CN109031452B - 一种多谱段探测器的拼接焦面组件及拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多谱段探测器的拼接焦面组件及拼接方法，本发明是将m谱段TDICCD探测器和n谱段TDICCD探测器进行光谱拼接实现多谱段成像的焦面组件，更换不同谱段的探测器即可实现不同数量的谱段成像，谱段最多可达16谱段，且16谱段在同一平面内；拼接后的多谱段成像的焦面组件再按视场拼接的方式实现大视场成像，可依据视场大小要求，增加或减少TDICCD探测器焦面拼接片数，拼接片数最多可达12片。

Description

一种多谱段探测器的拼接焦面组件及拼接方法

技术领域

本发明涉及一种多谱段探测器的拼接焦面组件及拼接方法，是一种通过视场拼接和光学拼接的方法实现高精度多谱段(谱段最多可达16谱段且从结构上讲16谱段均在同一平面内)、多片探测器(最多可达12片)的焦面探测技术，属于航天光学遥感器技术领域。

背景技术

现在航天光学遥感器的发展趋势是大视场、多谱段、高分辨率成像。

鉴于目前国内探测器(TDICCD器件)的制造能力和国外器件的采购限制，为满足相机幅宽的要求，需要进行TDICCD拼接，目前国内外在TDICCD拼接方面主要是通过机械拼接、视场拼接或光学拼接的方式实现多片TDICCD成像以满足大视场要求。机械拼接是将TDICCD首尾相连，容易破坏芯片；视场拼接是TDICCD在图像运动方向上错开一定距离，因此图像需要后期的地面处理；光学拼接是利用拼接棱镜使得透射面和反射面的TDICCD首尾搭接，光学拼接中的拼接棱镜又可采用半反半透式或全反全透式，半反半透棱镜需引入折射元件，在全反射光路中会带来色差，且光能利用率低，全反全透式拼接光能利用率高，适合在全反射式光学系统中采用，拼接处产生的渐晕可通过定标解决，因此通常相机焦面采用全反全透式光学拼接方式。

目前国内外在航天光学遥感领域应用的TDICCD器件多为全色谱段器件、五谱合一器件及多光谱器件等，如果把16谱段做到同一器件上的制造工艺目前国内外都很难实现，单片器件最多可实现8谱段同时成像。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有TDICCD探测器制造技术的不足，提出了一种应用于多谱段探测器的拼接焦面组件及拼接方法，实现高精度多谱段(谱段最多可达16谱段)、多片TDICCD(最多可达12片)的大视场高分辨率遥感成像探测技术。

本发明的技术方案是：一种多谱段探测器的拼接系统，包括N套拼接焦面组件，以及拼接基框和拼接镜组件；利用拼接基框和拼接镜组件将多套拼接焦面组件进行光学拼接并成像；N为正整数。

每套拼接焦面组件包括m谱段TDICCD器件、n谱段TDICCD器件、可微调电路板、第二穿板接插件、第一穿板接插件、多谱段电路板A、多谱段电路板B驱动电路板A、驱动电路板B、第一驱动接插件、第二驱动接插件和图像输出接插件；m谱段TDICCD器件安装在多谱段电路板A上，n谱段TDICCD器件安装在多谱段电路板B上，多谱段电路板A和多谱段电路板B通过可微调电路板连接；多谱段电路板A还通过第一穿板接插件与驱动电路板A连接，接收并使用来自第一驱动接插件的驱动信号；n谱段电路板还通过第二穿板接插件与驱动电路板B连接，接收并使用来自第二驱动接插件的驱动信号，m谱段TDICCD器件的图像信号通过多谱段电路板A上的图像输出接插件，输出图像信号；n谱段TDICCD器件的图像信号通过可微调电路板将图像信号传输到多谱段电路板A上的图像输出接插件，输出图像信号。

每套焦面拼接组件利用可微调电路板的可微调性能，通过拼接配准使m谱段TDICCD器件和n谱段TDICCD器件的像元对齐，从而实现m+n谱段TDICCD器件的遥感成像，推扫成像时m+n谱段均对同一地物成像。

每套拼接焦面组件还包括散热板；散热板安装在m谱段TDICCD器件和n谱段TDICCD器件下面，用于给m谱段TDICCD器件散热。

每套拼接焦面组件还包括包覆在拼接焦面组件的最外边电磁屏蔽壳体，用于电磁屏蔽；所述电磁屏蔽壳体为金属壳体。

一种多谱段探测器的拼接方法，步骤如下：

1)用螺钉及垫片连接拼接基框和拼接镜组件；

2)采用三坐标测试法测试m谱段TDICCD器件上的m谱段透射区通光口中心与拼接镜组件上拼接镜相交点到拼接基框的定位基准尺寸、拼接镜镜面到m谱段TDICCD器件上透射区和反射区TDICCD安装面的角度、m谱段TDICCD器件上反射区与透射区光程偏差小于0.1mm，根据实测位置调整拼接镜组件；

3)将m谱段TDICCD器件粘接在拼接基框的TDICCD托框上，调整m谱段TDICCD器件的位置，使m谱段TDICCD器件位于拼接基框TDICCD托框凹槽的居中位置；

4)将n谱段TDICCD器件粘接在拼接基框的TDICCD托框上，调整n谱段TDICCD器件的位置，使n谱段TDICCD器件位于拼接基框TDICCD托框凹槽的居中位置；

5)选择一个m谱段TDICCD器件为基准器件，将此m谱段TDICCD器件通过垫片与拼接基框连接，粗调使m谱段TDICCD器件上的CCD的偏转方向及位置与设计值的误差小于0.01mm，测量CCD上多点的像元共焦偏差，修磨垫片，直到共焦偏差小于0.002mm，固定此片m谱段TDICCD器件；

6)以步骤5)拼接好的m谱段TDICCD器件为基准，调整其他m谱段TDICCD器件的位置，使多片m谱段TDICCD器件的垂直线阵位置偏差小于0.002mm；

7)n谱段TDICCD器件的拼接，通过调整可微调电路板使n谱段TDICCD器件与m谱段TDICCD器件在垂直方向的距离满足设计值±0.002mm；

8)以步骤7)拼接好的n谱段TDICCD器件为基准，其它n谱段TDICCD器件在直线性方向上保证与此片n谱段TDICCD器件的偏差小于0.002mm，在像元重叠方向，保证多片n谱段TDICCD器件器件对准，对准偏差优于0.002mm，共焦方向均以作为基准的m谱段TDICCD器件为准，保证共焦精度优于±10μm，拼接完成。

所述步骤4)、步骤5)中采用光学结构胶将m谱段TDICCD器件以及n谱段TDICCD器件粘接在拼接基框的TDICCD托框上，且光学结构胶不能遮挡器件表面像元。

所述步骤6)中测量CCD上多点的像元共焦偏差，其中多点为至少4个点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、随着航天科技的迅猛发展，及航天应用的日益拓广，军民用户对多谱段大视场探测需求日益增加，迫切需要实现多谱段长线阵TDICCD器件成像，但目前国内外TDICCD探测器加工工艺限制了单片TDICCD的谱段数及单片TDICCD的线阵长度，尤其是国内的TDICCD加工能力较差，还不能加工出满足需求的五谱及以上的谱段需求及像元超过12288像元的线阵长度要求，且受国外的禁运限制，导致目前我们航天使用的TDICCD器件的谱段数多为五谱器件，线阵长度12288像元，现有的拼接方法多是将多片五谱器件进行拼接实现大视场，或将不同谱段的两片器件分别放在不同的拼接焦面上进行拼接实现多谱段，增加了拼接难度且拼接精度有限，现有的器件资源及拼接方法已经无法满足用户使用要求，需要改进TDICCD拼接技术，以实现多谱段和大视场成像，在本需求下提出了本发明。

2、本发明通过可微调电路板进行两片器件的多谱段拼接，解决了单片TDICCD器件谱段数不足的问题，推扫成像时多谱段均对同一地物成像，最多可现实16谱段成像，又通过视场拼接和光学拼接相结合的方式实现多套拼接焦面组件多谱段大视场成像，解决了单片器件像元不够实现大视场的问题，最多可实现12片TDICCD拼接成像。

3、通过此发明的拼接焦面组件和拼接方法即保证了单片器件的谱段数量、又保证了视场幅宽和高分辨率，可满足多领域、多行业用户对多谱段高分辨率大视场高成像质量图像产品的迫切需求。

附图说明：

图1为本发明的m谱段器件和n谱段器件安装示意图；

图2为本发明的m谱段器件和n谱段器件在拼接基框上的位置示意图；

图3为本发明的光学拼接示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的结构组成和工作原理。

本发明以五谱段TDICCD器件和四谱段TDICCD进行光谱拼接实现多谱段成像进行说明，更换器件即可实现不同数量的谱段成像，且每种TDICCD器件数量为3片，可按视场大小的要求，增加或减少TDICCD探测器拼接片数。

相机焦面组件由3片五谱段和3片四谱段TDICCD探测器组成，采用光学拼接的方式进行共线拼接，其中每片五谱段TDICCD探测器和每片四谱段TDICCD探测器，通过视场拼接和光学拼接的方式拼接成9谱段，且拼接后的多谱段探测器均在同一平面内，每片拼接后的多谱段作为一片TDICCD器件组合，共3片TDICCD器件组合，3片多谱段TDICCD器件组合通过反射镜光学拼接，3片9谱段TDICCD器件组合中相同的谱段处于同一视场，可等效为一个长线阵。从光学角度上看，在反射镜拼接区，同一视场的光通过反射镜时，在拼接区反射镜将光能量分为二部分，分别照射在五谱段TDICCD探测器和四谱段TDICCD探测器上，即二个器件拼接区同名像元是对着同一地物。多片器件反射式拼接的偶数片器件对应视场内光束采用拼接反射镜折转光路，奇数片器件对应视场内光束直接透射至其焦面位置。

卫星飞行中相机对地成像时，TDICCD器件同谱段同时对目标成像推扫成像。因为是同时成像，可以保证地面成像时的几何精度，拼接区，由于反射镜遮挡，片间拼接处有黑缝的现象，需进行辐射效正处理。因此卫星姿态误差、偏流角校正误差同时同等程度地作用在各片器件上，对各片器件同谱段图像几何拼接无影响。

如图1、图2和图3所示，为本发明的多谱段TDICCD拼接示意图。

本发明的一种多谱段探测器的拼接系统具体实施包括3套拼接焦面组件，以及一个拼接基框15和一个拼接镜组件16；利用拼接基框15和拼接镜组件16将多套拼接焦面组件进行光学拼接。

每套拼接焦面组件包括散热板1、五谱段TDICCD器件2、四谱段TDICCD器件3、电磁屏蔽壳体4、可微调电路板5、第二穿板接插件6、第一穿板接插件7、五谱段电路板A8、四谱段电路板B9驱动电路板A10、驱动电路板B11、第一驱动接插件12、第二驱动接插件13、图像输出接插件14；

五谱段TDICCD器件2安装在五谱段电路板A8上，四谱段TDICCD器件3安装在四谱段电路板B9上，五谱段电路板A8和四谱段电路板B9通过可微调电路板5连接，此外五谱段电路板A8还通过第一穿板接插件7与驱动电路板A连接，接收并使用来自第一驱动接插件12的驱动信号；四谱段电路板9还通过第二穿板接插件6与驱动电路板B连接，接收并使用来自第二驱动接插件13的驱动信号，五谱段TDICCD器件2的图像信号通过五谱段电路板A8上的图像输出接插件14，输出图像信号；四谱段TDICCD器件3的图像信号可通过可微调电路板5将图像信号传输到四谱段电路板A8上的图像输出接插件14，输出图像信号。

散热板1安装在m谱段TDICCD器件2和n谱段TDICCD器件3下面，用于给TDICCD器件散热，电磁屏蔽壳体4是上述单套拼接焦面组件的金属壳体。

单套焦面拼接组件利用可微调电路板5的可微调性能，通过拼接配准使五谱段TDICCD器件2和四谱段TDICCD器件3的像元对齐，从而实现9谱段TDICCD器件的遥感成像，推扫成像时9谱段均对同一地物成像。

利用拼接基框15和拼接镜组件16对3套拼接焦面组件进行光学拼接，实现了3套焦面组件的拼接。

一种多谱段探测器的拼接焦面组件的拼接方法，利用可微调电路板5的可微调性能，在拼接时实现3片五谱段TDICCD器件2和3片四谱段TDICCD器件3的像元对齐的具体方法为：

1)用螺钉及垫片连接拼接基框15和拼接镜组件16，用卡位座工装保证拼接基框15和拼接镜组件16的位置关系；

2)用三坐标测试五谱段透射区通光口中心与拼接镜相交点到拼接基框的定位基准尺寸、拼接镜镜面到透射区和反射区TDICCD安装面的角度、反射区与透射区等光程测试，控制光程偏差0.1mm，根据实测位置调整拼接镜组件16；

3)用拼接仪分别测量3片五谱段TDICCD器件和3片四谱段TDICCD器件的线阵总长，为86.016mm；

4)用光学结构胶将五谱段TDICCD探测器粘接在拼接基框的TDICCD托框上，调整TDICCD器件位置，使器件位于拼接基框TDICCD托框凹槽的居中位置，要求胶不能遮挡器件表面像元；

5)用光学结构胶将四谱段TDICCD探测器粘接在拼接基框的TDICCD托框上，调整TDICCD器件位置，使器件位于拼接基框TDICCD托框凹槽的居中位置，要求胶不能遮挡器件表面像元；

6)选择第二套拼接焦面组件上的五谱段TDICCD器件为基准器件，将此五谱段TDICCD组件通过垫片与拼接基框15连接，使CCD缺口方向与设计一致，粗调使CCD的偏转方向及位置与设计值的误差小于0.01mm，测量CCD上多处(至少4点)的像元共焦偏差，修磨垫片，直到共焦偏差0.008mm；再通过精密位置调整保证精调后的直线性与重叠像元位置精度与设计值误差0.002mm，粘接此片五谱段TDICCD；

7)以步骤6)拼接好的第二套拼接焦面上的五谱段TDICCD为基准，调整第一套和第三套拼接焦面上的五谱段TDICCD的位置，使3片五谱段TDICCD的垂直线阵位置偏差0.002mm；重叠区长度1.68mm，3片五谱段TDICCD像元共面精度10μm；

8)对第二套拼接焦面组件上的四谱段TDICCD器件进行拼接，通过调整可微调电路板5使四谱段器件与五谱段器件在垂直方向的距离满足设计值要求，以中心标记为准，对准偏差0.002mm；

9)以拼接好的第二套拼接焦面组件上的四谱段TDICCD为基准，其它四谱段TDICCD在直线性方向上保证与此四谱段TDICCD的偏差0.002mm，在像元重叠方向，保证3片四谱段TDICCD器件对准，对准偏差0.002mm，共焦方向，均以第二套拼接焦面组件上的五谱段TDICCD为准，保证共焦精度10μm；

10)9谱段探测器的3套拼接焦面组件拼接完成。

Claims (7)

1.一种多谱段探测器的拼接系统，其特征在于：包括N套拼接焦面组件，以及拼接基框(15)和拼接镜组件(16)；利用拼接基框(15)和拼接镜组件(16)将多套拼接焦面组件进行光学拼接并成像；N为正整数；

每套拼接焦面组件包括m谱段TDICCD器件(2)、n谱段TDICCD器件(3)、可微调电路板(5)、第二穿板接插件(6)、第一穿板接插件(7)、多谱段电路板A(8)、多谱段电路板B(9)驱动电路板A(10)、驱动电路板B(11)、第一驱动接插件(12)、第二驱动接插件(13)和图像输出接插件(14)；m谱段TDICCD器件(2)安装在多谱段电路板A(8)上，n谱段TDICCD器件(3)安装在多谱段电路板B(9)上，多谱段电路板A(8)和多谱段电路板B(9)通过可微调电路板(5)连接；多谱段电路板A(8)还通过第一穿板接插件(7)与驱动电路板A(10)连接，接收并使用来自第一驱动接插件(12)的驱动信号；n谱段电路板(9)还通过第二穿板接插件(6)与驱动电路板B(11)连接，接收并使用来自第二驱动接插件(13)的驱动信号，m谱段TDICCD器件(2)的图像信号通过多谱段电路板A(8)上的图像输出接插件(14)，输出图像信号；n谱段TDICCD器件(3)的图像信号通过可微调电路板(5)将图像信号传输到多谱段电路板A(8)上的图像输出接插件(14)，输出图像信号。

2.根据权利要求1所述的一种多谱段探测器的拼接系统，其特征在于：每套焦面拼接组件利用可微调电路板(5)的可微调性能，通过拼接配准使m谱段TDICCD器件(2)和n谱段TDICCD器件(3)的像元对齐，从而实现m+n谱段TDICCD器件的遥感成像，推扫成像时m+n谱段均对同一地物成像。

3.根据权利要求1或2所述的一种多谱段探测器的拼接系统，其特征在于：每套拼接焦面组件还包括散热板(1)；散热板(1)安装在m谱段TDICCD器件(2)和n谱段TDICCD器件(3)下面，用于给m谱段TDICCD器件(2)散热。

4.根据权利要求1或2所述的一种多谱段探测器的拼接系统，其特征在于：每套拼接焦面组件还包括包覆在拼接焦面组件的最外边电磁屏蔽壳体(4)，用于电磁屏蔽；所述电磁屏蔽壳体(4)为金属壳体。

5.一种多谱段探测器的拼接方法，其特征在于步骤如下：

1)用螺钉及垫片连接拼接基框(15)和拼接镜组件(16)；

2)采用三坐标测试法测试m谱段TDICCD器件(2)上的m谱段透射区通光口中心与拼接镜组件(16)上拼接镜相交点到拼接基框(15)的定位基准尺寸、拼接镜镜面到m谱段TDICCD器件(2)上透射区和反射区TDICCD安装面的角度、m谱段TDICCD器件(2)上反射区与透射区光程偏差小于0.1mm，根据实测位置调整拼接镜组件(16)；

3)将m谱段TDICCD器件(2)粘接在拼接基框(15)的TDICCD托框上，调整m谱段TDICCD器件(2)的位置，使m谱段TDICCD器件(2)位于拼接基框(15)TDICCD托框凹槽的居中位置；

4)将n谱段TDICCD器件(3)粘接在拼接基框(15)的TDICCD托框上，调整n谱段TDICCD器件(3)的位置，使n谱段TDICCD器件(3)位于拼接基框(15)TDICCD托框凹槽的居中位置；

5)选择一个m谱段TDICCD器件(2)为基准器件，将此m谱段TDICCD器件(2)通过垫片与拼接基框(15)连接，粗调使m谱段TDICCD器件(2)上的CCD的偏转方向及位置与设计值的误差小于0.01mm，测量CCD上多点的像元共焦偏差，修磨垫片，直到共焦偏差小于0.002mm，固定此片m谱段TDICCD器件(2)；

6)以步骤5)拼接好的m谱段TDICCD器件(2)为基准，调整其他m谱段TDICCD器件(2)的位置，使多片m谱段TDICCD器件(2)的垂直线阵位置偏差小于0.002mm；

7)n谱段TDICCD器件(3)的拼接，通过调整可微调电路板(5)使n谱段TDICCD器件(3)与m谱段TDICCD器件(2)在垂直方向的距离满足设计值±0.002mm；

8)以步骤7)拼接好的n谱段TDICCD器件(3)为基准，其它n谱段TDICCD器件(3)在直线性方向上保证与此片n谱段TDICCD器件(3)的偏差小于0.002mm，在像元重叠方向，保证多片n谱段TDICCD器件(3)器件对准，对准偏差优于0.002mm，共焦方向均以作为基准的m谱段TDICCD器件(2)为准，保证共焦精度优于±10μm，拼接完成。

6.根据权利要求5所述的一种多谱段探测器的拼接方法，其特征在于：所述步骤4)、步骤5)中采用光学结构胶将m谱段TDICCD器件(2)以及n谱段TDICCD器件(3)粘接在拼接基框(15)的TDICCD托框上，且光学结构胶不能遮挡器件表面像元。

7.根据权利要求5所述的一种多谱段探测器的拼接方法，其特征在于：所述步骤6)中测量CCD上多点的像元共焦偏差，其中多点为至少4个点。