Бортовая система сканирования для фотоприемника с временной задержкой и накоплением заряда

Введение

При формировании глобального поля обзора с высоким пространственным разрешением для мониторинга поверхности Земли наи­более перспективным на сегодняшний день представляется фотоприемное устройство (ФПУ), работающее в режиме временной за­держки и накопления (ВЗН) зарядов [1]. ФПУ с ВЗН осуществляет пространственно-временное преобразование информации, суть которого заключается в суммировании сигна­лов синхронно со сканированием и-фоточувствительных элементов, расположенных в на­правлении сканирования. Такое ФПУ требует высокой синхронизации считывания изобра­жения с перемещением поля зрения по фор­мируемому полю обзора с погрешностями не меньше единиц угловой секунды.

Подобная задача решается с помощью оптико-механической развертки системой ска­нирования плоским зеркалом, расположен­ным в параллельном ходе лучей. Развертка осуществляется из пространства предметов через оптическую систему в пространство изо­бражений на линейки ФПУ с ВЗН синхронно с их опросами.

К системам глобального обзора Земли можно отнести геостационарный отечествен­ный комплекс «Электро-Л» [2], разработан­ный для решения задач гидрометеорологии с реальным временем обновления информа­ции в 10-30 мин. При этом задачи компенса­ции кинетических моментов, возникающих от многозонального сканирующего устрой­ства, целиком возлагаются на систему стаби­лизации космического аппарата (КА), в резуль­тате чего происходит ее перегрузка. Наиболее близким по классу решения задачи является двухкоординатный Scanner глобального обзо­ра, разработанный в США для мониторинга поверхности Земли в составе SBIRS GEO [3]. Однако в ходе работы были выявлены вибра­ции (Jitter) с взаимными влияниями на сосед­ний оптико-механический канал Starer, что склонило разработчиков к отказу от его при­менения.

В данной статье показана возможность реализации сканера глобального обзора, соз­данного на отечественной элементной базе, для мониторинга поверхности Земли в целях национального контроля. При использовании широкоформатного ФПУ с ВЗН время полно­го обновления информации составляет 4,2 с, а погрешности сканирования - доли угловой секунды. При этом компенсация кинетическо­го момента от сканирующего зеркала удовлет­воряет требованиям КА.

Система сканирования

Блок-схема системы сканирования, включа­ющая оптико-механическое сканирующее устройство (сканер) и блок контроллеров управления зеркалом и компенсирующим ма­ховиком, имеющий резерв, показана на рис. 1.

Сканер обеспечивает развертку про­странства предметов на линейки ФПУ совместно с объективом посредством однокоор­динатного сканирования плоским зеркалом. Кинетический момент, вызванный поворо­том зеркала, компенсируется при установке маховика, вращающегося в противополож­ную сторону. Для синхронизации опроса ФПУ с движением сканирующего зеркала блок кон­троллеров управления сканером (рис. 2) фор­мирует синхроимпульсы начала кадра и на­правления сканирования.

Сканирующее зеркало выполнено из по­лированного бериллия с коэффициентом отра­жения в рабочем спектре оптического излуче­ния не менее 0,9. Для лучшего отражения при использовании в ИК-диапазоне оно должно быть покрыто золотом. Зеркало базируется на трех точках опоры для равномерного распре­деления механических нагрузок по всему его объему и статической определенности. Яче­истая конструкция тыльной стороны зерка­ла служит для его облегчения, сохраняя при этом достаточную жесткость, необходимую для поддержания заданного качества зеркаль­ной поверхности.

Для контроля положения сканирующего зеркала в пространстве и синхронизации его движения со считыванием ФПУ сканер осна­щается бесконтактным дифференциальным интерферометрическим датчиком углового положения, построенным по схеме интерфе­рометра Майкельсона с лазерным источником излучения (далее - датчик зеркала). Его со­здание стало возможным благодаря появив­шемуся в последние годы высокостабильному лазерному излучателю космического исполне­ния [4].

Для исключения влияния кинетическо­го момента реверсивно сканирующего зерка­ла на КА на сканер устанавливается маховик компенсации, который вращается в противопо­ложную от движения зеркала сторону и имеет равный с зеркалом кинетический момент.

J_з ω_з = J_M ω_M,                                                                                 (1)

где J_з - момент инерции зеркала с оправой;

ω_з - угловая скорость вращения зеркала;

J_M - момент инерции маховика компенса­ции;

ω_M - угловая скорость вращения махо­вика.

При этом соблюдается условие коллине­арности осей вращения зеркала и маховика. Для контроля углового положения и текущей скорости маховика на него установлен бескон­тактный магнитоэлектрический инкрементный датчик. Он включает неподвижное кольцо, на которое намотана катушка для создания од­нородного магнитного поля в неподвижном кольце с зубцами на венце, и вращающееся зубчатое колесо, установленное на маховик. Полный угол датчика маховика составляет 360° с интерполированным инкрементом от­счета 30'. Благодаря однородному магнитному полю, создаваемому катушкой, погрешность датчика уменьшается в  раз, где f - коли­чество зубцов на венце датчика. Для рассматриваемого случая f = 180 и среднеквадратич­ное отклонение (СКО) погрешности датчика уменьшается в 13,4 раза.

Для обеспечения минимального времени переходного процесса после выхода из зоны реверса и обеспечения синхронного хода ска­нирующего зеркала используется специаль­ный моментный электродвигатель с высокой линейностью создаваемого момента и ма­лой электромагнитной постоянной времени t_эм = 0,75 мс.

В целях повышения коэффициента по­лезного действия сканирования (отношение времени обзора к времени кадра) и снижения импульсного энергопотребления во время ре­верса основную энергию реверса принимают на себя магнитные рекуператоры. При этом выполняется условие энергетического балан­са между кинетической энергией W_k системы «маховик - зеркало» и магнитной энергией W_маг рекуператоров

W_маг ≥ W_к .                                                             (2)

Рекомбинация кинетических моментов зеркала и компенсирующего маховика проис­ходит в зоне реверса при смене знака вектора скорости зеркала и маховика на противопо­ложный. При этом моделирование остаточного (нескомпенсированного) кинетического мо­мента даже при наихудшем арифметическом сложении допусков конструкции кинематики сканера показывает, что его величина (рис. 3) не превышает требование КА на некомпен­сированный момент М_ост ≤ 0,005 Н · м и гаран­тированно парируется системой стабилиза­ции КА.

В рекуператорах, как и в двигателе, ис­пользуются магниты из NdFeB, покрытые ни­келем, для придания коррозийной стойкости, обладающие высокой удельной магнитной энергией ~360 кДж/м³.

Использование рекуператоров и мини­мизация остаточного кинетического момента требует выполнения не только равенства (1), но и равенства угловых моментов (3) с учетом отношения пройденных углов, моментов инер­ции зеркала и компенсирующего маховика K:

J₃ α₃ = J_M α_M,                                                          (3)

где α_з - диапазон угла вращения зеркала; α_м - диапазон угла вращения маховика.

В результате K = α_м / α₃ = J₃ / J_m, в рас­сматриваемом случае K = 50.

Для контроля направления движения и диапазона перемещения зеркала и маховика используются бесконтактные концевые датчи­ки. Принцип их действия основан на эффекте Холла с использованием дифференциальных магнитных маркеров.

Требование равномерности развертки изображения выполняется жесткой привязкой положения зеркала, материализованного сиг­налами интерферометрического датчика зеркала и датчиками начала и конца скана, к сиг­налам опроса ВЗН ячеек ФПУ.

Описание конструкции сканера

Расположение сканирующего зеркала вблизи входного зрачка объектива обеспечивает ми­нимальные массогабаритные характеристики сканера. Минимальные габариты сканиру­ющего зеркала определяются минимальным размером входного зрачка объектива, обеспе­чивающего необходимое пространственное разрешение, отношение сигнал/шум и поле зрения.

Для разрабатываемого сканера была вы­брана функциональная схема, которая включа­ет сканирующее зеркало и маховик, закреплен­ные на двух коллинеарных осях и имеющие общий неподвижный корпус (рис. 4). Зеркало и маховик оснащены силовыми двигателя­ми и датчиками положения для управления их угловым перемещением. Между зеркалом и маховиком находится рекуператор энергии импульса. Здесь YZOX - система координат в плоскости наблюдения (поверхность Земли), в которой ось X является визирной осью КА, сканирование происходит вокруг оси Y, а Y'Z'O'X' - система координат в плоскости изо­бражения. Аналогичное устройство сканиро­вания описано в статьях [5, 6].

Сканер включает в себя неподвижный корпус и зеркало 1 в оправе, установленной на корпусе посредством подшипникового узла с керамическими подшипниками. Корпус выполнен из термостабильного материала, обе­спечивающего стабильное положение зеркала относительно объектива. На нем установле­на неподвижная часть 14 двигателя зеркала, подвижный компенсационный маховик 3, ос­нащенный инкрементным датчиком положе­ния, бесконтактный инкрементный дифферен­циальный интерферометрический датчик 10 углового положения зеркала, а также непод­вижные части 12 и 5 концевых датчиков зер­кала и маховика.

На оси маховика установлен моментный двигатель 11, магнитная система реку­перации 2, а также концевые метки 4 датчика маховика.

Зеркало крепится к оправе на трех точ­ках, на которую устанавливается подвижная часть 15 двигателя зеркала, ответная часть магнитной системы рекуперации 2, концевые метки 13 датчика начала и конца скана зеркала и отражательные элементы 9 интерферометри- ческого датчика положения зеркала.

Отраженные от сканирующего зеркала 1 лучи, проходя объектив, в процессе сканирова­ния перемещаются в пространстве изображе­ний по неподвижным линейкам 7 ФПУ

Временная диаграмма движения зеркала (рис. 5) содержит участки равномерного дви­жения зеркала, разделенные зонами реверса, в которых вектор скорости зеркала меняется на противоположный.

Для стабилизации частоты и обеспечения рабочей температуры лазерного излучателя интерферометрического датчика зеркала в нем используются элементы Пельтье, на которых установлены кристалл лазера и брегговская ре­шетка. Также для исключения переохлаждения на корпусе интерферометрического датчика находится нагревательный элемент.

Количество интерференционных полос определяет угловой период инкремента датчи­ка зеркала, и оно рассчитывается по формуле

N = sin(α₃)2S / λ,                                                  (4)

где S - расстояние между вершинами уголко­вых отражателей (13,5 мм);

λ - длина волны излучения лазера (852 нм).

В результате получаем N = 3324 отсчета на ±3°, при этом один отсчет датчика угла со­ответствует 6,5 угл. с.

Совмещение сканирования с периодом опроса ФПУ обеспечивается схемой косвенной синхронизации с синтезом программной ча­стоты, период которой кратен отсчету датчика угла и определяется номинальной скоростью сканирования, необходимой для обеспечения режима ВЗН. Сигнал для управления двига­телем зеркала формируется фазовым дискри­минатором, функциональная схема которого приведена на рис. 6.

Синтезатор программной частоты фор­мирует импульсы, поступающие на счетчик программного угла с периодом, равным 1/1024 отсчета датчика угла при номинальной скоро­сти сканирования. Сброс счетчика осущест­вляется кадровым синхроимпульсом, который также направляется на ФПУ Таким образом, на выходе счетчика программного угла формируется линейно-нарастающий код угла с ценой деления младшего разряда, равной 1/1024 от­счета датчика угла, т. е. 0,00635 угл. с.

Код фактического угла формируется пу­тем объединения кода счетчиков старших раз­рядов (отсчеты датчика угла) и младших. Счет­чик младших разрядов формирует линейно нарастающий код угла, но сбрасывается в ноль по положительному фронту сигнала отсчета датчика угла.

Сигнал ошибки вычисляется как разность кодов программного и фактического угла с частотой получения отсчета датчика угла при номинальной скорости сканирования. Постро­енный по такому принципу фазовый дискрими­натор определяет отставание или опережение фазы отсчета датчика угла от программно­го угла и имеет линейную характеристику с разрешением в 0,00635 угл. с, что позволяет уверенно обеспечивать сканирование с СКО погрешности 3δ ≤ 0,5 и соответственно δ ≤ 0,17 угл. с. Диаграмма работы фазового дис­криминатора приведена на рис. 7.

Результаты измерений характеристик сканера

В результате измерений были определены следующие характеристики:

В ходе испытаний была измерена крутиз­на (амплитуды ЭДС Холла от угла) для конце­вого датчика зеркала с предварительным деся­тикратным усилением - 0,7 мВ/угл. с (рис. 8).

Также были оценены зависимости мо­мента силы магнитного рекуператора от угла в динамике для сканирующего зеркала (рис. 9). Исходя из отношения кинетической энергии W₃ зеркала и работы A₃, совершаемой зерка­лом:

где M - момент силы, необходимый для ре­верса движения зеркала;

α_р - угол реверса зеркала;

α₀ - начальный угол взаимодействия маг­нитов рекуператора зеркала;

α - угол взаимодействия магнитов реку­ператора зеркала, получаем соотношение

J_зω²_з/2 = Μ(α_р -α₀).                                                   (8)

Отсюда момент силы реверса

M = (J_зω_з²/2)/(α_р -α₀).                                                 (9)

Заключение

В результате проделанной работы на основе отечественной базы был создан прецизион­ный однокоординатный сканер космического базирования (рис. 10), сканирующий плоским зеркалом в параллельных лучах пространства предметов с погрешностями сканирования в десятые доли угловой секунды. Получить такие погрешности позволяет созданный интерферометрический датчик определения углового положения зеркала [7], обеспечи­вающий высокое угловое разрешение в про­странстве благодаря стабилизированному ко­герентному источнику излучения.

После преобразования пространства предметов посредством оптической системы в пространство изображений была произве­дена синхронная с временными опросами ли­неек ФПУ развертка пространства изображе­ний, позволяющая получить высокое качество кадра поля обзора.

Минимизация механического воздей­ствие на КА от прецизионного однокоорди­натного сканера космического базирования обеспечивается кинетической компенсацией сканирующего зеркала специальным махови­ком. Сокращение импульсного энергопотре­бления и времени реверса происходит за счет магнитных рекуператоров.