用于空間碎片監(jiān)測(cè)的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)研制.pdf

1、隨著人類(lèi)對(duì)空間的探索日益頻繁，越來(lái)越多的衛(wèi)星和探測(cè)器等空間設(shè)備被送上太空，隨之產(chǎn)生大量廢棄物和碰撞產(chǎn)生的碎片，統(tǒng)稱為空間碎片。數(shù)量激增的碎片對(duì)于各航天國(guó)家空間探測(cè)有巨大的潛在危害，各個(gè)航天大國(guó)都有各自的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)當(dāng)前的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)還都在大陸，沒(méi)有足夠大范圍的監(jiān)測(cè)，南極昆侖站得益于其優(yōu)越的地理位置和氣候狀況，是建立業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)碎片統(tǒng)計(jì)、跟蹤和定軌的理想站點(diǎn)。對(duì)于計(jì)劃部署的碎片監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)是關(guān)鍵的組成部分。

2、r>　　CCD電荷耦合器件相比其他圖像探測(cè)器具有無(wú)可比擬的高量子效率、高分辨率、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)后不久就被廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)中。利用其獨(dú)特的讀出方式還可實(shí)現(xiàn)漂移掃描的功能，無(wú)需相機(jī)或鏡頭的移動(dòng)就可對(duì)運(yùn)動(dòng)成像軌跡為直線的天體目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，可大大提高空間觀測(cè)的效率。
　　本文為適應(yīng)碎片監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡，根據(jù)視場(chǎng)大小設(shè)計(jì)了兩款科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)，第一款視場(chǎng)小，采用的是KAF-3200CCD芯片，命名為SDM(Space Debris Moni

3、toring)-K3200相機(jī)，已經(jīng)設(shè)計(jì)完成并通過(guò)了基本功能測(cè)試，并已在量子1.2米望遠(yuǎn)鏡導(dǎo)星系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)了實(shí)際使用測(cè)試;第二款視場(chǎng)較大，使用了KAF-16803CCD芯片，命名為SDM-K16803相機(jī)，電子學(xué)和結(jié)構(gòu)在第一款基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，現(xiàn)已完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電子學(xué)設(shè)計(jì)。兩款相機(jī)使用的CCD同屬ONSEMI公司的KAF系列，故設(shè)計(jì)上有很多相通之處，在本文中將一并介紹。兩款相機(jī)系統(tǒng)均由CCD密封腔，制冷系統(tǒng)和相機(jī)控制電路構(gòu)成。
　　

4、本文對(duì)兩款相機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)做了具體的研究。首先，作為小型化的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮空間布局，采用了緊湊的CCD制冷密封腔，由多階熱電制冷器件TEC、溫度傳感器和密封腔外的控制電路形成閉環(huán)溫控系統(tǒng);其次，本文設(shè)計(jì)了低噪聲的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和偏壓產(chǎn)生電路，使驅(qū)動(dòng)源對(duì)CCD輸出噪聲的影響盡可能小;最后，提出了對(duì)CCD輸出信號(hào)的低噪聲前端處理和高速ADC采樣電路，可根據(jù)需求選擇不同增益和采樣速率。
　　相機(jī)的電子學(xué)分為前

5、端板和主控板，前端板主要由電源、CCD驅(qū)動(dòng)以及讀出電路構(gòu)成，主控板主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、通用串行總線(USB)模塊、溫控電路、快門(mén)驅(qū)動(dòng)等構(gòu)成。主控板上的FPGA是所有功能模塊的控制核心，控制著CCD驅(qū)動(dòng)、快門(mén)、溫度采集等，還實(shí)現(xiàn)了方便碎片監(jiān)測(cè)的漂移掃描功能，以及圖像濾波和目標(biāo)識(shí)別的功能原型。FPGA通過(guò)USB來(lái)與上位機(jī)操控軟件交互，接收?qǐng)?zhí)行用戶命令并進(jìn)行反饋。
　　本文的主要工作如下:
　　1.設(shè)計(jì)了兩款科學(xué)級(jí)

6、CCD相機(jī)的制冷密封腔結(jié)構(gòu)，TEC工作時(shí)最低可將CCD制冷至環(huán)境溫度以下45℃;
　　2.針對(duì)KAF系列CCD芯片設(shè)計(jì)了CCD時(shí)鐘偏壓驅(qū)動(dòng)和讀出電路，對(duì)快門(mén)等模塊的驅(qū)動(dòng)電路，基于單片機(jī)STM32控制的溫控模塊以及FPGA主控電路;
　　3.完成了基于FPGA的快門(mén)控制、CCD驅(qū)動(dòng)和讀出功能邏輯，漂移掃描和圖像處理功能邏輯的編寫(xiě)和調(diào)試，以及基于單片機(jī)STM32的溫控算法;
　　4.完成了SMD-K3200相機(jī)的功能和性能