环境减灾二号A/B卫星16,m相机设计与验证
时间：2023-02-12 23:45:04 来源：千叶帆 本文已影响人
吕秋峰 任海培 靳利锋 曹伟 蔡媛媛
(北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点试验室，北京 100094)
遥感技术是获取环境信息的强有力手段，环境减灾二号A/B卫星装载了16 m相机，图像数据广泛应用于环境监测与灾害评估、灾后恢复重建等方面[1]。16 m相机在距离地面645 km的太阳同步轨道，以推扫方式对地面景物成像，其具有蓝、绿、红、近红外、红边共5个谱段，空间分辨率优于16 m，成像幅宽大于200 km[2]。16 m相机的探测器采用了GL2110-01型电荷耦合元件(CCD)，这是该型CCD器件首次应用于空间光学遥感相机。本文主要讲述16 m相机的设计方案、技术难点、在轨运行及测试情况。
1.1 设计方案概述
由于搭载16 m相机的环境减灾二号A/B卫星均是小型卫星平台，因此对相机的尺寸、质量、功耗等都有比较严苛的要求[3]。16 m相机由遮光罩、镜头组件、焦面组件、视频电路、二次电源模块及热管组成。相机光学镜头采用折射式光学系统，地物辐射信息经过分光棱镜分成5个谱段，分别成像在5片CCD探测器上。CCD探测器将光信号转化为电信号，经过信号处理电路读出、A/D转换后编码送入卫星数传分系统。为保证相机5个CCD探测器温度一致性，通过一个异形的导热铜条从CCD探测器引出到热管进行散热。16 m相机设计时，CCD器件的选择是关键[4]。结合16 m相机的设计方案，所选择的CCD器件应具备像元尺寸小、像元规模大、动态范围大、调制传递函数高的优点。
经过选择确定使用重庆光电技术研究所生产的GL2110-01型CCD器件。GL2110-01是一款单线列可见光型CCD器件，工作温度范围为-40～+70 ℃，抗辐照总剂量30 krad(Si)，具备抗位移损伤效应能力。器件外观如图1所示，详细尺寸如图2所示。
图1 GL2110-01 CCD外观图Fig.1 Outside view of GL2110-01
图2 GL2110-01器件外形尺寸Fig.2 Shape size of GL2110-01
1.2 技术难点
16 m相机的设计难点是在轻小型的要求下，具有超大视场5谱段成像的能力。为实现该目标，对光学系统进行了轻小型化、消色差及消杂散光设计，对焦面组件进行了集成化设计，对多探测器进行了同时散热设计，对电路采取了低噪声设计。
1.2.1 大视场宽谱段消色差光学系统设计
16 m相机采用了6.5 μm小像元超长线阵CCD，缩短了光学系统焦距、避免了焦面多片器件拼接，在减轻质量、缩小体积的同时，由于空间频率高(77线对/毫米)、谱段范围宽(0.45～0.89 μm)、视场角大(32°)，对光学系统传函、色畸变差要求苛刻[5]。相机主光学镜头采用像方远心光路系统，相机光学系统的形式如图3所示。
图3 光学系统示意Fig.3 Schematic diagram of optical system
分光棱镜的任务是将一束全色光分为B1～B5这5个谱段的单色光。从偏振度与入射角的关系曲线看，偏振度在入射角14°左右明显存在一个拐点，大于14°时，偏振度增加很快，反之小于14°时，偏振度增加则较缓慢，所以分光棱镜的光线入射角应控制在14°以内。分光示意如图4所示。
图4 分光示意Fig.4 Schematic diagram of beam split
1.2.2 多谱段焦面组件设计
16 m相机焦面组件包括：分光棱镜框、分光棱镜、CCD器件、导热铜条、焦面电路板、焦面驱动电路板、隔热垫以及加热片等。焦面组件的安装空间十分狭小，对电路进行了小型化设计布局。为了使光学镜头温度稳定，焦面组件与光学镜头之间进行了隔热安装。CCD器件粘接于CCD支架上，通过调整支架与分光棱镜框之间的垫片，使CCD处于成像最佳物理焦面。通过配准，将5片CCD器件相同位置像元对准[6-7]。在CCD背面粘贴导热铜条，对CCD器件进行散热。5片CCD通过接插件与焦面电路对接，焦面电路与焦面驱动电路对接，焦面驱动电路通过挠性柔板与后端的视频电路盒连接。焦面及视频电路盒结构布局如图5所示。
图5 焦面与视频电路盒结构Fig.5 Structure diagram of focal plane and circuit box
1.2.3 多探测器散热设计
为了保证CCD器件工作温度控制要求，采用导热铜条、热管联合的导热方法，将CCD器件产生的热量传导到其专用散热面上，直接辐射到冷空间[8]。为了保证5片CCD的温度一致性，每片CCD用导热胶粘贴一根外形完全一样的导热铜条，5根导热铜条共同连接到一根异形铜条上。异形导热铜条与外贴热管相连接，外贴热管连接在卫星专用的散热面上。焦面具体热控形式见图6。
图6 焦面热控形式示意Fig.6 Thermal control diagram of focal plane
1.2.4 高性能低噪声视频信号处理电路设计
电路系统的硬件设计包括CCD模拟前端和图像处理后端。模拟前端电路主要包括：CCD电压偏置电路、CCD驱动电路以及模拟信号隔直放大电路等；
图像处理后端部分主要包含模数转换电路和FPGA等。16 m相机电路系统流程如图7所示。
图7 电路系统工作流程Fig.7 Circuit system block diagram
CCD的工作和驱动电路需要多种不同电源，这些电源对电路性能，特别是CCD器件输出噪声影响很大，因此必须对电源做特殊处理，以提高CCD器件的输出性能和整个电路的信噪比。根据CCD的特性，有效输出模拟信号叠加在大约10 V的直流电压上，且输出阻抗较高，不利于信号的长线传输。本文设计的模拟信号隔直放大电路采用交流耦合的方法来消除这个直流分量，进行了阻抗变换和模拟信号的放大，有效抑制传输过程中带来的噪声干扰。
FPGA芯片实现对模数转换芯片(AD)的驱动，对AD量化输出的读取，对数据的存储控制，以及数据的合成与发送。FPGA功能框图如图8所示。
图8 FPGA 功能框图Fig.8 FPGA flow diagram
在遥感图像中，暗电流的存在限制了CCD器件的灵敏度和动态范围[9]，CCD响应非均匀性(或称固定图像噪声)[9-10]反映在图像上为条纹或条带。在16 m相机的信号处理FPGA中增加了星上暗电流校正、像元一致性校正功能，解决了CCD器件暗电流变化对图像品质的影响，校正了像元响应不一致及光学系统的照度不均匀对图像的影响，提高了图像信噪比。
1.2.5 消杂光设计
16 m相机通过在镜头前加装遮光罩、设置消杂光光阑、控制镜筒内壁的吸收率和粗糙度，将镜头的杂光系数控制在要求值以下。
在镜头组件前面放置整体遮光罩的方法进行消杂光。若镜头前面没有任何光阑时，物空间内约2π角度内的光线均可以射入物镜，则镜筒内壁等非工作表面将被照亮，形成杂散光。为此，加上遮光罩可以拦掉视场以外的光线射入物镜的入射光瞳[11]。
分光棱镜框的设计采用了整体结构，只在入射光线和各谱段的出射光线位置留出合适的通光口径，相当于在像面前加入了视场光阑，有效降低了像面附近杂散光的影响。
在过程控制方面采取的其它消杂光措施包括：光学零件折射表面镀减反膜层、非工作面涂无光黑漆，工艺上控制光学零件表面光洁度；
镜筒的内壁及光学零件的托框、压圈表面等均作发黑处理[11-12]。
16 m相机搭载于环境减灾二号A/B卫星发射成功后，在轨工作正常，性能稳定，下传了大量遥感图像数据。16 m相机在轨CCD器件工作温度，非成像时间器件温度波动小于1 ℃，成像过程中器件温升小于2.5 ℃，器件工作温度始终控制在理想范围内，如图9所示。
图9 CCD在轨工作温度Fig.9 CCD working temperature
16 m相机图像饱和区域无溢出拖尾现象，验证了GL2110-01型CCD器件抗弥散效应满足使用要求。16 m相机在轨工作时间已接近2年，相机工作电流平稳，未发现因空间环境效应导致CCD器件性能退化的现象。该器件在空间光学遥感相机的成功应用，对提高中国航天设备核心器件自主可控具有重要的意义。建议应用于中分辨率、大幅宽、高信噪比需求的陆地和海洋观测遥感相机。
卫星在轨工程测试期间，地面处理系统完成了16 m相机的在轨分辨率与幅宽、辐射定标，以及谱段配准精度测试。测试结果见表1，各项指标均满足技术要求。16 m相机图像层次分明、文理清晰、色彩丰富，目视效果良好(部分数据成像效果如图10所示)，受到用户好评[13]。
表1 16 m相机技术指标在轨测试结果Table 1 Results of 16m camera on-orbit test
图10 巴西利亚遥感图像Fig.10 Remote sensing image of Brasilia
本文介绍了16 m相机的科学任务、设计难点以及在轨验证情况。环境减灾二号A/B卫星搭载的16 m相机具有大视场、中等分辨率的观测能力，可以很好地满足我国陆地资源勘查、农业与林业资源调查、环境监测、灾害预警与灾后评估以及海事搜索和识别等业务领域遥感应用需求。16 m相机入轨后经测试各项成像性能满足使用要求，图像清晰、层次分明、色彩丰富，得到用户一致好评。目前已经形成批量化生产的能力，可作为标准化产品配置。其具有体积小、质量轻、研制成本低、卫星平台适应性强等诸多优点，可广泛应用于资源、环境、海洋等多个成熟卫星平台，为我国的资源普查、海洋监测等业务应用提供高质量多光谱数据产品。16 m相机的多光谱数据可以与国内外的高分辨率全色图像融合，在保留光谱特征的基础上得到高分辨率图像，应用于更多领域，具有较高的经济效益和社会效益。
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