微光条件下遥感器像移补偿机构设计及控制方法

康建兵 王芸 于婷婷 林喆

微光条件下遥感器像移补偿机构设计及控制方法

康建兵 王芸 于婷婷 林喆

（北京空间机电研究所，北京 100094）

夜间成像时，遥感成像地面目标的辐亮度可低至白天的10–6，在提升弱信号获取能力的各种措施中，通过长曝光时间提升信噪比是一种直接而有效的解决方式，但是在低轨遥感任务中其实现却受到极大限制。为完成探测目标凝视，文章提出通过光路中的像移补偿机构实现光轴稳定的解决方案，补偿了相机相面与地物的相对运动，在曝光时间内使探测器相面景物与地物景物保持相对静止，从而实现灵活微光成像模式；具体阐述了微光条件下遥感器像移补偿机构的设计和控制方法，对其原理及设计进行了详细分析，并进行仿真及试验验证，结果表明所设计的像移补偿系统可将图像抖动补偿至0.2像元之内，为低轨遥感微光成像系统提供了优异的解决途径。

微光成像 像移补偿 光轴稳定 信噪比 星载遥感器

0 引言

微光条件下遥感相机入瞳能量仅为白天的10–6，达到信噪比指标需要的理论成像时间为白天的 16 000倍。传统的TDI（时间延迟积分）模式受器件级数、TDI同步畸变等因素影响，不能提供所需曝光时长。为了解决该问题，遥感器通常选择面阵凝视模式，通过系统级驻留技术来获得地物信息在探测器上的长稳定驻留时间[1]。这就要求沿轨飞行的探测器需具备口径大、匀速段时间长、归位时间极短等特性的像移补偿机构[2]，补偿探测器在轨运动方向产生的像移，通过凝视成像多帧叠加来累计能量[3]。

目前比较常用的补偿方案主要有以下几种[4]：1）移动光学元件补偿。采用光学方法通过移动或旋转光路中部分光学元件，使最终照射到成像介质上的光线按照一定的方式改变方向，从而保证在曝光时间内焦平面与跟踪对象保持相对静止；缺陷是系统复杂，精密补偿控制难度大[5]。2）焦平面平移补偿。通过控制焦平面的同步运动使目标所成影像在焦面上的像移量为零；缺陷是不能对快速大视场的像移进行补偿。3）电子式像移补偿。通过电荷转移方式在曝光时间内控制相机感光面上的电荷转移速度，使其等于目标成像的移动速度[6]；缺陷是电荷读出时间比较长，帧频低[7]。4）图像式像移补偿。通过建立像移引起的图像退化数学模型，对存在像移的图像进行图像恢复；缺陷是对芯片的计算能力要求很高，难以在星载遥感器中应用。

微光成像用星载相机具有远距、长焦、高分辨率的特点，对于采用面阵探测器的微光相机来说，传统的像移补偿方法，如缩短曝光时间、TDI CCD补偿、焦平面平移补偿、电子学像移补偿等方法均不适用[8]，必须采用基于快速反射镜的新型高精度像移补偿技术才能满足大口径、长扫描周期、极短的归位时间要求[9]。本文为微光成像星载遥感器设计了一套快速反射镜补偿机构，具有高刚度、高带宽、高精度的特点，并设计了一套快速反射镜的控制系统，仿真及试验结果表明可满足星载遥感器微光成像需求。

1 像移补偿需求分析

对于面阵探测器来说，探测器感光介质在秒级的曝光时间内，目标景物经光学系统的像与探测器焦平面感光像元间存在相对运动，进而导致探测系统的传递函数下降、成像模糊[10]。因此，需在相机光学系统内构造快速反射镜机构，实现跟随卫星运动的相面匀速补偿，以弥补卫星运动像移。

根据微光成像仪光学系统设计结果，对像移补偿机构运动轨迹的要求为：匀速扫描时间424 ms，快速回扫归位时间为50 ms；匀速扫描角度范围为±0.955 4°，同时要求匀速扫描段角度测量精度需优于±0.5″，控制精度需优于±1″，扫描速度波动量不超过0.001 03（°）/s。根据该要求规划补偿镜机构的运动轨迹具体如图1所示。

图1 补偿镜运动轨迹

图1中，像移补偿机构匀速扫描段0长度为424 ms，此区间补偿镜从–0.955 4°运行到+0.955 4°，旋转速度为4.506 6（°）/s，在此阶段相机成像。复位段1长度为50 ms，在此区间补偿镜从+0.955 4°运行到0.961 8°的正极限位置，速度降为0（°）/s，再从正极限位置运行到–0.961 8°的负极限位置，速度降为0（°）/s，然后再从负极限位置加速运动到–0.955 4°，复位段结束，在复位段内相机不成像。

根据上述指标，像移补偿机构的难点为：补偿镜50 ms内完成回位并迅速稳定，要求运动带宽优于100 Hz，机构基频高于600 Hz；控制精度优于±1″、扫描速度波动量不超过为0.001 03（°）/s，这要求必须采用先进控制算法，以实现短时间内的稳定切换；角度测量精度优于±0.5″已经超过了国内测角元件的极限精度[11-12]，需要在选用高精度测量元件基础上采用光学方法进行误差校正。

2 像移补偿机构设计与控制方案

系统对像移补偿机构的运动轨迹要求分解为组件指标，难点主要体现在机构的基频高（600 Hz以上）、控制带宽高（50 ms完成换向并稳定）以及控制精度精度高（优于±1″），下面针对上述难点分别阐述机构和控制器的设计方案。

2.1 像移补偿机构设计

光学系统采用经典的前置无焦系统+中间平行光路+成像光学系统的结构形式，在平行光路安装像移补偿反射镜，对卫星在轨运行产生的俯仰像移进行补偿[13]。为了达到结构紧凑的目的，像移补偿机构设计时将像移补偿反射镜、成像镜组和中继镜组安装于主镜背板上，通过光路折叠保证系统较为紧凑。

补偿镜基座采用U型架构型，选用钛合金整体铸造，筋板厚度为4 mm，同时通过加强筋等方式保证结构刚度。像移补偿机构如图2所示，补偿镜组件通过枢轴安装在基座上，采用音圈电机驱动、光电编码器测角，电机、光电编码器同轴安装在基座两侧。用高精度镗床加工基座的枢轴孔，以保证孔的同轴度。

图2 像移补偿机构示意

像移补偿机构采用轻量化高稳定SiC（碳化硅）补偿镜，为了减小温度变形不匹配所导致的镜面面形差，与补偿镜连接的限位挡块、枢轴座、过渡轴均采用与补偿镜热膨胀系数相近的钛合金材料。为了提高枢轴安装孔的同轴度，枢轴座、过渡轴和补偿镜装配后，采用组合加工的方式来保证两侧安装枢轴孔、电机安装孔的同轴度。通过基座构型设计、补偿镜轻量化高稳定设计、材料选型及装配后组合加工等措施，可保证机构支撑刚度达800 Hz以上，能够满足机构基频高于600 Hz的要求。

影响补偿线性度的关键因素是补偿轴系摩擦的力矩波动量和电机的控制性能[13]。轴系组件采用无齿槽力矩的音圈电机作为驱动元件，音圈电机有高加速度、高速度、快速响应、平滑力特性等优良性能，无齿槽力矩影响；补偿镜支撑轴承选用无接触、无摩擦的挠性枢轴作为小角度摆动支撑部件，挠性枢轴具有无滚动摩擦、防冷焊、精度高等优点。本项目的像移补偿角度为0.9554°，因此选择5032-800WC型号枢轴，根据器件手册可知该枢轴在±13°旋转范围内可满足无限寿命。

2.2 像移补偿控制系统设计

根据微光成像仪光学系统设计结果，控制系统运动带宽需大于100 Hz，控制精度需优于±1″，扫描速度波动量不超过0.001 03（°）/s，为了达到该指标，需构建一套高带宽高精度控制系统，使补偿镜机构在50 ms的时间内完成如下3个步骤：1）补偿镜由4.506 6（°）/s的扫描速度减速到停止，到达正极限位置0.961 8°；2）从正极限位置迅速反转至–0.961 8°的负极限位置并停止；3）由负极限位置加速至速度为4.506 6（°）/s，并稳定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范围内。

其中步骤3）可用速度阶跃响应进行控制系统指标分析，该控制系统可简化为标准二阶系统[16]，其数学模型如图3所示，其中()为系统输入，()为压差，()为系统输出。

图3 控制系统简化模型

根据控制系统稳定性理论[17]，将校正后阻尼比调节为最优的0.707，对应的像移补偿机构输出对电压的阶跃响应如图4所示。

图4 控制系统阶跃响应

控制系统带宽n的表达式为

式中s为上升时间；ts为稳定的门限值，按指标要求扫描速度稳定在（4.506 6±0.001 03）（°）/s的范围内，则ts=0.001 03/4.506 6=0.000 228。补偿镜要在50 ms之内完成3个步骤，留2 ms余量，3个步骤用时均分48 ms，则取s=16 ms，代入式（1）可得n=1 235.2 rad/s（即196.6 Hz）。设计结果满足带宽要求。

像移补偿控制系统采用DSP（数字信号处理）+FPGA（现场可编程门阵列）架构，其中DSP负责完成像移补偿控制闭环算法计算、指令解析、流程控制等任务，FPGA主要实现CAN（控制器局域网）总线通信、电机驱动PWM（脉冲宽度调制）信号生成、电机电流采样AD（模数转换）控制、光电编码器通讯与视频控制信号生成等功能。采用基于位置反馈的控制方式，实现对规划扫描运动轨迹指令的跟踪控制[14]，整个系统基于DSP完成控制律的全数字化实现。补偿镜机构控制系统的控制流程如图5所示。

图5 补偿镜机构控制系统组成

控制算法采用3环（电流环、速度环、位置环）闭环设计。由于补偿镜运动为周期性运动，故采用前馈控制以提高跟踪精度[15]。控制系统各环控制流程如图6所示。

图6 控制算法流程

图6（c）中，C()表示校正环节，m()表示对象特性，m–1()表示对象特性的逆[18]，d()表示指令角度，()表示实际转动角度。控制系统传函的波特图如图7所示。其中，开环穿越频率14.7 Hz，相角裕度58.9°。100 Hz处的幅值裕度26.2 dB，–3 dB处的闭环带宽25 Hz。

图7 控制系统波特图

使用Matlab对控制系统进行了仿真，补偿镜的控制精度如图8所示。由图8（b）的仿真结果可以看出：像移补偿机构加电运行0.2 s后进入稳态，稳态控制误差小于±1″，满足系统分解的控制精度要求。

图8 补偿镜控制误差仿真结果

3 像移补偿机构轴角测量误差校正

根据光学系统设计结果，角度测量精度需优于±0.5″。这一指标要求已经超过了国内测角元件的极限精度，目前国内宇航用光电编码器测角精度约为±3″，不满足像移补偿精度需求[19]，必须通过光学标定的方法进行误差校正[20]，将测角精度提升至0.5″。本文采用的光学标定测试系统如图9所示，由光电自准直仪（测量精度±0.25″）、像移补偿机构、控制器、上位机组成。其中，光电自准直仪测试补偿镜的旋转角度，补偿控制电路采集码盘角度，然后将该角度信息上传给上位机采集，通过比对自准直仪和码盘之间的角度得到误差，将码盘角度校正至0.5″之内。

补偿镜码盘角度误差曲线如图10所示，校正后角度测量精度优于±0.35″（RMS值），满足±0.5″的角度测量精度要求。

图9 光学标定测试系统

图10 补偿镜码盘角度测量误差（校正后）

4 试验验证

为了验证像移补偿机构对卫星飞行运动的补偿效果，设计了一套地面验证装置。验证系统由相机、像移补偿机构、高精度转台、平行光管、光源、靶标等构成。测试时将带有像移补偿机构的相机安装至测试转台上，采用景物模拟器和平行光管模拟无穷远景物[21]，再控制高精度转台以一定的速度匀速转动，同时控制像移补偿机构以相同的速度反向转动，此时两者的运动相互抵消，实现凝视成像[22]。

像移补偿机构应用速度为4.506 6（°）/s，转台以4.506 6（°）/s的速度反方向旋转，未开像移补偿机构和开启像移补偿机构时对应的靶标成像效果分别如图11所示。未开像移补偿机构和开启像移补偿机构的细节对比见图12。

通过对成像品质进行测试，未开启像移补偿机构时图像抖动约21个像元。开启像移补偿机构后图像清晰无明显抖动，经图像处理[23]计算得到抖动约0.2个像元。根据相机的光学系统设计，瞬时视场角为3″，0.2像元对应反射镜精度为0.6″。试验结果证明像移补偿机构控制精度优于±1"，说明像移补偿系统具有良好的补偿效果。

图11 未开像移补偿（左）和开启像移补偿（右）的靶标成像效果

图12 未开像移补偿（左）和开启像移补偿（右）靶标成像的细节对比

5 结束语

微光条件下遥感器入瞳能量大幅下降，面阵探测器需通过凝视成像才能满足信噪比要求[24]。本文提出了一种基于中继光学平行光路的像方扫描像移补偿方法，设计了一套高精度像移补偿机构及其控制系统，仿真及试验验证结果表明：所设计的像移补偿系统具有良好的补偿效果，通过误差校正可将像移抑制在0.2个像元之内，能够满足微光条件下星载遥感器提升信噪比的需求，具有较强的工程应用性。

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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

国家自然科学基金（B2YG1460）

康建兵, 王芸, 于婷婷, 等. 微光条件下遥感器像移补偿机构设计及控制方法[J]. 航天返回与遥感, 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年获西安交通大学测控技术专业硕士学位，高级工程师。主要从事遥感器机构控制技术研究。E-mail：7285585@qq.com。

（编辑：夏淑密）