旋转式CCD漂移扫描观测的控制模型研究

　　0 引 言

　　漂移扫描技术自20 世纪 80 年代初提出后，从90 年代末起已经广泛应用在天文观测研究中，国外已有一些光学望远镜安装了可以用漂移扫描方式采集数据的终端设备。同时，为满足空间目标侦察与监视等军事领域的需求，世界各国纷纷采用 CCD 漂移扫描观测模式实现对地球同步轨道空间目标的观测与监视，并在近几年开始应用于人造卫星与空间碎片的监测[1-5]。

　　但是，运用漂移扫描技术对恒星与人造目标进行观测，有着不同的观测条件。采用漂移扫描方式观测恒星，由于地球自转引起的恒星运动总是沿赤经方向，故 CCD 照相机可以总是固定在赤道式望远镜后端。而对人造目标进行观测时，由于人造目标的轨道面处于不同的方向，并且以不同的速度运动，只有通过精密控制的旋转式装置来旋转 CCD，保证人造目标的星像始终沿 CCD 的电荷并行移动方向进行移动，才能通过漂移扫描技术形成圆点星像，提高目标星像的信噪比。因此，有必要研究漂移扫描 CCD 的旋转控制模型，拓展CCD 漂移扫描技术在空间目标观测中的应用。

　　本文从理论上分析推导了旋转式CCD 漂移扫描观测的控制模型，并根据实验室现有条件，运用计算机仿真技术，通过对空间目标观测模拟方法的研究和应用[6-8]，实现了在这种观测模式下的星图实时模拟，为后继研究提供技术参考。

　　1 CCD 漂移扫描观测的数学模型

　　CCD 漂移扫描技术，是利用CCD 电荷逐步转移的原理，通过时序电路控制，使 CCD 电荷并行转移的速度和目标漂移线速度的大小相匹配。随着曝光的进行，同一目标的入射光子落在 CCD 光敏面的不同区域里，而电荷跟踪实现了电荷在转移过程中的累积效应，在电荷累积的同时实现电荷跟踪的目的[3]。

　　在漂移扫描模式下，任意时刻 CCD 光敏面电荷的累积输出模型都可以看成是由该时刻的电荷产生模型和转移模型两部分来组成。但是CCD 电荷的转移是通过时序脉冲控制逐步进行，任意时刻的电荷转移量都是由上一时刻的电荷产生量和转移量来构成，依次类推，CCD 光敏面电荷的累积输出模型也可仅由不同时刻的电荷产生模型来构造。

　　现将 CCD 漂移扫描观测的数学模型构造如下：

　　1) 假设 CCD 面阵的阵列大小为 M 行 N 列，M, N∈Z;

　　由上式知，脉冲控制周期 T 是对目标信号进行采样的时间间隔，影响着信号电荷量的有效累积。

　　2 旋转式 CCD 漂移扫描观测的数学模型

　　对移动速度方向会发生变化的目标，不仅要满足电荷并行转移的速度和目标漂移线速度的大小相匹配，而且要能够使二者移动速度的方向相匹配，才能够对信号电荷进行漂移扫描积累，因此需要对 CCD 进行旋转控制。由于 CCD 漂移扫描观测数学模型中的电荷累积方向与 CCD 的电荷转移方向是一致的，旋转式CCD 漂移扫描观测的数学模型构造可以基于漂移扫描观测的数学模型来完成。同时，数学模型的建立将涉及到不同角度的旋转控制问题，可转换为二维平面内的坐标旋转变换来实现，如图3 所示，其坐标旋转变换表达式如(4)所示