用于空間碎片監(jiān)測的科學級CCD相機研制.pdf

1、隨著人類對空間的探索日益頻繁，越來越多的衛(wèi)星和探測器等空間設備被送上太空，隨之產生大量廢棄物和碰撞產生的碎片，統(tǒng)稱為空間碎片。數(shù)量激增的碎片對于各航天國家空間探測有巨大的潛在危害，各個航天大國都有各自的監(jiān)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡。我國當前的監(jiān)測站點還都在大陸，沒有足夠大范圍的監(jiān)測，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)務化監(jiān)測、實現(xiàn)碎片統(tǒng)計、跟蹤和定軌的理想站點。對于計劃部署的碎片監(jiān)測望遠鏡來說，科學級CCD相機是關鍵的組成部分。

2、r>　　CCD電荷耦合器件相比其他圖像探測器具有無可比擬的高量子效率、高分辨率、低噪聲等優(yōu)點，出現(xiàn)后不久就被廣泛應用于天文觀測中。利用其獨特的讀出方式還可實現(xiàn)漂移掃描的功能，無需相機或鏡頭的移動就可對運動成像軌跡為直線的天體目標進行跟蹤，可大大提高空間觀測的效率。
　　本文為適應碎片監(jiān)測望遠鏡，根據(jù)視場大小設計了兩款科學級CCD相機，第一款視場小，采用的是KAF-3200CCD芯片，命名為SDM(Space Debris Moni

3、toring)-K3200相機，已經(jīng)設計完成并通過了基本功能測試，并已在量子1.2米望遠鏡導星系統(tǒng)中經(jīng)過了實際使用測試;第二款視場較大，使用了KAF-16803CCD芯片，命名為SDM-K16803相機，電子學和結構在第一款基礎上做了改進，現(xiàn)已完成了結構設計和電子學設計。兩款相機使用的CCD同屬ONSEMI公司的KAF系列，故設計上有很多相通之處，在本文中將一并介紹。兩款相機系統(tǒng)均由CCD密封腔，制冷系統(tǒng)和相機控制電路構成。
　　

4、本文對兩款相機中的關鍵技術做了具體的研究。首先，作為小型化的科學級CCD相機，本文在結構設計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，本文設計了低噪聲的CCD驅動時鐘和偏壓產生電路，使驅動源對CCD輸出噪聲的影響盡可能小;最后，提出了對CCD輸出信號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。
　　相機的電子學分為前

5、端板和主控板，前端板主要由電源、CCD驅動以及讀出電路構成，主控板主要由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、通用串行總線(USB)模塊、溫控電路、快門驅動等構成。主控板上的FPGA是所有功能模塊的控制核心，控制著CCD驅動、快門、溫度采集等，還實現(xiàn)了方便碎片監(jiān)測的漂移掃描功能，以及圖像濾波和目標識別的功能原型。FPGA通過USB來與上位機操控軟件交互，接收執(zhí)行用戶命令并進行反饋。
　　本文的主要工作如下:
　　1.設計了兩款科學級

6、CCD相機的制冷密封腔結構，TEC工作時最低可將CCD制冷至環(huán)境溫度以下45℃;
　　2.針對KAF系列CCD芯片設計了CCD時鐘偏壓驅動和讀出電路，對快門等模塊的驅動電路，基于單片機STM32控制的溫控模塊以及FPGA主控電路;
　　3.完成了基于FPGA的快門控制、CCD驅動和讀出功能邏輯，漂移掃描和圖像處理功能邏輯的編寫和調試，以及基于單片機STM32的溫控算法;
　　4.完成了SMD-K3200相機的功能和性能