關,滿足系統的輕小型化、高精度和高穩定性要求。

1.2 大口徑輕型指向鏡

指向鏡在相機中位于光學系統前端,在指向機構的驅動下轉動,改變光軸指向,從而在整星不進行側擺的情況下實現側視成像,擴大相機可視范圍,是相機光學系統的關鍵組件之一。作為轉動部件,指向鏡組件需要軸系支撐,力、熱穩定性設計難度更大。要實現指向鏡的高度輕量化和高穩定性,支撐方式的優化是設計的關鍵。

指向鏡材料選擇了比剛度高、熱導率高、制造工藝技術路線成熟的SiC材料。指向鏡的支撐方式主要包括背部支撐和周邊支撐等[4]。其中,周邊支撐方式一般只適用于中小口徑反射鏡;對于本文中的大型反射鏡,采用背部支撐的主要問題是體積和質量較大,難以滿足系統輕量化和布局要求。因此,本文采用側邊支撐方式。該支撐方式的優點是輕量化程度高,力學性能好;缺點是熱穩定性差,需要通過優化設計減小熱變形對面形的影響。對2種方式分別進行詳細的設計分析與對比,對比情況如表1所示。

表1 支撐方式對比

由表1可以看出:方式1的特點是裝調簡便,精度要求低,抗熱變形能力強;方式2的優勢主要體現在輕小型化程度高,抗力學性能更好。在本文中,為了適用于系統空間布局緊張且發射段力學環境惡劣的情況,選擇方式2,裝調和熱變形的問題則可以通過優化流程和相機熱控解決。

方式2經過進一步優化設計,采用側面嵌套直粘+卸載結構的方案,嵌套材料為低膨脹合金,減少嵌套徑向熱變形對鏡面面形的影響。在加工流程上,鏡面粗加工完成后,即開始粘接嵌套,完成穩定性處理后再進行面形精加工。指向鏡組件在軌由于溫度波動導致的軸向變形問題,則通過指向機構的軸系設計解決,即一端為成對角接觸球軸承固定支撐,另一端為深溝球軸承游動支撐,卸載溫度變化引起的軸向伸縮。

1.3 高精度指向機構

指向機構的主要功能是驅動擺鏡精確旋轉,實現高精度指向功能。作為相機成像功能的關鍵環節,指向機構需要為指向鏡提供可靠支撐,并以高精度(控制精度優于30″,測量精度優于10″)驅動指向鏡進行轉動。這就要求指向機構需要具有良好的力學性能,能夠承受發射段的力學考核,具備發射段鎖緊功能;驅動及傳動機構應平穩、可靠,確保足夠的力矩裕度能夠驅動擺鏡轉動;驅動及傳動機構具有較高的指向精度和測量精度。

常見的轉動機構方案是電機直接驅動或電機加齒輪傳動的方式,其不足主要體現在:電機直接驅動導致力矩不足,難以驅動大體積反射鏡,齒輪傳動存在齒面間隙,導致傳動精度和抗力學性能變差。本文提出了一種新式的指向機構,由指向鏡組件、驅動組件(主要包括驅動電機、諧波齒輪減速器)、測角元件和支撐結構組成。對于轉動類機構,較為常見的設計是將驅動單元和測量單元分置在軸系兩側,便于裝調和測試維修。在本文中,考慮到系統對指向鏡轉動和測量精度要求較高,并兼顧系統集成化設計,將驅動單元和測角單元放置在同一側,分別作為驅動源和位置反饋共同作用帶動指向鏡組件旋轉,如圖3所示。這樣的好處是大大減少了由于結構變形導致的測量誤差,提高指向精度。傳動元件選用大減速比的諧波齒輪,目的是提高傳動精度和傳動力矩,并能夠克服普通齒輪傳動由于齒面間隙造成的回程差問題。齒輪面間采用固體潤滑和脂潤滑相結合的方式,避免在軌冷焊問題。測角元件選用24bit高精度光電編碼器,能夠實現優于5″的測量精度。驅動端的軸承使用背對背成對安裝的角接觸球軸承,并施加預緊力,消除擺鏡軸向和徑向的安裝間隙。在另一端使用單只深溝球軸承,約束軸的徑向位移,釋放軸向位移,以卸載由于指向鏡熱變形引起的軸向尺寸變化。

圖3 指向機構方案

對指向機構組件進行精度分析。控制誤差按照形成原因可分為隨機誤差和系統誤差。隨機誤差可以通過提高各傳動部分精度的方式來降低,而系統誤差可以通過標定或者補償的方式降低。

(1)隨機誤差主要包括電機步距角誤差和傳動機構重復性誤差。其中:電機步距角誤差是由電機動子的起始位置和最終位置的不確定性引起的,傳動機構重復性誤差主要取決于機構本身的加工精度和運動間隙。因此,本文選用高精度步進電機(步距角誤差為6.05″),傳動機構采用諧波減速器,相比于傳統的齒輪組傳動,諧波減速器不存在運動間隙,且加工精度更高(重復性誤差為6.01″)。綜合計算隨機誤差(均方根值)為6.04″。

(2)系統誤差主要是由電機步距的細分引起的。本文選取的電機步距角為0.9°,為減少系統誤差,選用了較大減速比的諧波減速器(減速比為160∶1),指向機構步距約為20.3″(即0.9°/160),結合隨機誤差的影響分析,可以實現指向機構30.0″的控制精度。

1.4 雙通道多光譜焦面組件

焦面組件是相機的重要組成部分,相比單通道遙感相機,雙通道遙感相機的焦面組件更為復雜,設計難度更大[5]。焦面組件的結構、熱穩定性、2個通道間的多譜段配準都直接影響系統的成像質量。由于成像器件上各譜段的位置在光學視場中并不重疊,特別是雙通道遙感相機,要充分考慮2個通道之間的譜段配準設計,以保證多光譜圖像融合精度。

較為常見的雙通道分光方式為分視場分光,即在光學設計上2個通道并行排列,分別對應飛行方向的不同視場,在結構上通常通過光學折轉以保證各通道的結構安裝空間,如圖4(a)所示。該方案的缺點是:導致光學系統視場增加,體積增大,而且各譜段間跨距較大,配準精度對衛星偏流角修正精度要求較高。

圖4 分光方式對比

本文針對以上問題,設計同視場楔板分光的方案,即在光學系統的后端設計半反射半透射的楔形分光鏡,成像光線到達楔形分光鏡后分成反射和透射2個成像通道,見圖4(b)。2個成像通道在光學設計上完全重疊,這使得不同譜段對同一地物的觀測角差異比傳統分視場方案降低(可由4.57°降低到0.73°),在顯著提高配準精度的同時也降低了衛星偏流角校正精度對相機成像的影響。

焦面反射通道使用5色TDICCD,透射通道使用4色TDICCD。5色TDICCD器件和4色TDICCD器件分別安裝在分光鏡的兩側。在相應的焦面支撐結構上,焦面電路位于TDICCD器件背面,通過鋁合金外殼結構實現安裝及散熱。2個通道的焦面支撐結構采用鈦合金材料,與相機主框架保持一致。對焦面組件在1℃的溫度變化下熱變形導致的配準精度變化進行分析,配準像元變化個數δ按照式(1)計算。

式中:ΔL為熱變形導致的CCD沿線陣方向的最大位移變化量;d為CCD器件像元大小。

經過計算,1℃熱變形導致的像元變化量為0.11像元,能夠滿足系統穩定性(優于0.30像元)的要求。

1.5 高穩定性光機結構

遙感相機主框架的功能是為相機各光學、機構及電子部件提供穩定的支撐,保證各光學元件和像面之間的準確位置關系,同時能承受發射段惡劣的環境載荷,確保各部組件不被破壞,因此主框架設計的主要目標是在一定空間包絡范圍和質量限制條件下設計出滿足高剛度、高穩定性的支撐結構[6-7]。

主框架大體包括箱式和桁架式2種結構形式。箱式整體框架結構緊湊,具有良好的力學性能,無裝配應力,便于保持相機整體結構的穩定,且易于裝調和測試。因此,本文采用整體箱式結構作為主框架的設計方案。相機主體布局及主框架的設計如圖5所示,其設計要點包括:①優化布置組件位置,將口徑較大的指向鏡、主鏡等光學件放置在系統下方,減小組件的力學響應;②使用折轉鏡壓縮光路,優化焦面位置,減小系統包絡,降低相機重心以增加穩定性;③重點優化主框架頂端的支撐結構及側壁的輕量化設計,使之在滿足體積和質量要求的前提下實現剛度最優。

2 相機性能測試及試驗驗證

2.1 指向鏡面形測試情況

指向鏡的面形對相機成像質量至關重要,在研制過程的各個階段均對指向鏡的面形變化情況進行測試,如表2所示。圖6為指向鏡在相機主體力學試驗后,即產品最終狀態下進行的面形測試情況。可以看出:指向鏡的面形變化與仿真分析結果基本一致,滿足系統要求。

注:不同顏色表示鏡面的高低變化量,僅作定性描述。

2.2 指向機構精度測試及試驗驗證

在指向機構裝調完成后進行精度測試。測試以指向機構安裝面的法線作為基準,通過光學自準直儀獲取角度,并記錄光電編碼器的輸出值。首先獲取光學自準直儀測量的角度變化量,再分別對比指令角變化量和光電編碼器變化量,其差值即為控制誤差和測量誤差。指向鏡調整以指向鏡轉動角θ=0.9°為1個步長,測試每個步長對應的指向鏡轉動角變化量θ1和編碼器遙測值變化量θ2,從而獲得指向機構每個步長的控制誤差Δ1和測量誤差Δ2。指向機構精度測試結果見圖7。

圖7 指向機構精度測試結果

Δ1=|θ-θ1|

(2)

Δ2=|θ2-θ1|

(3)

通過測試,指向機構的精度滿足要求(控制精度優于30″,測量精度優于10″)。

在力學振動試驗前后分別進行了精度測試,對比試驗前后的數據(見表3),力學振動試驗沒有降低機構的精度,驗證了指向機構的抗力學性能。

表3 振動試驗前后精度對比

2.3 焦面組件穩定性測試

光學系統中,光學鏡頭和焦面組件對于軸間距、俯仰等非常敏感,因此需要對各組件在重力作用下的剛體位移和轉動角進行校核。校核的主要方法是在有限元模型中添加各組件的模型或等效質量點,并對相機主體施加重力載荷。表4為各組件最大變形統計結果。可以看到:各組件的安裝點位移均小于5μm,轉動角小于10″,能夠滿足光學系統的誤差要求,表明主框架具有良好的穩定性。

表4 重力作用下變形

2個焦面通道需要通過配準保證不同譜段的位置精度,以滿足后期圖像融合的精度需求。配準精度測試光路如圖8所示。遙感相機鏡頭及焦面組件連接后放置于轉臺上,光源經半反半透鏡照亮處于相機焦面處的CCD像元后,再經過半反半透鏡、平行光管及攝像系統成像,在圖像數據處理系統的顯示設備上顯示出CCD像元或標記的放大圖像,同時能夠直觀地測量圖像上兩點之間的距離。

圖8 配準精度測試光路示意

配準過程中,以通道2探測器的中心視場像元和邊緣視場像元作為基準。通過精密調整機構精調通道1探測器的位置,使通道1探測器的中心及邊緣視場像元與通道二重合,并對配準精度進行測試。實測沿線陣方向配準偏差為3.7μm(約為0.13像元),結合熱變形仿真分析計算的結果,相機配準及熱穩定性滿足像元配準偏差不大于0.30像元的要求。

2.4 光機結構力學試驗驗證

為了驗證設計的可靠性,在遙感相機研制過程中進行了振動試驗,對相機的抗力學性能進行考核,X軸、Y軸、Z軸3個方向的模態分布分別為231.9Hz,187.5Hz,124.7Hz,與仿真分析結果基本一致,也驗證了有限元模型的正確性。在正弦振動試驗和隨機振動試驗前后,各項功能性能測試正常,調制傳遞函數(MIF)測試結果(見表5)、焦面位置測試及外基準測試結果(見表6)無明顯變化,表明相機的一體化設計能夠有效地保證在發射段惡劣的力學環境中保持良好的成像能力和性能穩定性。

表5 振動試驗前后MTF測試結果

表6 振動試驗前后外基準測試結果

3 結束語

本文從集成設計的角度出發,以遙感相機的關鍵指標(覆蓋范圍、指向精度等)為切入點,以成像質量和穩定性為目標開展光機結構設計工作,提出了大范圍指向鏡和雙通道集成焦面的設計方案,并通過地面環境試驗對相機的抗力學性能和光學指標穩定性進行了驗證。測試和試驗結果表明:遙感相機在滿足外包絡900mm×480mm×750mm、質量小于100kg的情況下,能夠實現較高的指向精度,同時具備良好的穩定性和環境適應性,可以為同類遙感相機的設計提供參考。