微光條件下遙感器像移補償機構設計及控制方法

康建兵 王蕓 于婷婷 林喆

微光條件下遙感器像移補償機構設計及控制方法

康建兵 王蕓 于婷婷 林喆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

夜間成像時，遙感成像地面目標的輻亮度可低至白天的10–6，在提升弱信號獲取能力的各種措施中，通過長曝光時間提升信噪比是一種直接而有效的解決方式，但是在低軌遙感任務中其實現卻受到極大限制。為完成探測目標凝視，文章提出通過光路中的像移補償機構實現光軸穩定的解決方案，補償了相機相面與地物的相對運動，在曝光時間內使探測器相面景物與地物景物保持相對靜止，從而實現靈活微光成像模式；具體闡述了微光條件下遙感器像移補償機構的設計和控制方法，對其原理及設計進行了詳細分析，并進行仿真及試驗驗證，結果表明所設計的像移補償系統可將圖像抖動補償至0.2像元之內，為低軌遙感微光成像系統提供了優異的解決途徑。

微光成像 像移補償 光軸穩定 信噪比 星載遙感器

0 引言

微光條件下遙感相機入瞳能量僅為白天的10–6，達到信噪比指標需要的理論成像時間為白天的 16 000倍。傳統的TDI（時間延遲積分）模式受器件級數、TDI同步畸變等因素影響，不能提供所需曝光時長。為了解決該問題，遙感器通常選擇面陣凝視模式，通過系統級駐留技術來獲得地物信息在探測器上的長穩定駐留時間[1]。這就要求沿軌飛行的探測器需具備口徑大、勻速段時間長、歸位時間極短等特性的像移補償機構[2]，補償探測器在軌運動方向產生的像移，通過凝視成像多幀疊加來累計能量[3]。

目前比較常用的補償方案主要有以下幾種[4]：1）移動光學元件補償。采用光學方法通過移動或旋轉光路中部分光學元件，使最終照射到成像介質上的光線按照一定的方式改變方向，從而保證在曝光時間內焦平面與跟蹤對象保持相對靜止；缺陷是系統復雜，精密補償控制難度大[5]。2）焦平面平移補償。通過控制焦平面的同步運動使目標所成影像在焦面上的像移量為零；缺陷是不能對快速大視場的像移進行補償。3）電子式像移補償。通過電荷轉移方式在曝光時間內控制相機感光面上的電荷轉移速度，使其等于目標成像的移動速度[6]；缺陷是電荷讀出時間比較長，幀頻低[7]。4）圖像式像移補償。通過建立像移引起的圖像退化數學模型，對存在像移的圖像進行圖像恢復；缺陷是對芯片的計算能力要求很高，難以在星載遙感器中應用。

微光成像用星載相機具有遠距、長焦、高分辨率的特點，對于采用面陣探測器的微光相機來說，傳統的像移補償方法，如縮短曝光時間、TDI CCD補償、焦平面平移補償、電子學像移補償等方法均不適用[8]，必須采用基于快速反射鏡的新型高精度像移補償技術才能滿足大口徑、長掃描周期、極短的歸位時間要求[9]。本文為微光成像星載遙感器設計了一套快速反射鏡補償機構，具有高剛度、高帶寬、高精度的特點，并設計了一套快速反射鏡的控制系統，仿真及試驗結果表明可滿足星載遙感器微光成像需求。

1 像移補償需求分析

對于面陣探測器來說，探測器感光介質在秒級的曝光時間內，目標景物經光學系統的像與探測器焦平面感光像元間存在相對運動，進而導致探測系統的傳遞函數下降、成像模糊[10]。因此，需在相機光學系統內構造快速反射鏡機構，實現跟隨衛星運動的相面勻速補償，以彌補衛星運動像移。

根據微光成像儀光學系統設計結果，對像移補償機構運動軌跡的要求為：勻速掃描時間424 ms，快速回掃歸位時間為50 ms；勻速掃描角度范圍為±0.955 4°，同時要求勻速掃描段角度測量精度需優于±0.5″，控制精度需優于±1″，掃描速度波動量不超過0.001 03（°）/s。根據該要求規劃補償鏡機構的運動軌跡具體如圖1所示。

圖1 補償鏡運動軌跡

圖1中，像移補償機構勻速掃描段0長度為424 ms，此區間補償鏡從–0.955 4°運行到+0.955 4°，旋轉速度為4.506 6（°）/s，在此階段相機成像。復位段1長度為50 ms，在此區間補償鏡從+0.955 4°運行到0.961 8°的正極限位置，速度降為0（°）/s，再從正極限位置運行到–0.961 8°的負極限位置，速度降為0（°）/s，然后再從負極限位置加速運動到–0.955 4°，復位段結束，在復位段內相機不成像。

根據上述指標，像移補償機構的難點為：補償鏡50 ms內完成回位并迅速穩定，要求運動帶寬優于100 Hz，機構基頻高于600 Hz；控制精度優于±1″、掃描速度波動量不超過為0.001 03（°）/s，這要求必須采用先進控制算法，以實現短時間內的穩定切換；角度測量精度優于±0.5″已經超過了國內測角元件的極限精度[11-12]，需要在選用高精度測量元件基礎上采用光學方法進行誤差校正。

2 像移補償機構設計與控制方案

系統對像移補償機構的運動軌跡要求分解為組件指標，難點主要體現在機構的基頻高（600 Hz以上）、控制帶寬高（50 ms完成換向并穩定）以及控制精度精度高（優于±1″），下面針對上述難點分別闡述機構和控制器的設計方案。

2.1 像移補償機構設計

光學系統采用經典的前置無焦系統+中間平行光路+成像光學系統的結構形式，在平行光路安裝像移補償反射鏡，對衛星在軌運行產生的俯仰像移進行補償[13]。為了達到結構緊湊的目的，像移補償機構設計時將像移補償反射鏡、成像鏡組和中繼鏡組安裝于主鏡背板上，通過光路折疊保證系統較為緊湊。

補償鏡基座采用U型架構型，選用鈦合金整體鑄造，筋板厚度為4 mm，同時通過加強筋等方式保證結構剛度。像移補償機構如圖2所示，補償鏡組件通過樞軸安裝在基座上，采用音圈電機驅動、光電編碼器測角，電機、光電編碼器同軸安裝在基座兩側。用高精度鏜床加工基座的樞軸孔，以保證孔的同軸度。

圖2 像移補償機構示意

像移補償機構采用輕量化高穩定SiC（碳化硅）補償鏡，為了減小溫度變形不匹配所導致的鏡面面形差，與補償鏡連接的限位擋塊、樞軸座、過渡軸均采用與補償鏡熱膨脹系數相近的鈦合金材料。為了提高樞軸安裝孔的同軸度，樞軸座、過渡軸和補償鏡裝配后，采用組合加工的方式來保證兩側安裝樞軸孔、電機安裝孔的同軸度。通過基座構型設計、補償鏡輕量化高穩定設計、材料選型及裝配后組合加工等措施，可保證機構支撐剛度達800 Hz以上，能夠滿足機構基頻高于600 Hz的要求。

影響補償線性度的關鍵因素是補償軸系摩擦的力矩波動量和電機的控制性能[13]。軸系組件采用無齒槽力矩的音圈電機作為驅動元件，音圈電機有高加速度、高速度、快速響應、平滑力特性等優良性能，無齒槽力矩影響；補償鏡支撐軸承選用無接觸、無摩擦的撓性樞軸作為小角度擺動支撐部件，撓性樞軸具有無滾動摩擦、防冷焊、精度高等優點。本項目的像移補償角度為0.9554°，因此選擇5032-800WC型號樞軸，根據器件手冊可知該樞軸在±13°旋轉范圍內可滿足無限壽命。

2.2 像移補償控制系統設計

根據微光成像儀光學系統設計結果，控制系統運動帶寬需大于100 Hz，控制精度需優于±1″，掃描速度波動量不超過0.001 03（°）/s，為了達到該指標，需構建一套高帶寬高精度控制系統，使補償鏡機構在50 ms的時間內完成如下3個步驟：1）補償鏡由4.506 6（°）/s的掃描速度減速到停止，到達正極限位置0.961 8°；2）從正極限位置迅速反轉至–0.961 8°的負極限位置并停止；3）由負極限位置加速至速度為4.506 6（°）/s，并穩定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范圍內。

其中步驟3）可用速度階躍響應進行控制系統指標分析，該控制系統可簡化為標準二階系統[16]，其數學模型如圖3所示，其中()為系統輸入，()為壓差，()為系統輸出。

圖3 控制系統簡化模型

根據控制系統穩定性理論[17]，將校正后阻尼比調節為最優的0.707，對應的像移補償機構輸出對電壓的階躍響應如圖4所示。

圖4 控制系統階躍響應

控制系統帶寬n的表達式為

式中s為上升時間；ts為穩定的門限值，按指標要求掃描速度穩定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范圍內，則ts=0.001 03/4.506 6=0.000 228。補償鏡要在50 ms之內完成3個步驟，留2 ms余量，3個步驟用時均分48 ms，則取s=16 ms，代入式（1）可得n=1 235.2 rad/s（即196.6 Hz）。設計結果滿足帶寬要求。

像移補償控制系統采用DSP（數字信號處理）+FPGA（現場可編程門陣列）架構，其中DSP負責完成像移補償控制閉環算法計算、指令解析、流程控制等任務，FPGA主要實現CAN（控制器局域網）總線通信、電機驅動PWM（脈沖寬度調制）信號生成、電機電流采樣AD（模數轉換）控制、光電編碼器通訊與視頻控制信號生成等功能。采用基于位置反饋的控制方式，實現對規劃掃描運動軌跡指令的跟蹤控制[14]，整個系統基于DSP完成控制律的全數字化實現。補償鏡機構控制系統的控制流程如圖5所示。

圖5 補償鏡機構控制系統組成

控制算法采用3環（電流環、速度環、位置環）閉環設計。由于補償鏡運動為周期性運動，故采用前饋控制以提高跟蹤精度[15]。控制系統各環控制流程如圖6所示。

圖6 控制算法流程

圖6（c）中，C()表示校正環節，m()表示對象特性，m–1()表示對象特性的逆[18]，d()表示指令角度，()表示實際轉動角度。控制系統傳函的波特圖如圖7所示。其中，開環穿越頻率14.7 Hz，相角裕度58.9°。100 Hz處的幅值裕度26.2 dB，–3 dB處的閉環帶寬25 Hz。

圖7 控制系統波特圖

使用Matlab對控制系統進行了仿真，補償鏡的控制精度如圖8所示。由圖8（b）的仿真結果可以看出：像移補償機構加電運行0.2 s后進入穩態，穩態控制誤差小于±1″，滿足系統分解的控制精度要求。

圖8 補償鏡控制誤差仿真結果

3 像移補償機構軸角測量誤差校正

根據光學系統設計結果，角度測量精度需優于±0.5″。這一指標要求已經超過了國內測角元件的極限精度，目前國內宇航用光電編碼器測角精度約為±3″，不滿足像移補償精度需求[19]，必須通過光學標定的方法進行誤差校正[20]，將測角精度提升至0.5″。本文采用的光學標定測試系統如圖9所示，由光電自準直儀（測量精度±0.25″）、像移補償機構、控制器、上位機組成。其中，光電自準直儀測試補償鏡的旋轉角度，補償控制電路采集碼盤角度，然后將該角度信息上傳給上位機采集，通過比對自準直儀和碼盤之間的角度得到誤差，將碼盤角度校正至0.5″之內。

補償鏡碼盤角度誤差曲線如圖10所示，校正后角度測量精度優于±0.35″（RMS值），滿足±0.5″的角度測量精度要求。

圖9 光學標定測試系統

圖10 補償鏡碼盤角度測量誤差（校正后）

4 試驗驗證

為了驗證像移補償機構對衛星飛行運動的補償效果，設計了一套地面驗證裝置。驗證系統由相機、像移補償機構、高精度轉臺、平行光管、光源、靶標等構成。測試時將帶有像移補償機構的相機安裝至測試轉臺上，采用景物模擬器和平行光管模擬無窮遠景物[21]，再控制高精度轉臺以一定的速度勻速轉動，同時控制像移補償機構以相同的速度反向轉動，此時兩者的運動相互抵消，實現凝視成像[22]。

像移補償機構應用速度為4.506 6（°）/s，轉臺以4.506 6（°）/s的速度反方向旋轉，未開像移補償機構和開啟像移補償機構時對應的靶標成像效果分別如圖11所示。未開像移補償機構和開啟像移補償機構的細節對比見圖12。

通過對成像品質進行測試，未開啟像移補償機構時圖像抖動約21個像元。開啟像移補償機構后圖像清晰無明顯抖動，經圖像處理[23]計算得到抖動約0.2個像元。根據相機的光學系統設計，瞬時視場角為3″，0.2像元對應反射鏡精度為0.6″。試驗結果證明像移補償機構控制精度優于±1"，說明像移補償系統具有良好的補償效果。

圖11 未開像移補償（左）和開啟像移補償（右）的靶標成像效果

圖12 未開像移補償（左）和開啟像移補償（右）靶標成像的細節對比

5 結束語

微光條件下遙感器入瞳能量大幅下降，面陣探測器需通過凝視成像才能滿足信噪比要求[24]。本文提出了一種基于中繼光學平行光路的像方掃描像移補償方法，設計了一套高精度像移補償機構及其控制系統，仿真及試驗驗證結果表明：所設計的像移補償系統具有良好的補償效果，通過誤差校正可將像移抑制在0.2個像元之內，能夠滿足微光條件下星載遙感器提升信噪比的需求，具有較強的工程應用性。

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Design and Control Methods Research of a Motion Compensation System under Low-Light-Level Imaging Condition

KANG Jianbing WANG Yun YU Tingting LIN Zhe

(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)

In comparison with the radiation of the ground targets at daylight, under low-light-level imaging condition, the radiation could be reduced to one in a million for a remote sensing system. Among various measures to improve the ability to detect low-light-level signal, longer exposure time is considered as a direct and effective step, which is essentially difficult to acquire in a low-earth-orbit system. In order to stare at target, a solution of line of sight stabilization was provided by means of the image motion compensation mechanism in this paper. In time of exposure, a motionless focal plane targets relative to ground targets was accomplished with low-light-level imaging ability. The research of design and control methods of a motion compensation system under low-light-level imaging condition is elaborated. Simulation and test results indicate that the motion compensation system can compensate image motion less than 0.2 pixels, providing an excellent solution to low-light-level sensing.

low-light-level sensing; image motion compensation; line of sight stabilization; signal noise ratio(SNR); space remote sensor

V445

A

1009-8518(2023)04-0039-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.005

2022-10-08

國家自然科學基金（B2YG1460）

康建兵, 王蕓, 于婷婷, 等. 微光條件下遙感器像移補償機構設計及控制方法[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(4): 39-47.

KANG Jianbing, WANG Yun, YU Tingting, et al. Design and Control Methods Research of a Motion Compensation System under Low-Light-Level Imaging Condition[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(4): 39-47. (in Chinese)

康建兵，男，1979年生，2005年獲西安交通大學測控技術專業碩士學位，高級工程師。主要從事遙感器機構控制技術研究。E-mail：7285585@qq.com。

（編輯：夏淑密）