康建兵 王蕓 于婷婷 林喆

微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計及控制方法

康建兵 王蕓 于婷婷 林喆

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

夜間成像時，遙感成像地面目標(biāo)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(wù)中其實(shí)現(xiàn)卻受到極大限制。為完成探測目標(biāo)凝視，文章提出通過光路中的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光軸穩(wěn)定的解決方案，補(bǔ)償了相機(jī)相面與地物的相對運(yùn)動，在曝光時間內(nèi)使探測器相面景物與地物景物保持相對靜止，從而實(shí)現(xiàn)靈活微光成像模式；具體闡述了微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的設(shè)計和控制方法，對其原理及設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析，并進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計的像移補(bǔ)償系統(tǒng)可將圖像抖動補(bǔ)償至0.2像元之內(nèi)，為低軌遙感微光成像系統(tǒng)提供了優(yōu)異的解決途徑。

微光成像 像移補(bǔ)償 光軸穩(wěn)定 信噪比 星載遙感器

0 引言

微光條件下遙感相機(jī)入瞳能量僅為白天的10–6，達(dá)到信噪比指標(biāo)需要的理論成像時間為白天的 16 000倍。傳統(tǒng)的TDI（時間延遲積分）模式受器件級數(shù)、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(tǒng)級駐留技術(shù)來獲得地物信息在探測器上的長穩(wěn)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(bǔ)償機(jī)構(gòu)[2]，補(bǔ)償探測器在軌運(yùn)動方向產(chǎn)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(bǔ)償方案主要有以下幾種[4]：1）移動光學(xué)元件補(bǔ)償。采用光學(xué)方法通過移動或旋轉(zhuǎn)光路中部分光學(xué)元件，使最終照射到成像介質(zhì)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(nèi)焦平面與跟蹤對象保持相對靜止；缺陷是系統(tǒng)復(fù)雜，精密補(bǔ)償控制難度大[5]。2）焦平面平移補(bǔ)償。通過控制焦平面的同步運(yùn)動使目標(biāo)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(jìn)行補(bǔ)償。3）電子式像移補(bǔ)償。通過電荷轉(zhuǎn)移方式在曝光時間內(nèi)控制相機(jī)感光面上的電荷轉(zhuǎn)移速度，使其等于目標(biāo)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(bǔ)償。通過建立像移引起的圖像退化數(shù)學(xué)模型，對存在像移的圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)；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(yīng)用。

微光成像用星載相機(jī)具有遠(yuǎn)距、長焦、高分辨率的特點(diǎn)，對于采用面陣探測器的微光相機(jī)來說，傳統(tǒng)的像移補(bǔ)償方法，如縮短曝光時間、TDI CCD補(bǔ)償、焦平面平移補(bǔ)償、電子學(xué)像移補(bǔ)償?shù)确椒ň贿m用[8]，必須采用基于快速反射鏡的新型高精度像移補(bǔ)償技術(shù)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(shè)計了一套快速反射鏡補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，具有高剛度、高帶寬、高精度的特點(diǎn)，并設(shè)計了一套快速反射鏡的控制系統(tǒng)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明可滿足星載遙感器微光成像需求。

1 像移補(bǔ)償需求分析

對于面陣探測器來說，探測器感光介質(zhì)在秒級的曝光時間內(nèi)，目標(biāo)景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的像與探測器焦平面感光像元間存在相對運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致探測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)下降、成像模糊[10]。因此，需在相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)造快速反射鏡機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跟隨衛(wèi)星運(yùn)動的相面勻速補(bǔ)償，以彌補(bǔ)衛(wèi)星運(yùn)動像移。

根據(jù)微光成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，對像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)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(yōu)于±0.5″，控制精度需優(yōu)于±1″，掃描速度波動量不超過0.001 03（°）/s。根據(jù)該要求規(guī)劃補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡具體如圖1所示。

圖1 補(bǔ)償鏡運(yùn)動軌跡

圖1中，像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)勻速掃描段0長度為424 ms，此區(qū)間補(bǔ)償鏡從–0.955 4°運(yùn)行到+0.955 4°，旋轉(zhuǎn)速度為4.506 6（°）/s，在此階段相機(jī)成像。復(fù)位段1長度為50 ms，在此區(qū)間補(bǔ)償鏡從+0.955 4°運(yùn)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(yùn)行到–0.961 8°的負(fù)極限位置，速度降為0（°）/s，然后再從負(fù)極限位置加速運(yùn)動到–0.955 4°，復(fù)位段結(jié)束，在復(fù)位段內(nèi)相機(jī)不成像。

根據(jù)上述指標(biāo)，像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)為：補(bǔ)償鏡50 ms內(nèi)完成回位并迅速穩(wěn)定，要求運(yùn)動帶寬優(yōu)于100 Hz，機(jī)構(gòu)基頻高于600 Hz；控制精度優(yōu)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(jìn)控制算法，以實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)的穩(wěn)定切換；角度測量精度優(yōu)于±0.5″已經(jīng)超過了國內(nèi)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(chǔ)上采用光學(xué)方法進(jìn)行誤差校正。

2 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制方案

系統(tǒng)對像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡要求分解為組件指標(biāo)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)的基頻高（600 Hz以上）、控制帶寬高（50 ms完成換向并穩(wěn)定）以及控制精度精度高（優(yōu)于±1″），下面針對上述難點(diǎn)分別闡述機(jī)構(gòu)和控制器的設(shè)計方案。

2.1 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)采用經(jīng)典的前置無焦系統(tǒng)+中間平行光路+成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在平行光路安裝像移補(bǔ)償反射鏡，對衛(wèi)星在軌運(yùn)行產(chǎn)生的俯仰像移進(jìn)行補(bǔ)償[13]。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的，像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計時將像移補(bǔ)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(tǒng)較為緊湊。

補(bǔ)償鏡基座采用U型架構(gòu)型，選用鈦合金整體鑄造，筋板厚度為4 mm，同時通過加強(qiáng)筋等方式保證結(jié)構(gòu)剛度。像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)如圖2所示，補(bǔ)償鏡組件通過樞軸安裝在基座上，采用音圈電機(jī)驅(qū)動、光電編碼器測角，電機(jī)、光電編碼器同軸安裝在基座兩側(cè)。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(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用輕量化高穩(wěn)定SiC（碳化硅）補(bǔ)償鏡，為了減小溫度變形不匹配所導(dǎo)致的鏡面面形差，與補(bǔ)償鏡連接的限位擋塊、樞軸座、過渡軸均采用與補(bǔ)償鏡熱膨脹系數(shù)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(bǔ)償鏡裝配后，采用組合加工的方式來保證兩側(cè)安裝樞軸孔、電機(jī)安裝孔的同軸度。通過基座構(gòu)型設(shè)計、補(bǔ)償鏡輕量化高穩(wěn)定設(shè)計、材料選型及裝配后組合加工等措施，可保證機(jī)構(gòu)支撐剛度達(dá)800 Hz以上，能夠滿足機(jī)構(gòu)基頻高于600 Hz的要求。

影響補(bǔ)償線性度的關(guān)鍵因素是補(bǔ)償軸系摩擦的力矩波動量和電機(jī)的控制性能[13]。軸系組件采用無齒槽力矩的音圈電機(jī)作為驅(qū)動元件，音圈電機(jī)有高加速度、高速度、快速響應(yīng)、平滑力特性等優(yōu)良性能，無齒槽力矩影響；補(bǔ)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(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的像移補(bǔ)償角度為0.9554°，因此選擇5032-800WC型號樞軸，根據(jù)器件手冊可知該樞軸在±13°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可滿足無限壽命。

2.2 像移補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)微光成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，控制系統(tǒng)運(yùn)動帶寬需大于100 Hz，控制精度需優(yōu)于±1″，掃描速度波動量不超過0.001 03（°）/s，為了達(dá)到該指標(biāo)，需構(gòu)建一套高帶寬高精度控制系統(tǒng)，使補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)在50 ms的時間內(nèi)完成如下3個步驟：1）補(bǔ)償鏡由4.506 6（°）/s的掃描速度減速到停止，到達(dá)正極限位置0.961 8°；2）從正極限位置迅速反轉(zhuǎn)至–0.961 8°的負(fù)極限位置并停止；3）由負(fù)極限位置加速至速度為4.506 6（°）/s，并穩(wěn)定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范圍內(nèi)。

其中步驟3）可用速度階躍響應(yīng)進(jìn)行控制系統(tǒng)指標(biāo)分析，該控制系統(tǒng)可簡化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)[16]，其數(shù)學(xué)模型如圖3所示，其中()為系統(tǒng)輸入，()為壓差，()為系統(tǒng)輸出。

圖3 控制系統(tǒng)簡化模型

根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性理論[17]，將校正后阻尼比調(diào)節(jié)為最優(yōu)的0.707，對應(yīng)的像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)輸出對電壓的階躍響應(yīng)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

控制系統(tǒng)帶寬n的表達(dá)式為

式中s為上升時間；ts為穩(wěn)定的門限值，按指標(biāo)要求掃描速度穩(wěn)定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范圍內(nèi)，則ts=0.001 03/4.506 6=0.000 228。補(bǔ)償鏡要在50 ms之內(nèi)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(shè)計結(jié)果滿足帶寬要求。

像移補(bǔ)償控制系統(tǒng)采用DSP（數(shù)字信號處理）+FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）架構(gòu)，其中DSP負(fù)責(zé)完成像移補(bǔ)償控制閉環(huán)算法計算、指令解析、流程控制等任務(wù)，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)CAN（控制器局域網(wǎng)）總線通信、電機(jī)驅(qū)動PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號生成、電機(jī)電流采樣AD（模數(shù)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對規(guī)劃掃描運(yùn)動軌跡指令的跟蹤控制[14]，整個系統(tǒng)基于DSP完成控制律的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)組成

控制算法采用3環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）閉環(huán)設(shè)計。由于補(bǔ)償鏡運(yùn)動為周期性運(yùn)動，故采用前饋控制以提高跟蹤精度[15]?？刂葡到y(tǒng)各環(huán)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(huán)節(jié)，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(shí)際轉(zhuǎn)動角度。控制系統(tǒng)傳函的波特圖如圖7所示。其中，開環(huán)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(huán)帶寬25 Hz。

圖7 控制系統(tǒng)波特圖

使用Matlab對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，補(bǔ)償鏡的控制精度如圖8所示。由圖8（b）的仿真結(jié)果可以看出：像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)加電運(yùn)行0.2 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)控制誤差小于±1″，滿足系統(tǒng)分解的控制精度要求。

圖8 補(bǔ)償鏡控制誤差仿真結(jié)果

3 像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)軸角測量誤差校正

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，角度測量精度需優(yōu)于±0.5″。這一指標(biāo)要求已經(jīng)超過了國內(nèi)測角元件的極限精度，目前國內(nèi)宇航用光電編碼器測角精度約為±3″，不滿足像移補(bǔ)償精度需求[19]，必須通過光學(xué)標(biāo)定的方法進(jìn)行誤差校正[20]，將測角精度提升至0.5″。本文采用的光學(xué)標(biāo)定測試系統(tǒng)如圖9所示，由光電自準(zhǔn)直儀（測量精度±0.25″）、像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、控制器、上位機(jī)組成。其中，光電自準(zhǔn)直儀測試補(bǔ)償鏡的旋轉(zhuǎn)角度，補(bǔ)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(jī)采集，通過比對自準(zhǔn)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(nèi)。

補(bǔ)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(yōu)于±0.35″（RMS值），滿足±0.5″的角度測量精度要求。

圖9 光學(xué)標(biāo)定測試系統(tǒng)

圖10 補(bǔ)償鏡碼盤角度測量誤差（校正后）

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對衛(wèi)星飛行運(yùn)動的補(bǔ)償效果，設(shè)計了一套地面驗(yàn)證裝置。驗(yàn)證系統(tǒng)由相機(jī)、像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、高精度轉(zhuǎn)臺、平行光管、光源、靶標(biāo)等構(gòu)成。測試時將帶有像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的相機(jī)安裝至測試轉(zhuǎn)臺上，采用景物模擬器和平行光管模擬無窮遠(yuǎn)景物[21]，再控制高精度轉(zhuǎn)臺以一定的速度勻速轉(zhuǎn)動，同時控制像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以相同的速度反向轉(zhuǎn)動，此時兩者的運(yùn)動相互抵消，實(shí)現(xiàn)凝視成像[22]。

像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)應(yīng)用速度為4.506 6（°）/s，轉(zhuǎn)臺以4.506 6（°）/s的速度反方向旋轉(zhuǎn)，未開像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)時對應(yīng)的靶標(biāo)成像效果分別如圖11所示。未開像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)對比見圖12。

通過對成像品質(zhì)進(jìn)行測試，未開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)時圖像抖動約21個像元。開啟像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)后圖像清晰無明顯抖動，經(jīng)圖像處理[23]計算得到抖動約0.2個像元。根據(jù)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，瞬時視場角為3″，0.2像元對應(yīng)反射鏡精度為0.6″。試驗(yàn)結(jié)果證明像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)控制精度優(yōu)于±1"，說明像移補(bǔ)償系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)償效果。

圖11 未開像移補(bǔ)償（左）和開啟像移補(bǔ)償（右）的靶標(biāo)成像效果

圖12 未開像移補(bǔ)償（左）和開啟像移補(bǔ)償（右）靶標(biāo)成像的細(xì)節(jié)對比

5 結(jié)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(xué)平行光路的像方掃描像移補(bǔ)償方法，設(shè)計了一套高精度像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：所設(shè)計的像移補(bǔ)償系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)償效果，通過誤差校正可將像移抑制在0.2個像元之內(nèi)，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(qiáng)的工程應(yīng)用性。

[1] 李奇, 董文德, 徐之海, 等. 一種基于雙模式成像的遙感圖像去運(yùn)動模糊方法[J]. 航天返回與遙感, 2013, 34(4): 86-92. LI Qi, DONG Wende, XU Zhihai, et al. Motion Blur Suppression Method Based on Dual Mode Imaging for Remote Sensing Image[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(4): 86-92. (in Chinese)

[2] 何林, 何海燕, 付智紅, 等. 基于圖像的高精度實(shí)時光學(xué)穩(wěn)像控制系統(tǒng)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(6): 61-66. HE Lin, HE Haiyan, FU Zhihong, et al. Image-based High-precision and Real-time Optical Image Stabilization System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(6): 61-66. (in Chinese)

[3] 任航. 支持像移補(bǔ)償功能面陣CCD相機(jī)驅(qū)動電路系統(tǒng)[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(3): 941-946. REN Hang. Driver Circuit System of Area CCD Which Supports Image Motion Compensation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(3): 941-946 (in Chinese)

[4] 王正璽, 張葆, 李賢濤, 等. 快速反射鏡在像移補(bǔ)償中的應(yīng)用[J]. 中國光學(xué), 2020,13(1): 95-105. WANG Zhengxi, ZHANG Bao, LI Xiantao, et al. Application of Fast Steering Mirror in Image Motion Compensation[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 95-105. (in Chinese)

[5] 李永昌, 金龍旭, 李國寧, 等. 寬視場遙感相機(jī)像移速度模型及補(bǔ)償策略[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2018, 43(8): 1278-1286. LI Yongchang, JIN Longxu, LI Guoning, et al. Image Motion Velocity Model and Compensation Strategy of Wide-field Remote Sensing Camera[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(8): 1278-1286. (in Chinese)

[6] 王德江, 董斌, 李文明, 等. TDI CCD電荷轉(zhuǎn)移對遙感相機(jī)成像質(zhì)量的影響[J]. 光學(xué)精密工程, 2011, 19(10): 2500-2506. WANG Dejiang, DONG Bin, LI Wenming, et al. Influence of TDI CCD Charge Transfer on Imaging Quality in Remote Sensing System[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(10): 2500-2506. (in Chinese)

[7] 王德江, 匡海鵬, 蔡希昌, 等. TDI-CCD全景航空相機(jī)前向像移補(bǔ)償?shù)臄?shù)字實(shí)現(xiàn)方法[J]. 光學(xué)精密工程, 2008, 16(12): 2465-2472. WANG Dejiang KUANG Haipeng, CAI Xichang, et al. Digital Implementation of Forward Motion Compensation in TDI-CCD Panoramic Aerial Camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(12): 2465-2472. (in Chinese)

[8] 呂世良, 劉金國, 周懷得, 等. 星載紅外探測器快速反射鏡控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 紅外與激光工程, 2017, 46(9): 94-99. LYU Shiliang, LIU Jinguo, ZHOU Huaide, et al. Design of Control System for Fast Steering Mirror of Infrared Detector Based on Satellite[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(9): 94-99. (in Chinese)

[9] 張玉欣, 劉宇, 葛文奇. 像移補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué), 2010, 3(2): 112-118. ZHANG Yuxin, LIU Yu, GE WEnqi. Development and Prospect of Image Motion Compensation Technology[J]. Chinese Journal of Optics and Applied of Optics, 2010, 3(2): 112-118. (in Chinese)

[10] 張麗, 湯恩生, 許敬旺. 空間相機(jī)像移補(bǔ)償方法研究[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(3): 19-22, 32. ZHANG Li, TANG Ensheng, XU Jingwang. Studies on the Image Motion Compensation Methods of Space Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(3): 19-22, 32. (in Chinese)

[11] 李賢濤, 張曉沛, 毛大鵬, 等. 高精度音圈快速反射鏡的自適應(yīng)魯棒控制[J]. 光學(xué)精密工程, 2017, 25(9): 2428-2436. LI Xiantao, ZHANG Xiaopei, MAO Dapeng, et al. Adaptive Robust Control over High-performance VCM-FSM[J]. Optics and Precision Engineering, 2017, 25(9): 2428-2436. (in Chinese)

[12] 陳黎, 翟林培, 李友一. 基于航空遙感器像移補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法的研究[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2009, 17(1): 154-155, 163. CHEN Li, ZHAI Linpei, LI Youyi. Research to Realize Aerial Remote Sensor Image Motion Compensation[J]. Computer Measurement & Control, 2009, 17(1): 154-155, 163. (in Chinese)

[13] 李剛, 楊名宇. 基于聯(lián)合變換相關(guān)的機(jī)載航空相機(jī)像移測量[J]. 中國光學(xué), 2015, 8(3): 401-406. LI Gang, YANG Mingyu. Image Motion Measurement for Airborne Camera Based on Joint Transform Correlation[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3): 401-406. (in Chinese)

[14] 姚呈康, 李慶輝. 星載相機(jī)的像移補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)[J]. 紅外激光與工程, 2011, 40(6): 1090-1097. YAO Chengkang, LI Qinghui. Motion Compensation Realzation for Satellite Borne Camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(6): 1090-1097. (in Chinese)

[15] 王凱迪, 蘇秀琴, 李哲, 等. 像移補(bǔ)償快速反射鏡時頻特性優(yōu)化控制[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(S1): 112-118. WANG Kaidi, SU Xiuqin, LI Zhe, et al. Time-frequency Characteristics Optimal Control of Fast Steeringmirror for Image Motion Compensation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(S1): 112-118. (in Chinese)

[16] 趙磊, 紀(jì)明, 王明歆, 等. 快速反射鏡驅(qū)動形式對伺服帶寬的影響[J]. 光學(xué)精密工程, 2019, 27(2): 393-401. ZHAO Lei, JI Ming, WANG Mingxin, et al. Influence of Driving Forms on Servo Bandwidth[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(2): 393-401. (in Chinese)

[17] 虞林瑤, 魏群, 張?zhí)煲? 等. 中波紅外長焦距折反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國光學(xué), 2015, 8(2): 234-240. YU Linyao, WEI Qun, ZHANG Tianyi, et al. Design of Long Focal Infrared Catadioptric Optical System for Multi Guided System[J]. Chinese Optics, 2015, 8(2): 234-240. (in Chinese)

[18] 路朋羅, 李永昌, 金龍旭, 等. 大視場空間相機(jī)的像移速度場模型及衛(wèi)星三軸姿態(tài)穩(wěn)定度分析[J]. 光學(xué)精密工程, 2016, 24(9): 2173-2182. LU Pengluo, LI Yongchang, JIN Longxu, et al. Image Motion Velocity Field Model of Space Camera with Large Field and Analysis on Three-axis Attitude Stability of Satellite[J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(9): 2173-2182. (in Chinese)

[19] 胡斌, 黃穎, 馬永利, 等. 高分辨率紅外成像儀五反無焦主系統(tǒng)設(shè)計[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(5): 0518001. HU Bin, HUANG Ying, MA Yongli, et al. Design of Five-mirror Afocal Principal System for High Spatial Resolution Infrared Imager[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 0518001. (in Chinese)

[20] DEY N, MONDAL U, MONDAL D. Design of a H-infinity Robust Controller for a DC Servo Motor System[C]//Proceedings of 2016 International Conference on InteUigent Control Power and Instrumentation, IEEE, 2016.

[21] XU Gening, HUANG Shuangyun, QI Qisong, et al. A New Bionic Swarm Intelligence Optimization: Construction and Application of Modified Moth-Flame Optimization Algorithm[P]. International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering (ICMME 2017), 2017.

[22] 虞林瑤, 魏群, 張?zhí)煲? 等. 中波紅外長焦距折反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國光學(xué), 2015, 8(2): 234-240. YU Linyao, WEI Qun, ZHANG Tianyi, et al. Design of Longfocal Infrared Catadioptric Optical System for Multi Guided System[J]. Chinese Optics, 2015, 8(2): 234-240. (in Chinese)

[23] 汪洪源, 陳赟. 天基空間目標(biāo)紅外動態(tài)輻射特性建模與仿真[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(5): 0504002. WANG Hongyuan, CHEN Yun. Modeling and Simulation of Infrared Dynamic Characteristics of Space-based Space Targets[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 0504002. (in Chinese)

[24] HUANG J, ZHANG Y, YANG X, et al. Transfer Function Model Identification Based on Improved Least Square Method[C]//2020 Chinese Automation Congress (CAC). IEEE, 2020: 487-491.

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(xué)基金（B2YG1460）

康建兵, 王蕓, 于婷婷, 等. 微光條件下遙感器像移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)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(xué)測控技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。主要從事遙感器機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究。E-mail：7285585@qq.com。

（編輯：夏淑密）