月基极紫外相机光子计数成像探测器Ge膜的空间质子辐照稳定性

光子计数成像探测器是月基极紫外相机等空间成像载荷的核心成像器件。Ge膜作为探测器的电荷感应层,在空间质子辐照环境下的稳定性直接影响系统的成像质量。采用Monte-Carlo法仿真了500 nm Ge膜被10、50和100 keV高能质子辐照后,Ge膜内部的质子浓度分布与空位缺陷分布。仿真结果表明,50 keV质子在Ge膜内部产生的空位缺陷对膜层内部损伤最大。对100、230、350和500 nm厚度Ge膜分别进行50 keV质子辐照实验,经方阻仪测试显示,越厚的薄膜辐照后方阻变化越大,500 nm比100 nm Ge膜方阻增加量高约500 MΩ/。通过原子力显微镜(AFM)表征发现,500 nm Ge膜辐照后出现膜层凸起与分离,均方根表面粗糙度由1.63 nm增至约10 nm。研究结果表明,在满足方阻要求的前提下,通过对Ge膜厚度的合理设计,可以有效减小高能质子辐照带来的损伤。

月基极紫外相机跟踪转台设计与刚度分析

为了满足登月的任务要求,需要对极紫外相机的刚度进行优化设计与深入分析。二维跟踪转台是影响整机力学特性的关键部件,对影响其刚度特性的U形支架、轴系、蜗轮蜗杆传动机构进行了优化设计。为了准确评估二维转台的力学特性,考虑轴系与蜗轮副的间隙,采用间隙元理论代替耦合点约束建模分析,其基频为31.1 Hz。对力学模拟样机的力学特征扫描试验表明EUVC的特征频率为28.8 Hz,二者非常接近,因此采用间隙接触单元建模更能真实的模拟二维转台。通过整机正弦和随机力学振动试验表明,在保证跟踪转台机构正常运转和尺寸、重量约束的前提下,各环节的刚度设计合理,极紫外相机及二维跟踪转台基频特性及抗力学特性满足嫦娥探月工程的任务要求。

月基极紫外相机光机结构设计

为了对地球等离子体层产生的30.4nm辐射进行全方位的长期监视和观测,研制了月基极紫外相机。相机主体采用多层膜单反射镜光学系统以及30.4nm球面光子探测器的结构形式,跟踪机构采用俯仰-方位模式,由步进电机驱动实现对地球的捕获。针对卫星发射、地月变轨、月表着陆过程中的振动冲击以及月表残酷的温度环境,月基极紫外相机的光机结构设计考虑了环境(力学、温度)适应性,有限元分析结果表明,光机结构在整机质量<15kg条件下,一阶谐振频率为49.3Hz;运动机构在-50～+80℃运转自如;在50℃均匀温降载荷作用下反射镜面形精度RMS值为13.44nm(<14nm),满足相机的技术指标要求。

月基极紫外相机图像采集与实时显示系统

为了对月基极紫外相机输出的科学数据进行采集,将其生成图像并实时显示,设计了月基极紫外相机图像采集与实时显示系统。该系统选用XILINX公司的Virtex II系列FPGA作为图像采集和处理以及控制中心,完成科学数据接收、图像数据生成和存储以及USB接口控制功能,利用RS-422接口实现与极紫外相机的通讯功能,利用LVDS接口接收相机发送的科学数据。输出的图像数据通过USB总线传输到上位机,由上位机形成图像并实时显示。该系统与极紫外相机进行了联合成像实验,实验结果证明,本系统在光子计数率为66kcps的情况下,能够正确地采集科学数据将其转换为图像数据并实现实时显示功能。

月基极紫外相机反射镜与探测器间支撑结构

为了保证月基极紫外相机在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中的大量级振动冲击、月表超大温差环境以及尽量轻的相机重量条件下,反射镜相对于探测器的位置精度要求,设计并研制了基于CFRP(carbon fiber reinforeed plastic)的反射镜与探测器间的支撑结构,分析并试验验证了支撑结构的稳定性。首先,根据极紫外相机的光学系统,确定了反射镜与探测器间的支撑结构形式;然后,考虑相机重量及反射镜相对探测器的位置精度及稳定性要求,采用CFRP作为支撑结构的结构材料;分析了重力和温度载荷作用下反射镜相对探测器间的角度变化量、反射镜面形;支撑结构的固有频率以及在整机上的正弦振动、随机振动应力响应。试验结果表明:反射镜相对探测器间的角度变化量<20″,验证试验后图像分辨率,满足相机技术指标要求。

嫦娥三号极紫外相机几何定位方法及其应用

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状,研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系,提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法,进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明,该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向,以及着陆器在该坐标系中的位置,精确定位影像中地球质心的位置,校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置,确保极紫外相机探测数据的科学应用价值,实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.

一种便携式电晕检测紫外相机的设计

介绍了一种便携式电晕放电检测紫外相机的设计方案。该相机选用320×256元AlGaN基"日盲"紫外焦平面作为探测芯片,其波长范围为240～280 nm,具有可见光和紫外两个通道,充满电后能持续工作6 h以上。实验结果表明,该相机可以成功获取清晰的紫外目标图像,并可实现对紫外信号的实时监测。

月基对地观测极紫外相机光机结构设计

为了实现从月球表面对地球周围等离子体层进行长期观测,给出了一种有效可行的实现方案:采用单球面反射镜与球面探测器组成光学系统,视场角14°,空间角分辨率小于0.1°;采用地平式二维转动机构以实现对成像镜筒组件俯仰、方位的调整,保证对地球的瞄准和跟踪。重点对主反射镜支撑结构和转动机构给出了较为详细的设计。有限元分析和试验表明,光机系统选材合理,焦平面稳定性好,反射镜支撑结构合理,镜面面形在ΔT=50℃温降载荷下≤14nm;二维转动机构动态刚度较高,结构紧凑,整机重量≤16kg,在要求的温度变化范围内运转正常。

基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计

为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料(CFRP)的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明:基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。

极紫外相机电控单元的设计与实现

为了实现对极紫外相机控制及管理功能,设计并实现了一种基于FPGA的电控单元。该系统以FPGA为核心,经过RS-422接口与信号处理子系统进行通讯,通过LVDS接口接收信号处理子系统发送的科学数据,与CPU之间通过数据总线进行通讯。为了提高电控单元的可靠性,在设计过程中采用了抗辐照设计和交叉备份的冗余设计。通过极紫外相机电控单元的测试和试验验证表明:极紫外相机电控单元的功能和性能满足指标要求,为极紫外相机在轨取得圆满成功的结果起到了重要作用。

极紫外相机电控单元检测系统的设计与实现

为了实现对月基极紫外相机电控单元功能和性能的检测,设计并实现了一种基于FPGA的检测系统。该检测系统以FPGA为核心单元,经过USB接口与上位机进行通讯,通过模拟电控单元各外部接口并对其采集后的遥测数据和图像数据进行分析,以此实现对电控单元各项功能和性能的检测。通过月基极紫外相机电控单元和检测系统的验证实验表明,检测系统的检测方法准确,测试结果正确有效。该检测系统具有实用、有效、便携的特点,在极紫外相机的研制过程中已经得到了充分的使用,对工程研制的顺利进行起到了重要的作用。

月基极紫外相机反射镜组件设计与分析

探月工程有效载荷之一的极紫外相机,可以对地球的整个离子层进行成像观测。该相机光学系统视场角14°,空间角分辨率小于0.1°。其中,超光滑反射镜是成像系统的关键部件,因此重点对反射镜及其支撑结构给出了较为详细的设计,主要考虑要满足探月工程特殊的温度、力学环境条件要求。有限元分析和环境试验结果表明,反射镜组件在-30℃～+50℃温度范围内面形精度(RMS)小于16nm,且具有足够的刚度与强度,满足力学振动条件要求。实验表明,成像分辨率满足任务要求。

月基极紫外相机软件系统的设计与实现

为了保证月基极紫外相机圆满完成工程任务,实现对地球周围等离子体层的观测研究,设计并实现了极紫外相机软件系统。首先,介绍了软件系统的构成及工作原理;其次,对软件系统的关键模块及工作模式进行详细设计;最后,对极紫外相机在月球表面长期探测的结果进行详细分析。探测结果表明:软件系统实现了精准的对地跟踪,误差≤0.1°,高压控制到2 850V时获得了高质量的图像数据,各功能及工作模式执行正确,各项性能测试结果满足极紫外相机技术指标要求,为极紫外相机在月球取得圆满成功的结果起到了重要作用。

基于FPGA的极紫外相机数据处理系统

以XC2V3000为核心处理芯片,AD1671为模数转换芯片,设计极紫外相机的数据处理系统,实现对相机原始科学数据的采集、原始数据校正、原始数据到图像数据的换算、数据缓存等功能。为增加系统对单粒子效应的抵抗力,在有效数据之间插入标识数据,取代控制信号的移位延时,避免长链路移位寄存器的使用,增强系统稳定性。

月基极紫外相机指向机构控制系统

为了保证月基极紫外相机能够准确地对地指向,实现对地球周围等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位、长期的观测研究,设计并研制了指向机构控制系统。首先介绍了指向机构控制系统的构成及工作原理;其次对系统的关键模块进行详细设计;然后提出了一种基于霍尔传感器定位的控制算法;最后对系统的误差源进行详细分析。误差计算和月球表面工作的结果表明:基于霍尔传感器定位的控制算法正确、有效,指向机构控制系统对地指向的控制误差≤0.1°,满足极紫外相机技术指标要求。

SO_(2)紫外相机标准泡定标法的误差校正

针对标准泡法在远距离SO_(2)监测定标不准确的实际问题,开展定标误差校正方法研究。首先,基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论,提出消除光稀释效应影响的图像校正方法;然后,在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上,对反射效应及散射特性对定标结果的影响进行量化;最后,综合上述影响因素计算得到光稀释效应校正及散射特性修正的定标曲线,并比较误差校正的标准泡定标法与DOAS定标法在反演SO_(2)柱密度图像以及SO_(2)排放速率之间差异。结果表明,所提出的校正方法可将标准泡法与DOAS法的定标结果差异从59%降低至7%,验证了该误差校正方法的有效性和准确度。

日盲紫外-可见光双光谱照相机系统

为准确检测电晕放电的位置和强弱,考虑电晕放电会发出日盲紫外波段(240～280nm)光,对这一波段的目标进行检测可以避免太阳光的干扰这一特点,研制了一种基于分光方式的日盲紫外-可见光双光谱照相机。设计了一种孔径为68mm、焦距为180mm的高分辨率折反射结构的日盲紫外镜头,并设计了基于TMS320DM642的DSP芯片的图像处理电路。借助DSP/BIOS实时内核和RF5框架,实现了图像采集、图像输出显示、和压缩存储任务的调度,采用加权平均算法实现了图像融合。在阳光强烈的夏天对90m处的汞灯紫外点光源和背景进行了野外成像实验,获得了较为清晰的紫外图像、可见光图像以及合成图像。此外,提出了相机的改进建议。

应用红紫外数码相机拍照显现塑料钢窗上汗潜指印

目的应用红紫外数码相机拍照塑料钢窗上的汗潜指印,研究塑料钢窗上汗潜指印的提取条件,为现场无损提取汗潜指印提供参考条件。方法对塑料钢窗客体上汗潜指印进行短波紫外线反射照相,对所记录实验结果进行分析,总结最优提取效果的量化条件。结果获得了红紫外数码相机紫外反射照相提取塑料钢窗上汗潜指印的最佳拍摄方法和实验量化条件。结论红紫外数码相机在254 nm波段,使用BEF-140C短波紫外灯、F5.6光圈、配光角度15°条件下,可有效提取塑料钢窗上的汗潜指印,最佳曝光时间取决于客体背景颜色与光滑度。

多旋翼无人机平台紫外成像输电线路放电检测

对于输电线路中绝缘子和线路的损伤放电问题,利用人工判断十分困难。通过多旋翼无人机携带可见光/紫外光双通道紫外成像仪来进行近距离检测,运用紫外成像对放电电晕产生的特征光谱和特征形态来判断对应部位是否正常工作。首先利用紫外成像仪进行巡线飞行获取视频数据;其次通过软件剪辑特定光谱图像并进行关键部位处理;最后通过单位区域内放电光子个数来判定对应设备有无异常。通过在实验室模拟和现场实际测试可以看出,利用紫外成像可以较准确的确定产生异常的输电线路和绝缘子,从而起到提前修复和维护的效果,在一定程度上保证了电网的安全运行。

高精度Camera Link相机视频采集处理系统的设计

在电晕探测系统中,为满足高精度Camera Link接口相机的高实时视频采集、处理需要,同时降低系统成本及复杂度,提出了一种通过DM642的视频端口扩展Camera Link接口的方法。与一般采用FPGA作为处理前端不同,该方法基于视频端口的原始捕获模式,实现了在DM642上的Camera Link的直接扩展。设计了硬件电路及VP口采集驱动程序,并采用高精度(16bit)紫外相机进行了实时采集。结果表明,该接口可以满足采用Camera Link接口的紫外相机实时采集需求。基于该接口的高速数字图像处理系统已用于紫外探测系统信息处理中。