用于空间碎片监测的科学级CCD相机研制

摘要

随着人类对空间的探索日益频繁，越来越多的卫星和探测器等空间设备被送上太空，随之产生大量废弃物和碰撞产生的碎片，统称为空间碎片。数量激增的碎片对于各航天国家空间探测有巨大的潜在危害，各个航天大国都有各自的监测系统和网络。我国当前的监测站点还都在大陆，没有足够大范围的监测，南极昆仑站得益于其优越的地理位置和气候状况，是建立业务化监测、实现碎片统计、跟踪和定轨的理想站点。对于计划部署的碎片监测望远镜来说，科学级CCD相机是关键的组成部分。
　　CCD电荷耦合器件相比其他图像探测器具有无可比拟的高量子效率、高分辨率、低噪声等优点，出现后不久就被广泛应用于天文观测中。利用其独特的读出方式还可实现漂移扫描的功能，无需相机或镜头的移动就可对运动成像轨迹为直线的天体目标进行跟踪，可大大提高空间观测的效率。
　　本文为适应碎片监测望远镜，根据视场大小设计了两款科学级CCD相机，第一款视场小，采用的是KAF-3200CCD芯片，命名为SDM(Space Debris Monitoring)-K3200相机，已经设计完成并通过了基本功能测试，并已在量子1.2米望远镜导星系统中经过了实际使用测试;第二款视场较大，使用了KAF-16803CCD芯片，命名为SDM-K16803相机，电子学和结构在第一款基础上做了改进，现已完成了结构设计和电子学设计。两款相机使用的CCD同属ONSEMI公司的KAF系列，故设计上有很多相通之处，在本文中将一并介绍。两款相机系统均由CCD密封腔，制冷系统和相机控制电路构成。
　　本文对两款相机中的关键技术做了具体的研究。首先，作为小型化的科学级CCD相机，本文在结构设计上充分考虑空间布局，采用了紧凑的CCD制冷密封腔，由多阶热电制冷器件TEC、温度传感器和密封腔外的控制电路形成闭环温控系统;其次，本文设计了低噪声的CCD驱动时钟和偏压产生电路，使驱动源对CCD输出噪声的影响尽可能小;最后，提出了对CCD输出信号的低噪声前端处理和高速ADC采样电路，可根据需求选择不同增益和采样速率。
　　相机的电子学分为前端板和主控板，前端板主要由电源、CCD驱动以及读出电路构成，主控板主要由现场可编程门阵列(FPGA)、通用串行总线(USB)模块、温控电路、快门驱动等构成。主控板上的FPGA是所有功能模块的控制核心，控制着CCD驱动、快门、温度采集等，还实现了方便碎片监测的漂移扫描功能，以及图像滤波和目标识别的功能原型。FPGA通过USB来与上位机操控软件交互，接收执行用户命令并进行反馈。
　　本文的主要工作如下:
　　1.设计了两款科学级CCD相机的制冷密封腔结构，TEC工作时最低可将CCD制冷至环境温度以下45℃;
　　2.针对KAF系列CCD芯片设计了CCD时钟偏压驱动和读出电路，对快门等模块的驱动电路，基于单片机STM32控制的温控模块以及FPGA主控电路;
　　3.完成了基于FPGA的快门控制、CCD驱动和读出功能逻辑，漂移扫描和图像处理功能逻辑的编写和调试，以及基于单片机STM32的温控算法;
　　4.完成了SMD-K3200相机的功能和性能测试，在CCD制冷到-20℃时，1M pixel/s读出速率下读出图像噪声最低可达10e-以下，暗电流低至0.015e-/s，性能达到指标。

目录

声明

摘要

引言

第1章 科学级CCD相机的基本概念与设计框架

1．1 CCD原理

1．2 CCD的类型

1．2．1 线阵／面阵CCD

1．2．2 面阵CCD类型

1．2．3 科学级／商业级CCD

1．3 CCD在天文中的应用

1．4 漂移扫描技术

1．5 碎片监测CCD相机的设计需求

1．6 系统总体框架

1．7 本章小结

第2章 KAF系列相机低噪声电子学设计

2．1 电源设计

2．2 KAF-3200与KAF-16803

2．3 CCD驱动时钟和偏压产生

2．3．1 垂直时钟

2．3．2 水平时钟

2．3．3 复位时钟

2．3．4 偏压产生

2．4 CCD读出电路

2．4．1 CCD信号波形与读出电路结构

2．4．2 前端信号成形电路

2．4．3 ADC采样电路

2．5 电压监测

2．6 温控模块

2．6．1 TEC驱动

2．6．2 温度采集

2．7 主控板设计

2．7．1 FPGA主控模块

2．7．2 USB2．0模块

2．7．3 快门驱动

2．7．4 风扇控制

2．8 本章小结

第3章 SDM-K3200相机控制研究

3．1 命令解析模块

3．2 CCD驱动时序

3．3 ADC采样控制

3．4 制冷控制

3．5 快门电机控制

3．6 系统控制流程

3．7 本章小结

第4章 碎片监测相关逻辑与操控软件

4．1 漂移扫描的技术实现

4．2 FPGA中的图像处理

4．2．1 图像滤波

4．2．2 目标识别

4．3 操控软件

4．4 本章小结

第5章 SDM-K3200相机性能测试

5．1 相机增益

5．2 相机噪声

5．3 暗电流

5．4 漂移扫描功能测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果