鄭君 張孝弘 雷文平 李坤 張占東 齊少凡 李富強

(北京空間機電研究所，北京 100094)

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一種大幅寬空間光學遙感器調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭君 張孝弘 雷文平 李坤 張占東 齊少凡 李富強

(北京空間機電研究所，北京 100094)

傳統(tǒng)調(diào)焦控制系統(tǒng)的驅(qū)動力和體積大小，已無法滿足大幅寬空間光學遙感器大焦面調(diào)焦的需求，為此，文章提出了一種雙路直線驅(qū)動調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計。調(diào)焦控制系統(tǒng)通過焦面位置遙測單元的精確測量和焦面調(diào)焦控制單元的自主決策原則，運用分步調(diào)焦、實時監(jiān)控、實時調(diào)整的閉環(huán)反饋控制方法，實現(xiàn)高精度、高可靠性的大焦面調(diào)焦控制。該系統(tǒng)設(shè)計具有調(diào)焦驅(qū)動力大、調(diào)焦精度高、調(diào)焦機構(gòu)設(shè)計簡單和調(diào)焦可靠性高等特點。調(diào)焦性能測試和外景成像試驗，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。該設(shè)計可用于大幅寬空間光學遙感器的調(diào)焦控制，從而保證光學遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)及成像質(zhì)量。

空間光學遙感器；調(diào)焦控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制；編碼器

1 引言

為了保證大幅寬空間光學遙感器的成像質(zhì)量和幾何精度，設(shè)計一套高精度、高穩(wěn)定性的調(diào)焦控制系統(tǒng)是十分必要的。這是因為：①由于大幅寬空間光學遙感器的光學系統(tǒng)焦距較長，衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動、沖擊，以及復(fù)雜多變的在軌溫度、壓力等環(huán)境，可能會導致成像系統(tǒng)偏離焦平面[1-3]。離焦是影響成像質(zhì)量的重要因素，將導致光學遙感器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)下降，從而降低成像分辨率，直接影響幾何精度[4]。②在軌的最佳焦面位置與在地面常溫常壓實驗室狀態(tài)下的焦面位置，以及真空常溫條件下的焦面位置，可能都會存在差異，必要時要進行在軌調(diào)焦[4]。③地球本身的橢圓特征、地表景物絕對高度的參差不齊，以及光學遙感器的變軌成像功能，也要求具備在軌實時調(diào)焦能力[2]。中巴地球資源衛(wèi)星-02B(CBERS-02B)在軌測試期間，進行了在軌調(diào)焦，取得了明顯效果[4]。美國艾科諾斯-2(IKNOS-2)衛(wèi)星在軌也經(jīng)歷了多次調(diào)焦過程。世界觀測-1(Worldview-1)衛(wèi)星和地球之眼-1(GeoEye-1)衛(wèi)星經(jīng)在軌測試調(diào)整，確定了光學遙感器的最佳焦面位置[5]。

文獻[1，3]中闡述了遙感器中一般常用的凸輪調(diào)焦機構(gòu)、絲杠螺母調(diào)焦(螺紋調(diào)焦)機構(gòu)和連桿調(diào)焦機構(gòu)的調(diào)焦設(shè)計方案，但是這3種方式對于結(jié)構(gòu)布局非常緊湊的大焦面來說，存在一定的局限性，占有較大的空間。本文以確保遙感器成像質(zhì)量為出發(fā)點，提出了一種雙路直線驅(qū)動高精度調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計，采用軟硬件結(jié)合設(shè)計的閉環(huán)控制方法，調(diào)焦驅(qū)動力大，可靠性高，在確保光學遙感器的光學高穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高精度調(diào)焦。

2 調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

光學系統(tǒng)不同，應(yīng)用領(lǐng)域不同，調(diào)焦方式也不同。光學遙感器常用的調(diào)焦方式有鏡頭調(diào)焦、反射鏡調(diào)焦和焦面調(diào)焦3種[1]。鏡頭調(diào)焦通過移動光學鏡頭的方式改變光學間隔實現(xiàn)調(diào)焦，反射式光學系統(tǒng)中，主鏡和次鏡對成像質(zhì)量影響較大，一般不作為調(diào)焦對象，而常采用三鏡調(diào)焦方式[3]。高分二號(GF-2)衛(wèi)星的高分辨率光學遙感器就采用三鏡調(diào)焦方式進行調(diào)焦設(shè)計[6]。反射鏡調(diào)焦通過移動在光學系統(tǒng)中起折轉(zhuǎn)光路作用的反射鏡進行調(diào)焦，常用于后截距較長、調(diào)焦精度較高的光學系統(tǒng)中。資源三號(ZY-3)衛(wèi)星多光譜相機通過調(diào)整平面鏡位置可實現(xiàn)焦面位置的調(diào)整[7]。焦面調(diào)焦的優(yōu)點是能讓光學系統(tǒng)保持很好的穩(wěn)定性，適用于對光學系統(tǒng)非常敏感、穩(wěn)定性要求高的光學遙感器。

對于大幅寬的光學遙感器，調(diào)整大尺寸的三鏡或反射鏡位置對成像質(zhì)量非常敏感，其微小的角度變化都會使CCD光敏面偏離光學系統(tǒng)的焦平面，將直接導致MTF下降，其函數(shù)表達式為[8]

(1)

式中：M為離焦的MTF值；J1為一階貝塞爾函數(shù)；S為軸向離焦量；NA=D/(2f)=1/(2F)，其中，D/f=1/F，D為入射光瞳直徑，f為光學系統(tǒng)的焦距，F(xiàn)為相對孔徑的倒數(shù)。

式(1)顯示了遙感器離焦直接影響MTF的大小。因此，在調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計中，本文采用焦面部件移動方式，有利于保證光學遙感器自身成像性能和幾何精度的穩(wěn)定性。但是，大幅寬勢必導致焦面結(jié)構(gòu)長度跨度大，焦面結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計規(guī)模大，質(zhì)量大；同時，長焦面結(jié)構(gòu)中間空間狹小，可利用空間不足。因此，采用焦面調(diào)焦需要解決的關(guān)鍵問題是：①要滿足大驅(qū)動力的需求；②調(diào)焦機構(gòu)占用空間小。為此，本文提出焦面兩端采用雙路直線驅(qū)動+閉環(huán)反饋控制的大焦面調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計。如圖1所示，調(diào)焦控制系統(tǒng)包括電機1和2的驅(qū)動單元、焦面位置1和2的遙測單元、焦面調(diào)焦控制單元。電機1和2的驅(qū)動單元由2個相同的直線步進電機組成，分別安裝在焦面兩端。電機內(nèi)部直接實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)化，體積小，性能好，特別適用于在極其有限的空間內(nèi)實現(xiàn)高性能和長久應(yīng)用的場合。焦面調(diào)焦控制單元根據(jù)地面注入的調(diào)焦控制需求，依據(jù)自主決策原則產(chǎn)生相應(yīng)直線步進電機的驅(qū)動脈沖信號，同時根據(jù)焦面位置遙測單元的遙測信號，實行閉環(huán)控制，完成焦面位置快速、準確的調(diào)整。

調(diào)焦分辨率是指焦面能移動的最小值，指電機每運行一個步距角所對應(yīng)的焦面移動量，一般應(yīng)小于光學遙感器半焦深的1/5[9]，焦深|±Δ|根據(jù)式(2)求得。

(2)

式中：λ為光學遙感器工作的中心波長。

調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之處在于遙測和控制的準確性和可靠性。因此，要解決2個難題：①保證同步驅(qū)動一致性的問題；②保證系統(tǒng)高可靠性的問題。采用雙路直線驅(qū)動存在焦面兩端移動不同步、不一致的問題，從而導致焦面傾斜的風險，影響成像質(zhì)量。對應(yīng)的解決方案是采用閉環(huán)反饋控制。調(diào)焦控制系統(tǒng)實時讀取2套焦面位置遙測單元的遙測信號來確定焦面兩端的實際位置，同時通過實時比對遙測結(jié)果來判斷2個電機的同步性，并修正驅(qū)動脈沖，滿足焦面兩端位置一致。為保證系統(tǒng)的高可靠性，電路系統(tǒng)中都采用成熟的功能模塊化設(shè)計，針對關(guān)鍵的電路功能模塊之間的接口，須加強硬件接口電路可靠性設(shè)計。

注：ASI為異步串行接口。圖1 調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 Project design of focusing control system

2.2 焦面位置遙測單元設(shè)計

焦面位置遙測單元的作用是實現(xiàn)調(diào)焦過程中焦面位置的精確測量。一般，采用電位計測量焦面移動位置是最簡單的遙測方法，但是，無論是普通機電式電位計，還是數(shù)字電位計，都有測試精度不高、測量范圍小的局限性。為此，本文焦面位置遙測單元采用多圈絕對值式光電旋轉(zhuǎn)編碼器測量系統(tǒng)，包括：編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和編碼器信號處理系統(tǒng)。編碼器測量角度精度高，16位的編碼器分辨率達到0.005°，且測量范圍寬，能記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。如圖2所示，編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安裝在直線電機的后部，為電機旋轉(zhuǎn)軸的每一個位置提供唯一的編碼數(shù)值，實時將角度信息轉(zhuǎn)換成模擬信號，送入編碼器信號處理系統(tǒng)，得到多圈絕對值式的角度值[10-11]。焦面調(diào)焦控制單元將電機旋轉(zhuǎn)的角度值換算成軸向的直線距離，就可實現(xiàn)焦面位置的精確測量。

焦面位置遙測單元關(guān)鍵接口電路有兩處：①編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出接口。編碼器光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向編碼器信號處理系統(tǒng)輸出的模擬信號接口采用交叉主備份設(shè)計方案，既有光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主備份電路設(shè)計，又有輸出接口的主備份設(shè)計，具有高可靠性特點。②編碼器信號處理系統(tǒng)輸出接口。相對一般通用的數(shù)據(jù)傳輸方式(并行傳輸和同步串行傳輸)，本文采用的編碼器信號處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出方式為ASI傳輸方式，在約定的波特率下，遙測數(shù)據(jù)由編碼器信號處理系統(tǒng)傳向焦面調(diào)焦控制單元。為保證可靠傳輸數(shù)據(jù)，編碼器信號處理系統(tǒng)和焦面調(diào)焦控制單元之間的硬件接口電路也采用交叉主備份設(shè)計方案。

圖2 焦面位置遙測單元原理示意Fig.2 Schematic diagram of focal plane position telemetry unit

2.3 焦面調(diào)焦控制單元設(shè)計

2.3.1 硬件設(shè)計

焦面調(diào)焦控制單元(見圖3)包括反饋控制模塊、電機脈沖驅(qū)動模塊和電源模塊。反饋控制模塊是調(diào)焦控制系統(tǒng)的控制核心，其基本功能是：接收光學遙感器控制平臺的調(diào)焦控制需求(調(diào)焦距離+調(diào)焦方向)；同時接收焦面位置遙測單元的遙測信號來確定焦面結(jié)構(gòu)的實際位置，并經(jīng)過實時處理產(chǎn)生雙路直線電機的相應(yīng)脈沖時序信號。電源模塊主要是為整個焦面調(diào)焦控制單元提供電能。電機脈沖驅(qū)動模塊是執(zhí)行組件，根據(jù)反饋控制模塊輸入的步進電機脈沖控制信號，產(chǎn)生步進電機所需的驅(qū)動信號。

為確保焦面兩端調(diào)焦的同步性、一致性，反饋控制模塊要具備：①實現(xiàn)2個電機驅(qū)動脈沖的時序同步，即時序控制同源性；②能夠?qū)崿F(xiàn)任意一個電機的單獨驅(qū)動調(diào)整工作；③實時比較2個電機的同步性，并修正驅(qū)動脈沖滿足焦面兩端位置同步。

(1)時序控制同源性的實現(xiàn)。如圖3所示，反饋控制模塊向電機脈沖驅(qū)動模塊1和2同時輸出電機同步脈沖時序信號，并保證信號傳輸路徑的長度一致，這樣可以滿足時序控制的“同源性”。也就是說：①路徑a與路徑a′的長度之和應(yīng)等于路徑b與路徑b′的長度之和；②電機脈沖驅(qū)動模塊1和2同時工作。

(2)單電機驅(qū)動調(diào)整的實現(xiàn)。在實現(xiàn)時序控制同源性的情況下，若某個電機在前進或后退過程中遇到阻力，出現(xiàn)實際的直線運行距離與指令要求的脈沖信號不匹配，即出現(xiàn)“丟步”情況。這時能根據(jù)實際遙測位置值來進行相應(yīng)電機的單獨驅(qū)動調(diào)整。如圖3所示，反饋控制模塊輸出使能信號1和使能信號2。在同源時序驅(qū)動工作模式時，兩路使能信號同時為高電平，允許2個電機脈沖驅(qū)動模塊同時工作。若判斷出某個電機出現(xiàn)“丟步”情況，該電機脈沖驅(qū)動模塊收到的使能信號為高電平，其模塊處于工作狀態(tài)，同時使另一個電機脈沖驅(qū)動模塊收到的使能信號為低電平，使其模塊處于待機狀態(tài)，這樣就可以滿足單獨調(diào)整某電機的前進或者后退。如表1所示，使能信號1與使能信號2的不同組合，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)焦控制系統(tǒng)的4種工作模式。

圖3 焦面調(diào)焦控制單元結(jié)構(gòu)Fig.3 Focusing control unit structure

使能信號1使能信號2電機脈沖驅(qū)動模塊1電機脈沖驅(qū)動模塊2工作模式說明高電平高電平工作狀態(tài)工作狀態(tài)同源時序模式高電平低電平工作狀態(tài)待機狀態(tài)電機1調(diào)整模式低電平高電平待機狀態(tài)工作狀態(tài)電機2調(diào)整模式低電平低電平待機狀態(tài)待機狀態(tài)待機模式

2.3.2 軟件設(shè)計

調(diào)焦控制系統(tǒng)可實現(xiàn)分步調(diào)焦，實時監(jiān)控，實時調(diào)整。硬件設(shè)計上實現(xiàn)了時序控制同源性和單電機驅(qū)動可調(diào)性，為軟件的實施提供了保障。如圖4所示，軟件工作流程就是根據(jù)地面上注的調(diào)焦需求，依據(jù)自主判斷原則確定調(diào)焦步長的策略。如果調(diào)焦步長D較大，則首先進行粗調(diào)，將大步調(diào)整化解成多個小步數(shù)dn調(diào)整，即D=d1+d2+d3+…+dn(n=1，2,3，…)；進入精調(diào)范圍時，按照最小步長dmin=1進行調(diào)整。無論是粗調(diào)還是精調(diào)，每次調(diào)焦都要進行距離比較。由于執(zhí)行機構(gòu)機械間隙的因素，兩端的絕對位置不可能與理論計算結(jié)果完全相等。根據(jù)間隙誤差分析得到的允許最大公差為

(3)

式中：L1和L2為編碼器1和2的角度值；L0為焦面兩端絕對位置相差所允許的最大值。

根據(jù)焦面移動距離比對結(jié)果作出實時調(diào)整，對移動位置小的一端進行單獨修正，目的就是確保每走一步都能滿足焦面兩端的移動同步性，避免焦面結(jié)構(gòu)傾斜，確保成像質(zhì)量。

圖4 調(diào)焦控制系統(tǒng)工作流程Fig.4 Working flow of focusing control system

3 試驗驗證與結(jié)果分析

試驗驗證包括實驗室里的性能測試和實地外景成像測試。通過精確的數(shù)據(jù)測試和實物圖像拍攝測試，能充分驗證調(diào)焦控制系統(tǒng)的設(shè)計效果。

3.1 調(diào)焦控制系統(tǒng)性能測試驗證

3.1.1 測試驗證方案

根據(jù)式(2)求得本文驗證用光學遙感器的焦深，調(diào)焦分辨率設(shè)計值應(yīng)小于半焦深的1/5，設(shè)計數(shù)值應(yīng)優(yōu)于0.002 0 mm才能滿足調(diào)焦精度要求。綜合考慮機械加工誤差、裝配裝調(diào)誤差，以及在軌工作溫度均衡變化等環(huán)境因素引起的遙感器光學系統(tǒng)變化，分析確定遙感器焦平面在光軸方向±2.00 mm的調(diào)焦行程可滿足調(diào)焦范圍要求。同時，根據(jù)光學系統(tǒng)仿真，焦面移動的角偏精度須優(yōu)于10″的設(shè)計要求。為了充分驗證上述性能指標，在潔凈度10萬級的實驗室里進行直線度測試和精度測試。

直線度測試采用經(jīng)緯儀測角法。如圖5所示，在焦面機構(gòu)中間粘貼了基準鏡，測試時，經(jīng)緯儀瞄準基準鏡，將調(diào)焦機構(gòu)由一個極限位置經(jīng)中間位置移向另一個極限位置，分別記下經(jīng)緯儀在各個位置的水平角和豎直角的讀數(shù)，通過不同位置的角度來判斷調(diào)焦過程中焦面機構(gòu)運動的直線性。

圖5 調(diào)焦控制系統(tǒng)測試Fig.5 Test of focusing control system

3.1.2 測試驗證結(jié)果與分析

調(diào)焦范圍測試結(jié)果見表2，直線性測試結(jié)果見表3，調(diào)焦精度測試結(jié)果見表4，殘差Si統(tǒng)計曲線見圖6。分析可得：

(1)實際測試范圍為±2.72mm，優(yōu)于調(diào)焦范圍設(shè)計要求±2.00mm。

(2)實際測試驗證結(jié)果優(yōu)于0.001 8mm，優(yōu)于調(diào)焦分辨率設(shè)計要求0.002 0mm。

(3)根據(jù)表2，大范圍移動時，焦面在水平角和豎直角方向的偏角變化在6″以內(nèi)，滿足10″的設(shè)計要求。

(4)根據(jù)表3，小范圍移動時，焦面在水平角和豎直角方向的偏角變化在1″以內(nèi)，滿足10″的設(shè)計要求。

(5)根據(jù)表4和圖6，由式(4)和式(5)得出調(diào)焦系統(tǒng)的最大誤差為3σ=3×0.000 4=0.001 2mm。在±2.176 0mm調(diào)焦行程范圍內(nèi)，最大誤差為1.2μm。參照文獻[1，3，9]的測試情況，從調(diào)焦精度測試效果來看，性能測試結(jié)果較好。

表2 調(diào)焦控制系統(tǒng)范圍測試

表3 調(diào)焦控制系統(tǒng)直線性測試

表4 調(diào)焦精度測試

圖6 殘差Si統(tǒng)計曲線Fig.6 Statistical curve of Si

3.2 調(diào)焦控制系統(tǒng)外景成像試驗驗證

通過實景拍攝更為直觀地驗證調(diào)焦控制系統(tǒng)的性能。圖7為某高樓的成像全景圖(目標距離2.8 km)。圖8為圖7中藍色標識處的局部放大圖，其中圖8(a)為非最佳焦面處的成像效果，圖8(b)為最佳焦面處的成像效果，兩者成像效果對比非常明顯。圖8(c)為圖8(b)中紅色標識處的局部放大圖，其中空調(diào)的防護網(wǎng)清晰可見。試驗結(jié)果表明，調(diào)焦精度高，調(diào)焦效果好。

圖7 調(diào)焦試驗成像全景圖Fig.7 Imaging panorama of focusing test

圖8 調(diào)焦試驗成像局部圖Fig.8 Imaging local graph of focusing test

4 結(jié)束語

本文采用雙路直線驅(qū)動和高精度、高可靠性的焦面位置遙測設(shè)計，結(jié)合基于自主決策的閉環(huán)反饋控制方法，設(shè)計了大幅寬空間光學遙感器調(diào)焦控制系統(tǒng)。試驗驗證結(jié)果表明，該調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計精度高、可靠性好，在軌可以實現(xiàn)焦面調(diào)整到最佳位置，從而保證系統(tǒng)MTF，提高成像分辨率，提高幾何精度，確保成像質(zhì)量。這對大幅寬空間光學遙感器的研制具有重要意義。

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(編輯：夏光)

Design of Focusing Control System for Wide Swath Space Optical Remote Sensor

ZHENG Jun ZHANG Xiaohong LEI Wenping LI Kun ZHANG Zhandong QI Shaofan LI Fuqiang

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

The traditional focusing control system can not yet satisfy the requirements of large drive force and small size for space optical remote sensor with wide swath. To resolve these problems，the paper proposes a focusing control system design with dual linear drive which can achieve high precision and high reliability focusing control. The focusing control system adopts focal plane position telemetry unit with accurate measurement，focusing control unit with the principle of self-determination， and closed-loop feedback control method including step by step focusing，real-time monitoring and real-time adjustment. The focusing control system can meet the requirements of design，such as large driving force，high precision，concise design and high reliable scheme. The focusing control system is verified by the focusing capacity test and imaging test on the ground，and can be applied to space optical remote sensor with wide swath to ensure the system MTF and imaging quality.

space optical remote sensor； focusing control system； closed-loop control；encoder

2016-10-14；

2017-03-14

國家重大航天工程

鄭君，男，碩士，工程師，研究方向為空間光學遙感器電子學總體設(shè)計。Email:zhj1766@163.com。

TB811；P407.4

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.009