CN104243858A - 一种光学遥感器的电路系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学遥感器的电路系统，涉及空间光学遥感器。它包括系统控制单元和焦面电路组件。系统控制单元生成工作参数设置指令发送至焦面电路组件；焦面电路组件包括N个并联的焦面电路单元；每个焦面电路单元包括焦面处理电路和焦面TDICCD电路，焦面处理电路接收系统控制单元发出的工作参数设置指令，并生成时序信号输出给焦面TDICCD电路；焦面TDICCD电路生成TDICCD模拟图像信号并发送至焦面处理电路；焦面处理电路对TDICCD模拟图像信号进行数字化处理后发送至外部的卫星数传分系统。本发明在体积、重量、功耗方面都有明显的改善，能够符合现有卫星载荷对高分辨率大宽幅光学遥感器的设计要求。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学遥感器，特别涉及一种光学遥感器的电路系统。
背景技术
在商业及民用领域，光学遥感图像在土地、农业、城市规划等方面都具有重要的应用价值，可用于国土资源的调查管理、城镇规划、自然灾害的灾后评估，为灾后重建等提供有效的监测和调查手段。目前国内用户单位很难从国外购买获取到高分辨率大宽幅的光学遥感图像数据。为满足我国民用领域日益增长的高空间分辨率和高时间分辨率遥感图像数据的需求，同时满足对特定目标和热点区域具备监测能力的需求，研制高分辨率大宽幅光学遥感器系统成为一种迫切需求，作为该系统实现数字化遥感图像的关键实现部分，研制相应的电路系统非常重要。
目前，国内外高分辨率成像系统的覆盖宽度一般都在10～20Km，在局部目标区域内，要想用窄幅系统完成较大范围的成像需采用多轨拼接的办法完成，以幅宽为20Km，轨道周期为100分钟为例，要完成100Km目标范围内的成像，大约需要5轨才能拼成，时间大约是7.5小时，如果用100km幅宽的系统成像，只需一轨即可完成。此外多轨拼图由于成像间隔时间长，受气象条件影响较大，如果在成像时间间隔内，目标区域的气象条件发生变化(影响可见光成像的气象条件，如云、雾等)，就无法完成一幅拼图。因此宽覆盖成像系统可极大地缩短全球覆盖的时间，提高在全球范围内获取信息频率，具有重要的应用价值。
高分辨率大宽幅光学遥感器采用长焦距、大视场角光学成像系统实现高分辨率、大幅宽成像。为满足大宽幅的需求，CCD拼接的个数将增加很多，如采用现有的电路系统将在体积、重量、功耗方面都得到大幅度的增加，目前现有的卫星平台载荷资源紧张、电能资源和空间资源都非常有限，无法符合现有的卫星载荷设计要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光学遥感器的电路系统，在体积、重量、功耗方面都有明显的改善，能够符合现有卫星载荷对高分辨率大宽幅光学遥感器的设计要求。
本发明的技术解决方案是：一种光学遥感器的电路系统，包括系统控制单元和焦面电路组件；所述系统控制单元接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，并生成工作参数设置指令发送至焦面电路组件；所述焦面电路组件固定于光学遥感器的焦面结构上，焦面电路组件包括N个并联的焦面电路单元；每个焦面电路单元包括焦面处理电路和焦面TDICCD电路，焦面处理电路和焦面TDICCD电路之间电气连接，焦面处理电路接收系统控制单元发出的工作参数设置指令，并生成时序信号输出给焦面TDICCD电路，用于驱动焦面TDICCD电路工作；焦面TDICCD电路生成TDICCD模拟图像信号并发送至焦面处理电路；焦面处理电路对TDICCD模拟图像信号进行滤波处理和模数转换，生成数字图像信号，通过高速串行SerDes接口芯片发送至外部的卫星数传分系统。
所述系统控制单元包括系统控制电路和焦面用二次电源电路；系统控制电路和焦面用二次电源电路通过穿板连接器进行层摞式连接；系统控制电路接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，所述工作控制指令包含上下电控制指令，系统控制电路根据该上下电控制指令，生成上下电时序控制信号，并发送至焦面用二次电源电路；焦面用二次电源电路根据上下电时序控制信号，完成电源的开启和关断，向焦面电路组件提供电源。
所述系统控制单元生成N个工作参数设置指令，并分别发送至焦面电路组件中的N个焦面电路单元；每个焦面电路单元中的焦面TDICCD电路包括两个TDI型CCD、驱动电路和读出电路；所述两个TDI型CCD拼接且位于光学遥感器的焦面结构的焦平面上；所述驱动电路接收焦面处理电路输出的一组时序信号，一组时序信号包含一个积分时间，用于同时驱动两个TDI型CCD工作，驱动电路发送TDICCD模拟图像信号至读出电路；所述读出电路将TDICCD模拟图像信号发送至焦面处理电路。
所述模数转换采用型号为LM98640的AD转换芯片完成；所述高速串行SerDes接口芯片型号为TLK2711。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明通过采用一台光学遥感器，多片CCD拼接方式，实现紧凑、轻型化设计，而且这样的成像方式更简单，代替了多台窄幅遥感器的拼幅方式，一次成像就可实现宽幅盖，不需进行额外的图像拼接处理。
(2)本发明的系统控制电路和焦面用二次电源电路采用层摞式结构连接，实现模块化组合设计。这种设计方式实现了两单机设备的合并设计，减少单机之间大量的电缆连接，尺寸小、重量轻，并且具有可扩展性好和安装维护方便的优点。
(3)本发明将焦面电路组件多功能集成设计，减少单机个数。焦面电路组件直接进行遥感模拟信号的数字化处理，并将数字图像信号直接传送到外部的卫星数传分系统，直接省去了信号处理器单机设备。
(4)本发明的焦面电路组件采用高速集成芯片，进一步降低电路规模。模数转换芯片选用集成高速信号处理芯片LM98640。该芯片是一款具有空间应用品质的高等级器件，不仅具有模数转换功能，还集成了暗像元箝位、增益调整、输出数据控制等功能。该芯片量化数据串行输出，可有效节省FPGA的IO管脚，降低电路设计布线难度。同时这样大大增强了遥感图像的传输可靠性，避免了遥感图像模拟信号在输送到信号处理单元过程中受到干扰，提供了可靠性。不同于以往的LVDS数据传输接口，本发明的高速串行SerDes接口芯片采用TLK2711。基于SerDes的高速串行接口采用时钟和数据恢复技术代替同步传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题，并且充分利用了传输媒体的信道容量，减少所需的连接器引脚数目。
(5)本发明采用上述多方面的集成化设计，使单机的数量减至最少，电路系统规模更优化，单机设备之间的电接口和互连电缆相应减少，这样，功耗、体积、重量都得到明显的优化和改善。
附图说明
图1为本发明的电路系统组成示意图。
具体实施方式
光学遥感器包括光学、机械、电路、热力四大系统。其中机械系统也成为光学遥感器的焦面结构；本发明主要针对电路系统进行设计，采用电路模块集成化设计方法，使信号处理器单机的数量减至最少，单机直接的电接口和互连电缆相应减少，功耗、体积、重量都有明显的优化和改善，满足高分辨率，大幅宽光学遥感器的轻型化设计。
如图1所示，本发明包括系统控制单元和焦面电路组件。
系统控制单元是整个光学遥感器电路系统的控制核心，通过与卫星数管分系统的通讯，系统控制单元接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，并生成工作参数设置指令发送至焦面电路组件，实现对焦面电路组件的工作参数设置。此外，系统控制单元还向卫星数管分系统发送遥测信号，使卫星数管分系统可以监测工作参数设置指令的执行结果。系统控制单元接收外部的卫星一次电源分系统输入的一次电源，为系统控制电路和焦面用二次电源电路提供一次电源。系统控制单元包括系统控制电路和焦面用二次电源电路，且均采用冷备份设计，提高了系统可靠性。系统控制电路和焦面用二次电源电路通过穿板连接器进行层摞式连接。具体的连接过程如下：针对系统控制电路和焦面用二次电源电路分别做一段机箱，两种电路的电路板分别安装在各自的一段机箱中，通过穿板连接器进行电信号的传递。将这两个机箱的机箱壁通过穿板连接器连接组合后，加上盖板，同时采用贯穿螺钉在机箱的四周紧固，就形成了系统控制单元机箱。
焦面电路组件固定于一台光学遥感器的焦面结构上。焦面电路组件包括N个并联的焦面电路单元(N≥2)。每个焦面电路单元包括焦面处理电路和焦面TDICCD电路，焦面处理电路和焦面TDICCD电路之间通过柔性PCB电路板实现电气连接。这样的设计不仅减小了一个单机的重量、体积和功耗，满足较小的卫星平台的载荷要求；而且大大增强了遥感图像的传输可靠性，避免了遥感图像模拟信号在较长距离输送过程中受到干扰。焦面处理电路包括时序信号处理电路和二次电源处理电路，时序信号处理电路实时接收系统控制单元发送的工作参数设置指令，并生成时序信号输出给焦面TDICCD电路，对光学遥感器的工作参数进行调整，用于驱动焦面TDICCD电路工作。焦面TDICCD电路生成TDICCD模拟图像信号并发送至焦面处理电路；焦面处理电路将TDICCD模拟图像信号进行滤波处理以及相关双采样和模数转换后，得到数字图像信号通过高速串行SerDes接口发送给卫星的数传分系统。模数转换采用型号为LM98640的AD转换芯片完成，该芯片是一款具有空间应用品质的高等级器件，不仅具有模数转换功能，还集成了暗像元箝位、增益调整、输出数据控制等功能。该芯片量化数据串行输出，可有效节省FPGA的IO管脚，降低电路设计布线难度。高速串行SerDes接口芯片型号为TLK2711，它是TI公司推出的千兆高速收发器件家族的成员之一，支持1.6Gbps到2.7Gbps的串行数据率，提供超过2.16Gbps的信号带宽，可应用于超高速、点对点的双向传输系统中。基于SerDes的高速串行接口采用时钟和数据恢复技术代替同步传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题，并且充分利用了传输媒体的信道容量，减少所需的连接器引脚数目。
系统控制电路接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，工作指令的内容如下：(1)生成N个工作参数设置指令发送至焦面电路组件，完成对焦面电路工作参数的设置和调整；(2)生成上下电时序控制信号并发送至焦面用二次电源电路，焦面用二次电源电路向焦面电路组件供电。
系统控制单元生成的N个工作参数设置指令，分别发送至焦面电路组件中的N个焦面电路单元；每个焦面电路单元中的焦面TDICCD电路包括两个TDI型CCD、驱动电路和读出电路；两个TDI型CCD拼接且位于光学遥感器的焦面结构焦平面上，即全反射式光学拼接，地物的反射光汇聚到焦平面上，形成TDICCD模拟图像信号。驱动电路接收焦面处理电路输出的一组时序信号，一组时序信号包含一个积分时间，用于同时驱动两个TDI型CCD工作，并发送TDICCD模拟图像信号至读出电路。读出电路将TDICCD模拟图像信号进行前置放大后和进行模拟信号的通道合成以及阻抗匹配后输出给焦面处理电路。本发明通过对多片TDI型CCD拼接成像，实现大幅宽光学遥感图像。采用多片TDICCD拼接方式，代替了多台窄幅遥感器的拼幅方式，一次成像就可实现宽幅盖，不需进行额外的图像拼接处理。系统控制电路还接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令。工作控制指令包含上下电控制指令，根据该上下电控制指令，系统控制电路生成上下电时序控制信号，并发送至焦面用二次电源电路；焦面用二次电源电路根据上下电时序控制信号，完成相应电源模块的开启和关断操作，实现向焦面电路组件提供电源的功能。
根据TDICCD成像原理，理想的积分时间是地物在焦面上所成的像移动一行需要的时间。当满足理想积分时间条件时，像的移动速度和TDICCD电荷转移速度相同，没有像移。如果积分时间不匹配，将导致像移模糊，系统MTF下降。同时由于大宽幅光学遥感器的视场角大，不同视场的速高比不一致将造成图像的像移模糊，因此在设计时采取分单元调积分时间的方式实现TDICCD电荷积分与像移之间的精确同步。本发明中相邻两个TDI型CCD与对应的焦面TDICCD电路和焦面处理电路共同组成一个焦面电路单元。每个焦面电路单元对应系统控制单元发出的一个工作参数设置指令，实现焦面电路单元相对独立控制。如图1所示，以10片TDI型CCD拼接为例。共分为5个单元，相邻的两片TDI型CCD两两组合形成单元1、2、3、4、5。这样就有5组不同的积分时间。相应的积分时间可以依据卫星偏转角度、气象条件、特殊地形、覆盖宽度等条件进行相应的控制，积分时间分组控制能很好解决像移速度与积分时间的匹配问题，降低像移模糊对图像质量的影响，提高图像传函(MTF)，使得到的图像更加清晰。各个焦面电路单元分别进行供电和接地，避免不同积分时间导致各单元之间的信号干扰问题。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种光学遥感器的电路系统，其特征在于：包括系统控制单元和焦面电路组件；所述系统控制单元接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，并生成工作参数设置指令发送至焦面电路组件；所述焦面电路组件固定于光学遥感器的焦面结构上，焦面电路组件包括N个并联的焦面电路单元；每个焦面电路单元包括焦面处理电路和焦面TDICCD电路，焦面处理电路和焦面TDICCD电路之间电气连接，焦面处理电路接收系统控制单元发出的工作参数设置指令，并生成时序信号输出给焦面TDICCD电路，用于驱动焦面TDICCD电路工作；焦面TDICCD电路生成TDICCD模拟图像信号并发送至焦面处理电路；焦面处理电路对TDICCD模拟图像信号进行滤波处理和模数转换，生成数字图像信号，通过高速串行SerDes接口芯片发送至外部的卫星数传分系统。
2.根据权利要求1所述的一种光学遥感器的电路系统，其特征在于：所述系统控制单元包括系统控制电路和焦面用二次电源电路；系统控制电路和焦面用二次电源电路通过穿板连接器进行层摞式连接；系统控制电路接收外部的卫星数管分系统发送的工作控制指令，所述工作控制指令包含上下电控制指令，系统控制电路根据该上下电控制指令，生成上下电时序控制信号，并发送至焦面用二次电源电路；焦面用二次电源电路根据上下电时序控制信号，完成电源的开启和关断，向焦面电路组件提供电源。
3.根据权利要求1所述的一种光学遥感器的电路系统，其特征在于：所述系统控制单元生成N个工作参数设置指令，并分别发送至焦面电路组件中的N个焦面电路单元；每个焦面电路单元中的焦面TDICCD电路包括两个TDI型CCD、驱动电路和读出电路；所述两个TDI型CCD拼接且位于光学遥感器的焦面结构的焦平面上；所述驱动电路接收焦面处理电路输出的一组时序信号，一组时序信号包含一个积分时间，用于同时驱动两个TDI型CCD工作，驱动电路发送TDICCD模拟图像信号至读出电路；所述读出电路将TDICCD模拟图像信号发送至焦面处理电路。
4.根据权利要求1所述的一种光学遥感器的电路系统，其特征在于：所述模数转换采用型号为LM98640的AD转换芯片完成；所述高速串行SerDes接口芯片型号为TLK2711。
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