用于空間碎片監(jiān)測的科學(xué)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(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(luò)。我國當(dāng)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(wù)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(xué)級CCD相機是關(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(yīng)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(biāo)進行跟蹤，可大大提高空間觀測的效率。
　　本文為適應(yīng)碎片監(jiān)測望遠鏡，根據(jù)視場大小設(shè)計了兩款科學(xué)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(shè)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(dǎo)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(xué)和結(jié)構(gòu)在第一款基礎(chǔ)上做了改進，現(xiàn)已完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子學(xué)設(shè)計。兩款相機使用的CCD同屬ONSEMI公司的KAF系列，故設(shè)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(gòu)成。
　　

4、本文對兩款相機中的關(guān)鍵技術(shù)做了具體的研究。首先，作為小型化的科學(xué)級CCD相機，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計了低噪聲的CCD驅(qū)動時鐘和偏壓產(chǎn)生電路，使驅(qū)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(xué)分為前

5、端板和主控板，前端板主要由電源、CCD驅(qū)動以及讀出電路構(gòu)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(qū)動等構(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、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(biāo)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(shè)計了兩款科學(xué)級

6、CCD相機的制冷密封腔結(jié)構(gòu)，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(shè)計了CCD時鐘偏壓驅(qū)動和讀出電路，對快門等模塊的驅(qū)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(qū)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(diào)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