分布式微振動測量及成像質量影響分析

楊　冬，吳蓓蓓，郝剛剛，王光遠

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

分布式微振動測量及成像質量影響分析

楊冬，吳蓓蓓，郝剛剛，王光遠

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

光學遙感衛(wèi)星的微振動力學環(huán)境是影響在軌成像質量的主要因素之一，已成為遙感領域的研究熱點。以保證衛(wèi)星在軌成像質量為目標，分析了成像質量對衛(wèi)星微振動隔振抑制需求，并采用測量主要光學元件角位移分析微振動對成像質量影響的方法，對某型衛(wèi)星CMG組開機工作對相機傳函的影響進行了分析驗證。

光學遙感；微振動；成像質量

0 引言

光學遙感衛(wèi)星在軌成像時，星上控制力矩陀螺、動量輪、太陽翼、中繼／對地數(shù)傳天線等活動部件的動作，以及推力器噴氣等均會使衛(wèi)星平臺產(chǎn)生高頻率、小振幅的抖動，這種抖動不能依靠控制系統(tǒng)進行測量并抑制，國內學者通常稱其“顫振”或“振顫”。為區(qū)別于航空領域的“顫振”，本文稱之為微振動。

光學遙感衛(wèi)星的主載荷通常采用TDICCD作為感光成像器件的航天相機，其正常工作的前提是光電電荷包的轉移速度與焦平面上圖像的轉移速度同步，但微振動帶來的匹配誤差會產(chǎn)生像移，進而導致圖像扭曲甚至模糊，降低衛(wèi)星在軌成像質量［1?2］。

近年來，隨著光學遙感衛(wèi)星的分辨率不斷提高，相機焦距增長，對衛(wèi)星平臺的微振動環(huán)境要求也越來越高。與此同時，為提高衛(wèi)星在軌快速姿態(tài)機動能力，更多的衛(wèi)星采用了大力矩輸出的控制力矩陀螺等擾振力矩也大的活動部件，微振動環(huán)境測量及對成像質量影響性分析也變得越來越重要。

傳統(tǒng)的加速度測量方法可以獲取衛(wèi)星結構振動響應，但無法直接建立與成像光學系統(tǒng)的關系，中間解算環(huán)節(jié)會引入較大的誤差，無法為成像質量評估和校正提供可靠的依據(jù)［3?4］。本文在國內外微振動研究成果基礎上，以確保衛(wèi)星在軌成像質量為目標，對衛(wèi)星微振動力學環(huán)境抑制需求進行了分析，提出了一種通過測量主要光學元件微振動響應進而分析微振動對成像質量影響的方法，并在某型衛(wèi)星上進行了測試驗證。

1 基于成像質量的微振動要求

1.1 微振動頻率的劃分

不同頻率的微振動對光學遙感衛(wèi)星成像質量影響機理存在不同［5］，因此考慮微振動對成像質量影響問題。首先，需針對成像采樣頻率對振動頻率范圍進行劃分。本文作如下定義：

相機采樣頻率：采用TDI CCD器件進行積分成像的光學遙感相機，采樣頻率定義為多級成像總曝光時間的倒數(shù)。不同的積分級數(shù)對應不同的成像頻率，文獻［6］列出國內外典型光學遙感衛(wèi)星成像采樣頻率，可以看出在較為常用的48級TDI積分級數(shù)成像條件下，光學遙感衛(wèi)星成像采樣頻率通常在40Hz～350Hz范圍內。

低頻微振動：小于相機采樣頻率的振動。對于衛(wèi)星系統(tǒng)，低頻微振動通常幅值相對較大，可能使圖像出現(xiàn)扭曲，影響成像的幾何質量。

高頻微振動：大于等于相機采樣頻率的振動。其顯著特征是高頻小幅，相機曝光成像期間包含1個或多個振動周期，導致成像調制度下降，對成像輻射質量影響較為顯著。

考慮到低頻微振動環(huán)境下相機成像期間振動尚未完成一個周期的往復振動，導致像移通常較小，對成像輻射質量影響不如高頻微振動顯著。因此，將衛(wèi)星微振動測量頻率范圍定為1Hz～1000Hz。

1.2 微振動對成像質量影響的理論計算

目前，國外在微振動對TDICCD成像系統(tǒng)圖像傳函的影響分析領域已形成了成熟的理論及模型［7］，微振動導致CCD像面上彌散斑直徑變化對圖像傳函的影響已有了明確的計算方法［8?9］。

（1）低頻微振動

單個頻率的低頻正弦振動如圖1所示。其中，T為積分時間，T=NTDIt（NTDI為TDI積分級數(shù)，t為單級積分時間）；T0為振動周期（T＜T0）；f0為振動頻率；D為低頻微振動幅值；tx為TDICCD積分開始時刻；dmax和dmin為像移最大值和最小值。

低頻振動在成像期間造成單邊線性的像移，由此導致MTF下降為：

（2）高頻微振動

高頻微振動如圖2所示。其中，T為積分時間，T0為振動周期。

圖2　高頻微振動示意圖Fig.2 The sketching of high frequency micro?vibration

高頻微振動對圖像MTF影響的計算公式如下：

其中，J0為0階貝塞爾函數(shù)，N為相機采樣頻率，D為高頻微振動的幅值。

1.3 成像質量對微振動的要求

根據(jù)光學遙感衛(wèi)星圖像質量全鏈路過程分析結果，為保證在軌成像質量的考慮，要求低頻微振動引起的像移量不大于0．3個像元；高頻微振動引起的像移不大于0．1個像元，此時微振動對MTF影響不大于0．95［9］。如以此作為整星微振動的門限，以某型衛(wèi)星為例，可得出在該衛(wèi)星滾動、俯仰方向上微振動幅頻特性的具體要求，如表1所示。

表1　衛(wèi)星滾動、俯仰方向顫振的振幅要求Table 1 The requirement of flutter amplitude in rolling and pitching direction

從表1可知，為保證衛(wèi)星在軌成像質量指標MTF在微振動環(huán)節(jié)的影響因子不低于0．95，在48級的典型成像參數(shù)下，需保證衛(wèi)星在大于100Hz的高頻區(qū)域微振動幅值不大于0．063″。

2 基于光學系統(tǒng)元件的分布式微振動測量系統(tǒng)

目前，國內針對微振動的擾動源和結構傳遞特性的測量手段已基本具備，如六分量測力平臺、膜片式力傳感器、永磁敏感器和激光陀螺等［10］。某型光學遙感衛(wèi)星進行微振動測量試驗時，在完成自由?自由邊界條件模擬的基礎上，將微振動測量傳感器直接布置在相機主鏡、次鏡、平面鏡和焦面等位置上，通過對測量的角速率數(shù)據(jù)進行頻域積分獲取光學系統(tǒng)中各元件在微振動力學環(huán)境下的角位移數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)代入光學設計模型中，可得到光學系統(tǒng)光軸位置的時域變化曲線，分析微振動對成像質量的影響，從而驗證星上微振動環(huán)境是否滿足成像質量的需求，并為振動抑制設計提供定量化的依據(jù)。

光學系統(tǒng)元件安裝空間有限，對微振動測量元件提出很高要求。該型衛(wèi)星采用了分布式測量的方式，測量設備選用了體積小、重量輕、精度高的激光陀螺作為高精度角振動傳感器，并采用微振動加速度計用于測量結構對微振動的傳遞特性。分布式微振動測量系統(tǒng)原理圖如圖3所示，微振動測量過程中，各傳感器的布局位置和指標參數(shù)如表2所示。

圖3　分布式微振動測量系統(tǒng)示意圖Fig.3 The sketching of distributed micro?vibration measuring system

表2　微振動傳感器的布局位置和指標參數(shù)Table 2 The location and parameters of micro?vibration sensors

3 微振動測試結果及分析

3.1 微振動測量結果

某型衛(wèi)星微振動測量時，主要的活動部件為CMG，太陽翼和對地／中繼數(shù)傳天線等活動部件的擾動由于其試驗狀態(tài)難以真實演示，采用仿真的手段進行分析驗證其對成像質量的影響。CMG組開機時整星微振動實測結果如圖4所示。

圖4　相機各光學元件的微振動測量數(shù)據(jù)Fig.4 The measuring data of micro?vibration of each optical component of camera

3.2 微振動對成像質量影響分析

將相機整體看作柔性體，利用遙感相機光學元件及焦面布設的角位移測量傳感器實測數(shù)據(jù)，結合光學系統(tǒng)模型進行視軸角位移的仿真分析，具體方法是利用CODE V軟件，通過試驗得到的各個光學元件角位移的時域數(shù)據(jù)，計算光學系統(tǒng)光軸的時域變化，進而得到積分時間內因各鏡片角位移引起的光軸變化數(shù)據(jù)，具體結果如圖5所示。

圖5　微振動導致像移和頻域曲線Fig.5 The vibration curve of image motion with time and frequency caused by micro?vibration

從圖5可以看出，CMG組開機工作后，產(chǎn)生的微振動導致像移量約0．01個像元，與表1中數(shù)據(jù)進行比對，均滿足成像質量的要求。利用式（1）和式（2）計算的微振動對光學相機傳函影響的具體結果如表3和表4所示。

表3　微振動對相機傳函影響的計算結果(全色譜段）Table 3 The calculation results of camera MTF in panchromatic spectrum influenced by micro?vibration

表4　微振動對相機傳函影響的計算結果(多光譜譜段）Table 4 The calculation results of camera MTF in multispectral spectrum influenced by micro?vibration

根據(jù)上述計算結果可知，在積分級數(shù)96級的情況下，CMG組開機工作對衛(wèi)星傳函的影響約為0．967，優(yōu)于全鏈路成像質量分析時通常分配的系數(shù)0．95。

4 結論

本文以保證衛(wèi)星在軌成像質量為目標，借鑒國內外微振動對應用TDICCD的航天相機光學系統(tǒng)傳函影響的理論公式，分析了成像質量對衛(wèi)星微振動力學環(huán)境的需求；并通過測量相機光學系統(tǒng)元件角位移數(shù)據(jù)，利用CODE V軟件仿真獲得了相機光學系統(tǒng)的光軸由于微振動導致的像移量，以此為基礎分析某型衛(wèi)星CMG組開機工作后對圖像傳函的影響。該方法在探究微振動測量方法的同時，為光學遙感相機的減隔振設計提供了參考，為后續(xù)高精度光學遙感衛(wèi)星微振動研究探索了一種思路。

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Distributed Micro-vibration Measurement and Analysis of Influence on Imaging Quality for OPtical Remote Sensing Satellite

YANG Dong，WU Bei?bei，HAO Gang?gang，WANG Guang?yuan
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094）

Mechanical micro?vibration environment of optical remote sensing satellite，one of the main influencing factors of imaging quality in orbit，has become a hot topic in the field of remote sensing．With ensuring the satellite imaging quality in orbit as the goal，the paper analyzed the needs of micro?vibration isolation suppression and brought forward a new analysis method about the influence of micro?vibration on imaging quality by measuring the angular displacement of the opti?cal components．The method was verified in the analysis of the CMG work influence on the modulation transfer function of a certain satellite camera．

optical remote sensing；micro?vibration；imaging quality

TP753／V416．5

A

1674?5558（2016）05?01319

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．018

2016?09?05

楊冬，男，博士，高級工程師，研究方向為航天器總體設計。