劉永征, 劉學(xué)斌, 劉文龍, 張 昕, 陳小來(lái)

(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著高光譜成像遙感不斷發(fā)展進(jìn)步,所需空間分辨率越來(lái)越高,這就要求圖像幅面足夠?qū)?而光譜分析要求的譜段數(shù)不斷增加及光譜分辨率的進(jìn)一步提高,同時(shí)要求干涉成像電路干涉圖方向采樣點(diǎn)數(shù)足夠多,即推掃方向上圖像足夠?qū)?、幀頻足夠高。由此帶來(lái)電路功耗、時(shí)鐘頻率不斷提高,電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)的問(wèn)題越來(lái)越明顯。

衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展到今天,載荷種類不斷增加,平臺(tái)的電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。這就要求整星不斷加強(qiáng)EMC的管控。近年來(lái),隨著整星EMI性能測(cè)試條件的逐漸明確,越來(lái)越多的遙感載荷暴露出EMC測(cè)試超標(biāo)的問(wèn)題[1-2]。而在眾多的星載遙感成像設(shè)備中,高光譜成像儀CE102和RE102超標(biāo)現(xiàn)象比較常見(jiàn)。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于大面陣、高幀頻的高光譜成像儀高速電路EMC設(shè)計(jì)的研究較少,且往往僅限于某個(gè)局部問(wèn)題的解決,未能從成像光譜儀的整體考慮進(jìn)行研究[3-4]。本文結(jié)合高光譜遙感星載大孔徑干涉成像光譜(large aperture static imaging spectrometry,LASIS)技術(shù)成像儀電路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),探索星載高光譜成像儀電路EMC設(shè)計(jì)的理論方法和技術(shù)手段,從而為更多的星載高速成像設(shè)備滿足航天可靠性提供技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)支撐。

作者最近設(shè)計(jì)的在軌運(yùn)行星載高光譜成像儀最高圖像吞吐率達(dá)到9.6 Gbps,在軌運(yùn)行多年,工作狀態(tài)良好。表明作者設(shè)計(jì)的高分辨率高光譜遙感高速成像儀,實(shí)現(xiàn)了較為良好的EMC設(shè)計(jì)效果。

1 高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)及電路組成

高光譜成像儀系統(tǒng)電子學(xué)部分主要由焦面組件(含可見(jiàn)光焦面組件和紅外焦面組件)、信號(hào)處理器和光譜成像儀控制器3部分組成，如圖1所示。焦面組件的主要功能是將遙感成像儀光學(xué)系統(tǒng)獲取的地物目標(biāo)反射太陽(yáng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào);信號(hào)處理器的主要功能是將焦面電路的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后并將數(shù)字信號(hào)拼接成帶有時(shí)間和曝光信息的圖像數(shù)據(jù),最后將圖像數(shù)據(jù)壓縮后再分包整理成便于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù)包。光譜儀控制器的主要功能是接收整星數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的指令,按命令控制成像儀加斷電、分發(fā)遙控遙測(cè)指令和時(shí)間信號(hào)。

為使高光譜成像儀實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率,采用定制的2 048×256背照式大面陣幀轉(zhuǎn)移高幀頻電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)作為電子學(xué)可見(jiàn)光焦面組件探測(cè)器,其并行輸出端口達(dá)到32個(gè),每個(gè)端口模擬視頻像元速率高達(dá)35 MHz。

圖1 遙感星載高光譜成像儀的組成框圖

圖像處理單元采用高速并行處理現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(field programmable gate array, FPGA)對(duì)高速模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像拼接后先進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮,最后再進(jìn)行多路串化高速輸出。

1.1 高速CCD驅(qū)動(dòng)電路

航天遙感為獲取高的空間分辨率和寬的對(duì)地遙感幅面,選用大面陣高速CCD。CCD電荷讀出需要具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的高速驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)有6路垂直轉(zhuǎn)移、3路水平轉(zhuǎn)移、復(fù)位等,且最窄的高速驅(qū)動(dòng)脈沖半高寬達(dá)到9 ns,驅(qū)動(dòng)電壓擺幅高、電流大,極易產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI問(wèn)題[5-6]。

1.2 高速多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

高速高光譜成像儀要實(shí)時(shí)處理32個(gè)通道的高速CCD模擬視頻信號(hào),需選擇針對(duì)航天遙感模擬視頻的多通道高速模數(shù)專用處理芯片。

圖2 高速高光譜成像儀電路

在新研制的某民用星載遙感高速高光譜成像儀中,采用8片四通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADDI7004搭建的大面陣、高幀頻高速高光譜成像儀電子學(xué)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了2 048×256圖像幅面、幀頻1 500 fps的指標(biāo)設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在此指標(biāo)下,可見(jiàn)光近紅外光譜通道圖像數(shù)據(jù)量在1 500 fps下達(dá)到9.6 Gbps。ADDI7004的每個(gè)通道并行輸入模擬視頻的像元頻率在35 MHz,采用12 bit量化,每片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量高達(dá)4×40 MHz×12 bit=1.92 Gb/s。此部分電路是復(fù)雜的高速模數(shù)混合電路,故對(duì)電路布局、布線和阻容參數(shù)控制以及數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)的要求較高[7]。

1.3 高速圖像數(shù)據(jù)傳輸電路

高光譜成像儀系統(tǒng)中,可見(jiàn)光近紅外譜段純圖像數(shù)據(jù)量為2 048×256×12 bit×1 500 fps=9.44 Gbps,加上幀頻、時(shí)間碼、曝光時(shí)間等輔助數(shù)據(jù),可見(jiàn)光近紅外光譜通道數(shù)據(jù)量最高達(dá)到9.6 Gbps;短波紅外譜段數(shù)據(jù)量最高達(dá)1.2 Gbps。

可見(jiàn)光近紅外圖像數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)壓縮電路主備份各采用8片高速串行SerDes傳輸芯片TLK2711;短波紅外主備各采用4片TLK2711將圖像數(shù)據(jù)送給壓縮編碼電路。壓縮后的圖像數(shù)據(jù)輸出電路主備各采用4片TLK2711實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星遙感圖像的高速輸出。

TLK2711是千兆高速串行收發(fā)器芯片,其內(nèi)部將并行數(shù)據(jù)分為高8位和低8位,將16位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行8 bit/10 bit編碼后,用10倍頻時(shí)鐘提升為高速串行數(shù)據(jù)輸出。宇航級(jí)產(chǎn)品在超高速、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向傳輸系統(tǒng)中可達(dá)到1.6～2.5 Gbps的串行數(shù)據(jù)率,信號(hào)帶寬超過(guò)2.16 GHz。該芯片使用中對(duì)印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局、布線、走線阻抗參數(shù)和發(fā)送時(shí)鐘品質(zhì)的要求較高[8-9]。

2 高光譜成像儀EMC設(shè)計(jì)

高光譜成像儀EMC設(shè)計(jì)的基本原則是接地、濾波和屏蔽。針對(duì)性EMC設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)大的方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)規(guī)劃:一是電路設(shè)計(jì)方面,盡可能地降低電路對(duì)其他載荷的干擾,即對(duì)外輻射水平;二是高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)殼體設(shè)計(jì)方面,確保金屬殼體的搭接及良好的屏蔽性能[10-12]。

2.1 電路的EMC設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路EMC設(shè)計(jì)部分,針對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)電壓種類多、速度高、擺幅寬的特點(diǎn),特意設(shè)計(jì)了模擬地、數(shù)字地層,并且將模擬地進(jìn)行了精細(xì)的接地層分割,充分考慮了11路CCD垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作頻率及電壓擺幅,確保大擺幅、短升降時(shí)間的CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)不會(huì)影響敏感的32路高速CCD模擬視頻信號(hào)。為降低EMI,在驅(qū)動(dòng)脈沖頻率能滿足CCD需求的前提下,盡量降低驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿斜率[13],最大可能地降低了EMI發(fā)射,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。高光譜成像儀分系統(tǒng)二次電源電路的作用,是將衛(wèi)星平臺(tái)提供的+28 V電源轉(zhuǎn)換為分系統(tǒng)成像電路和控制電路工作所需的+24 V、+16 V、+10 V、+5 V等多軌低壓電源,是以功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件為主的多頻率成份功率電路。這樣就使得半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件周期性地工作在通斷狀態(tài),并通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件的時(shí)間占空比來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。脈寬調(diào)制(pluse width modulation, PWM)的工作方式使得電源電路難以避免地產(chǎn)生周期性雜波,雜波的頻譜分布在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)和其二階諧波頻率點(diǎn)附近。針對(duì)開(kāi)關(guān)頻點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波電路,濾除大電流開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電源線傳導(dǎo)輻射[14]。

圖3 CCD驅(qū)動(dòng)電路

制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分使用反熔絲工藝可編程器件A54SX72A產(chǎn)生脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)器IR2110(突變電壓≥50 V/ns),兩片IR2110控制H橋的4個(gè)橋臂的場(chǎng)效應(yīng)管IRFN150開(kāi)通和關(guān)斷,場(chǎng)效應(yīng)管IRFN150在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生很大的dv/dt和di/dt信號(hào)[15]。電場(chǎng)的變化產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),這些瞬變信號(hào)共同作用產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射干擾。制冷機(jī)PWM調(diào)制電路的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)開(kāi)關(guān)頻率12.8 kHz和25.6 kHz頻點(diǎn)輻射干擾較強(qiáng)。在濾波和退耦電路的設(shè)計(jì)方面,專門針對(duì)制冷機(jī)電路的工作頻率和電壓幅度,設(shè)計(jì)針對(duì)性的RC濾波、π型濾波電路[16]，濾波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 帶有瞬態(tài)抑制功能的EMI濾波電路

為最大程度降低大面陣、高幀頻高光譜成像儀32個(gè)通道之間的傳輸干擾,高速模擬視頻傳輸采用差分傳輸方式,使32路CCD模擬視頻都經(jīng)過(guò)單端轉(zhuǎn)差分電路轉(zhuǎn)換成差分模擬信號(hào)，如圖5所示,視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADDI7004支持差分輸入。為了加強(qiáng)ADDI7004應(yīng)用于航天遙感的航天適應(yīng)性,物理實(shí)現(xiàn)上,電路的差分傳輸線終端用100 Ω電阻端接以匹配阻抗。此部分電路布線和參數(shù)設(shè)置,充分兼顧了信號(hào)完整性要求和EMC的匹配[17]。根據(jù)高光譜成像儀載荷系統(tǒng)單機(jī)劃分的特點(diǎn),進(jìn)行了系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì):成像電路部分電源地和信號(hào)地在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)部分經(jīng)鐵氧體磁珠進(jìn)行隔離劃分;信號(hào)處理器中信號(hào)地和電源地經(jīng)過(guò)磁珠隔離,最終各個(gè)單機(jī)信號(hào)地和電源地在高光譜成像儀控制器中匯集到一點(diǎn)[18],具體如圖6所示。

圖5 CCD模擬視頻單端轉(zhuǎn)差分電路

CB板上高速SerDes信號(hào)走線嚴(yán)格控制信號(hào)完整性,定義疊層結(jié)構(gòu)時(shí),讓差分線走線層處于上下地層之間,形成帶狀線;控制差分對(duì)正負(fù)線的長(zhǎng)度適配和嚴(yán)格耦合[19];走線轉(zhuǎn)彎角度大于90°,阻抗控制在(100±1) Ω。

2.2 成像儀結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計(jì)

電磁屏蔽是利用低電阻率的金屬導(dǎo)體材料對(duì)電磁輻射能的反射和引導(dǎo)作用,在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與源電磁場(chǎng)相反的電場(chǎng)和磁場(chǎng)極化,從而減弱源電磁場(chǎng)的輻射效果[20]。由于高光譜成像儀電控箱上孔洞、面板連接器縫隙會(huì)引起結(jié)構(gòu)箱屏蔽金屬材料導(dǎo)電不連續(xù),并產(chǎn)生電磁泄露,故屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證屏蔽的完整性。箱體搭接處縫隙深而窄,泄露就小,故需盡可能減小結(jié)合縫隙的寬度;同時(shí)盡可能增大結(jié)合面的深度以提高電磁屏蔽效果[21]。設(shè)計(jì)采取的具體措施如下。

圖6 高光譜成像儀電路接地設(shè)計(jì)

高光譜成像儀的結(jié)構(gòu)件均采用金屬外殼,除了安裝光學(xué)組件玻璃的成像儀主體采用鈦合金外,焦面組件、信號(hào)處理器和控制器等電控箱的金屬殼均采用鋁材。

為保證可靠接地,分系統(tǒng)所有電控箱上連接器及有搭接縫的金屬板與接地樁之間的搭接電阻都控制在小于等于5 mΩ[22]。所有接插件、安裝螺釘與外殼間涂抹導(dǎo)電膠保持良好的導(dǎo)通性,并且磁密封良好,最終確保整體外殼具有良好的電磁屏蔽性能。

機(jī)箱的上下蓋板結(jié)合處采用凹凸對(duì)接加螺釘緊固的設(shè)計(jì),凹槽深度較深且窄,以減少接縫泄露。

蓋板之間的緊固螺釘要同時(shí)滿足強(qiáng)度足夠,屏蔽嚴(yán)密。螺釘布設(shè)越密屏蔽效果越好,但過(guò)密也會(huì)降低裝配效率。從電磁屏蔽設(shè)計(jì)考慮,縫隙的最大尺寸范圍為λ/10～λ/100,高光譜成像儀結(jié)構(gòu)箱體根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并考慮裕量取螺釘間距為λ/200。

箱體安裝連接器時(shí),預(yù)鎖緊完成后,先將PCB板與機(jī)箱結(jié)構(gòu)件松開(kāi)后鎖緊,再將連接器和PCB板松開(kāi)后鎖緊(鎖緊力矩按0.5～0.6 N·m進(jìn)行控制),最后將連接器和面板松開(kāi)后鎖緊(鎖緊力矩按0.7～0.8 N·m進(jìn)行控制)。為了確保緊固性和導(dǎo)電性,在安裝螺釘與螺母的配合位置涂抹導(dǎo)電螺紋膠進(jìn)行加固。

要求電控箱所有對(duì)外連接電纜采用屏蔽電纜,屏蔽層應(yīng)無(wú)截?cái)嗲移帘尾牧吓挪季鶆蚓o密;屏蔽層與插頭連接器360°環(huán)形包接;連接器對(duì)接后用螺釘加固擰緊,保證插頭外殼、插座外殼、電控箱內(nèi)部電路得到完整連續(xù)的屏蔽。

電纜設(shè)計(jì)時(shí)先對(duì)高速電纜線進(jìn)行了對(duì)比選型,通過(guò)比對(duì)進(jìn)口電纜線RCN8687和國(guó)產(chǎn)高速電纜線FFCH10-100 2×24的屏蔽效能,發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)線屏蔽效率高于進(jìn)口線2 dB/m。傳輸鏈路中連接器和線纜均采取屏蔽措施,連接器縫隙,涂抹導(dǎo)電屏蔽膠。此外,在外層增加用雙面鍍鋁聚酯薄膜對(duì)電纜及電纜連接器整體包裹來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)屏蔽作用[23]。

作為高精度遙感成像設(shè)備,高光譜成像儀在進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)不像普通光電成像設(shè)備可以在光學(xué)玻璃上加金屬絲夾層[24],但可通過(guò)從結(jié)構(gòu)上特別加長(zhǎng)遮光罩來(lái)增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的光線入瞳處開(kāi)放空間的電磁屏蔽設(shè)計(jì)效果。

3 星載高光譜成像儀EMC測(cè)試

先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了EMC試驗(yàn)前成像檢查測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)模擬器光照下獲取的均勻光干涉圖像及室外自然光下推掃的LASIS高光譜成像儀圖像如圖7所示。

圖7 LASIS高光譜成像儀獲取高分辨圖像

為考核電子學(xué)系統(tǒng)的安全性,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了10%電壓拉偏測(cè)試,如圖8所示，系統(tǒng)在電壓拉偏及高低溫條件下的功能及圖像數(shù)據(jù)均正常。設(shè)計(jì)的電子學(xué)系統(tǒng)還隨同高光譜成像儀光機(jī)系統(tǒng)通過(guò)了熱應(yīng)力篩選及力學(xué)環(huán)境考核,測(cè)試結(jié)果均表明:星載高速高光譜成像儀功能可靠,性能指標(biāo)良好。

圖8 高速高光譜成像儀EMI測(cè)試

為測(cè)試高光譜成像分系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)有效性,按照GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分系統(tǒng)初樣產(chǎn)品進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)[25-26],試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果如表1所示。針對(duì)初樣基線產(chǎn)品出現(xiàn)的超標(biāo),CE102的超標(biāo)頻點(diǎn)包括166.8 kHz、1.222 MHz和3.394 MHz,166.8 kHz均為紅外探測(cè)器制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中H橋中MOSFET器件IRFN150開(kāi)關(guān)的工作頻率,1.222 MHz和3.394 MHz頻點(diǎn)為制冷機(jī)開(kāi)關(guān)電源模塊工作的倍頻點(diǎn)。優(yōu)化該器件供電軌上π型濾波電路參數(shù)后,超標(biāo)頻段被壓制,復(fù)測(cè)測(cè)試效果如圖9(b)所示。RE102的超標(biāo)頻段,1.25 GHz高速SerDes傳輸發(fā)射頻率超標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)后,改善情況如圖9(d)所示。

表1 高光譜成像儀測(cè)試EMC項(xiàng)目

圖9 高光譜成像儀基線產(chǎn)品電磁兼容超標(biāo)與針對(duì)性設(shè)計(jì)后效果比對(duì)

4 結(jié) 論

高光譜遙感成像分辨率和幅寬指標(biāo)不斷攀升,要求大面陣、高速CCD成像電路采用大擺幅、高速驅(qū)動(dòng),多通道并行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換及多通道高速串行數(shù)據(jù)傳輸,由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。本研究為改善EMI進(jìn)行了有益的針對(duì)性設(shè)計(jì),測(cè)試驗(yàn)證證明了EMC設(shè)計(jì)的有效性,且EMI設(shè)計(jì)對(duì)高光譜成像功能及性質(zhì)指標(biāo)提升沒(méi)有制約。EMC設(shè)計(jì)方法及實(shí)施措施提升了高速高光譜成像儀的可靠性,為遙感高光譜成像電子學(xué)設(shè)計(jì)的規(guī)范化提供了幫助。