分布式微振动测量及成像质量影响分析

杨　冬，吴蓓蓓，郝刚刚，王光远

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

分布式微振动测量及成像质量影响分析

杨冬，吴蓓蓓，郝刚刚，王光远

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

光学遥感卫星的微振动力学环境是影响在轨成像质量的主要因素之一，已成为遥感领域的研究热点。以保证卫星在轨成像质量为目标，分析了成像质量对卫星微振动隔振抑制需求，并采用测量主要光学元件角位移分析微振动对成像质量影响的方法，对某型卫星CMG组开机工作对相机传函的影响进行了分析验证。

光学遥感；微振动；成像质量

0 引言

光学遥感卫星在轨成像时，星上控制力矩陀螺、动量轮、太阳翼、中继／对地数传天线等活动部件的动作，以及推力器喷气等均会使卫星平台产生高频率、小振幅的抖动，这种抖动不能依靠控制系统进行测量并抑制，国内学者通常称其“颤振”或“振颤”。为区别于航空领域的“颤振”，本文称之为微振动。

光学遥感卫星的主载荷通常采用TDICCD作为感光成像器件的航天相机，其正常工作的前提是光电电荷包的转移速度与焦平面上图像的转移速度同步，但微振动带来的匹配误差会产生像移，进而导致图像扭曲甚至模糊，降低卫星在轨成像质量［1⁃2］。

近年来，随着光学遥感卫星的分辨率不断提高，相机焦距增长，对卫星平台的微振动环境要求也越来越高。与此同时，为提高卫星在轨快速姿态机动能力，更多的卫星采用了大力矩输出的控制力矩陀螺等扰振力矩也大的活动部件，微振动环境测量及对成像质量影响性分析也变得越来越重要。

传统的加速度测量方法可以获取卫星结构振动响应，但无法直接建立与成像光学系统的关系，中间解算环节会引入较大的误差，无法为成像质量评估和校正提供可靠的依据［3⁃4］。本文在国内外微振动研究成果基础上，以确保卫星在轨成像质量为目标，对卫星微振动力学环境抑制需求进行了分析，提出了一种通过测量主要光学元件微振动响应进而分析微振动对成像质量影响的方法，并在某型卫星上进行了测试验证。

1 基于成像质量的微振动要求

1.1 微振动频率的划分

不同频率的微振动对光学遥感卫星成像质量影响机理存在不同［5］，因此考虑微振动对成像质量影响问题。首先，需针对成像采样频率对振动频率范围进行划分。本文作如下定义：

相机采样频率：采用TDI CCD器件进行积分成像的光学遥感相机，采样频率定义为多级成像总曝光时间的倒数。不同的积分级数对应不同的成像频率，文献［6］列出国内外典型光学遥感卫星成像采样频率，可以看出在较为常用的48级TDI积分级数成像条件下，光学遥感卫星成像采样频率通常在40Hz～350Hz范围内。

低频微振动：小于相机采样频率的振动。对于卫星系统，低频微振动通常幅值相对较大，可能使图像出现扭曲，影响成像的几何质量。

高频微振动：大于等于相机采样频率的振动。其显著特征是高频小幅，相机曝光成像期间包含1个或多个振动周期，导致成像调制度下降，对成像辐射质量影响较为显著。

考虑到低频微振动环境下相机成像期间振动尚未完成一个周期的往复振动，导致像移通常较小，对成像辐射质量影响不如高频微振动显著。因此，将卫星微振动测量频率范围定为1Hz～1000Hz。

1.2 微振动对成像质量影响的理论计算

目前，国外在微振动对TDICCD成像系统图像传函的影响分析领域已形成了成熟的理论及模型［7］，微振动导致CCD像面上弥散斑直径变化对图像传函的影响已有了明确的计算方法［8⁃9］。

（1）低频微振动

单个频率的低频正弦振动如图1所示。其中，T为积分时间，T=NTDIt（NTDI为TDI积分级数，t为单级积分时间）；T0为振动周期（T＜T0）；f0为振动频率；D为低频微振动幅值；tx为TDICCD积分开始时刻；dmax和dmin为像移最大值和最小值。

低频振动在成像期间造成单边线性的像移，由此导致MTF下降为：

（2）高频微振动

高频微振动如图2所示。其中，T为积分时间，T0为振动周期。

图2　高频微振动示意图Fig.2 The sketching of high frequency micro⁃vibration

高频微振动对图像MTF影响的计算公式如下：

其中，J0为0阶贝塞尔函数，N为相机采样频率，D为高频微振动的幅值。

1.3 成像质量对微振动的要求

根据光学遥感卫星图像质量全链路过程分析结果，为保证在轨成像质量的考虑，要求低频微振动引起的像移量不大于0．3个像元；高频微振动引起的像移不大于0．1个像元，此时微振动对MTF影响不大于0．95［9］。如以此作为整星微振动的门限，以某型卫星为例，可得出在该卫星滚动、俯仰方向上微振动幅频特性的具体要求，如表1所示。

表1　卫星滚动、俯仰方向颤振的振幅要求Table 1 The requirement of flutter amplitude in rolling and pitching direction

从表1可知，为保证卫星在轨成像质量指标MTF在微振动环节的影响因子不低于0．95，在48级的典型成像参数下，需保证卫星在大于100Hz的高频区域微振动幅值不大于0．063″。

2 基于光学系统元件的分布式微振动测量系统

目前，国内针对微振动的扰动源和结构传递特性的测量手段已基本具备，如六分量测力平台、膜片式力传感器、永磁敏感器和激光陀螺等［10］。某型光学遥感卫星进行微振动测量试验时，在完成自由⁃自由边界条件模拟的基础上，将微振动测量传感器直接布置在相机主镜、次镜、平面镜和焦面等位置上，通过对测量的角速率数据进行频域积分获取光学系统中各元件在微振动力学环境下的角位移数据。将这些数据代入光学设计模型中，可得到光学系统光轴位置的时域变化曲线，分析微振动对成像质量的影响，从而验证星上微振动环境是否满足成像质量的需求，并为振动抑制设计提供定量化的依据。

光学系统元件安装空间有限，对微振动测量元件提出很高要求。该型卫星采用了分布式测量的方式，测量设备选用了体积小、重量轻、精度高的激光陀螺作为高精度角振动传感器，并采用微振动加速度计用于测量结构对微振动的传递特性。分布式微振动测量系统原理图如图3所示，微振动测量过程中，各传感器的布局位置和指标参数如表2所示。

图3　分布式微振动测量系统示意图Fig.3 The sketching of distributed micro⁃vibration measuring system

表2　微振动传感器的布局位置和指标参数Table 2 The location and parameters of micro⁃vibration sensors

3 微振动测试结果及分析

3.1 微振动测量结果

某型卫星微振动测量时，主要的活动部件为CMG，太阳翼和对地／中继数传天线等活动部件的扰动由于其试验状态难以真实演示，采用仿真的手段进行分析验证其对成像质量的影响。CMG组开机时整星微振动实测结果如图4所示。

图4　相机各光学元件的微振动测量数据Fig.4 The measuring data of micro⁃vibration of each optical component of camera

3.2 微振动对成像质量影响分析

将相机整体看作柔性体，利用遥感相机光学元件及焦面布设的角位移测量传感器实测数据，结合光学系统模型进行视轴角位移的仿真分析，具体方法是利用CODE V软件，通过试验得到的各个光学元件角位移的时域数据，计算光学系统光轴的时域变化，进而得到积分时间内因各镜片角位移引起的光轴变化数据，具体结果如图5所示。

图5　微振动导致像移和频域曲线Fig.5 The vibration curve of image motion with time and frequency caused by micro⁃vibration

从图5可以看出，CMG组开机工作后，产生的微振动导致像移量约0．01个像元，与表1中数据进行比对，均满足成像质量的要求。利用式（1）和式（2）计算的微振动对光学相机传函影响的具体结果如表3和表4所示。

表3　微振动对相机传函影响的计算结果(全色谱段）Table 3 The calculation results of camera MTF in panchromatic spectrum influenced by micro⁃vibration

表4　微振动对相机传函影响的计算结果(多光谱谱段）Table 4 The calculation results of camera MTF in multispectral spectrum influenced by micro⁃vibration

根据上述计算结果可知，在积分级数96级的情况下，CMG组开机工作对卫星传函的影响约为0．967，优于全链路成像质量分析时通常分配的系数0．95。

4 结论

本文以保证卫星在轨成像质量为目标，借鉴国内外微振动对应用TDICCD的航天相机光学系统传函影响的理论公式，分析了成像质量对卫星微振动力学环境的需求；并通过测量相机光学系统元件角位移数据，利用CODE V软件仿真获得了相机光学系统的光轴由于微振动导致的像移量，以此为基础分析某型卫星CMG组开机工作后对图像传函的影响。该方法在探究微振动测量方法的同时，为光学遥感相机的减隔振设计提供了参考，为后续高精度光学遥感卫星微振动研究探索了一种思路。

［1］王光远，周东强，赵煜．遥感卫星在轨微振动测量数据分析［J］．宇航学报，2015，36（3）：261⁃267．WANG Guang⁃yuan，ZHOU Dong⁃qiang，ZHAO Yu．Data analysisofmicro⁃vibrationon⁃orbitmeasurementfor remote sensing satellite［J］．Journal of Astronautics，2015，36（3）：261⁃267．

［2］杨雷，庞世伟，曲广吉．高精度航天器微振动集成建模与综合评估技术——进展综述与研究思路［C］．全国结构动力学学术研讨会，2007：207⁃219．YANG Lei，PANG Shi⁃wei，QU Guang⁃ji．High precision integrated modeling and comprehensive evaluation technol⁃ogy for spacecraft micro⁃vibration⁃development review and research ideas［C］．National Symposium on Structural Dy⁃namics，2007：207⁃219．

［3］Remedia M，Aglietti G S，Zhang Z，et a1．Modeling methodologies for micro⁃vibration⁃related analysis of space⁃craft structures［C］．12thEuropean Conference on Space Structures，Materials and Environmental Testing，Noordwi⁃jk，The Netherlands，March 20⁃23，2012：235⁃247．

［4］Gerard B，Guillaume O，Laurent S，et al．Virtual SEA method for analyzing micro vibration of spacecrafts［C］．l2thEuropean Conference on Space Structures，Materials and Environmental Testing，Noordwijk，The Netherlands，March20⁃23，20l2：189⁃200．

［5］Hadar O，Fisher M，Kopeika N S，et al．Image resolution limits resulting from mechanical vibrations（Part2：Exper⁃iment）［J］．Optical Engineering，1992，30（5）：577⁃588．

［6］王光远，杨冬，李婷，等．光学遥感卫星微振动预示及抑制技术初探［C］．光学遥感载荷与信息处理技术2013年全国学术会议，2013：27⁃32．WANG Guang⁃yuan，YANG Dong，LI Ting，et al．The prediction of micro⁃vibration and preliminary study of sup⁃pression for optical remote sensing Satellite［C］．Optical Re⁃

mote Sensing Load＆Information Processing Technology，2013 National Conference，2013：27⁃32．

［7］徐鹏．航天光学遥感器的系统仿真技术研究［D］．北京理工大学，2003．XU Peng．Research on the system simulation technology of optical remote sensors in space［D］．Beijing Institute of Technology，2003．

［8］Raiter S，Hadart O，Kopeika N S．Influence of motion sen⁃sor error on image restoration from vibrations and motion［J］．Optical Engineering，2002，41（12）：3276⁃3282．

［9］Gerald C H．CCD arrays，camera，and displays［M］．SPIE Optical Engineering Press，1997．

［10］李宁，韩晓健，李俊慧．航天器微振动信号的地面测试方法［J］．航天器环境工程，2011，28（1）：67⁃71．LI Ning，HAN Xiao⁃jian，LI Jun⁃hui．Ground testing methodforspacecraftmicro⁃vibrationsignals［J］．Spacecraft Environment Engineering，2011，28（1）：67⁃71．

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

杨冬，男，博士，高级工程师，研究方向为航天器总体设计。