嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪电子学设计

　　0　引言

　　探月工程是继载人航天工程之后我国航天领域又一重大项目.我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》和《中国的航天》白皮书也明确提出开展以月球探测为主的深空探测研究.今年我国首颗月球探测卫星———嫦娥一号卫星圆满完成绕月探测任务,为我国深空探测领域迈出了里程碑的第一步.嫦娥一号卫星载荷之一———干涉成像光谱仪(Interference Imaging Spectrometer, IIS)主要任务是获取月球矿物的光谱信息并进而反演出全球分布信息,从而与Χ/γ谱仪一起完成首次月球探测的四大科学和应用目标之一———分析月球表面有用元素及物质类型的含量与分布[1-2].本文主要论述干涉成像光谱仪电子学系统的主要技术指标、结构组成及功能、各部分设计和一些实验结果.

　　1　电子学系统概述

　　1.1　主要技术指标

　　根据干涉成像光谱仪的总体技术指标要求,确定电子学系统的主要技术指标为:1)帧频:7.134fps;2)像元数:128×128(2×2像元合并后);3)量化等级:12 bits;4)增益设置:3档(×1、×1.5、×2);5)曝光控制:2档(140 ms和70 ms);6)信噪比:>200;7)工作模式:隔点采样和截短采样;8)环境温度:-10 ~45°C;9)峰值数据率<2 Mbps.

　　1.2　结构组成

　　干涉成像光谱仪电子学系统的主要任务是将CCD上每列(与飞行方向平行)所成的干涉图转换为数字信号,通过数据输出接口传送到大容量存储器和高速复接器.干涉成像光谱仪的工作参数和模式由下位机通过底板总线进行控制.

　　如图1,依据功能电子学系统可以分为:焦平面组件和视频处理控制组件两部分.焦平面组件位于光谱仪主体焦平面盒中,主要功能是电平转换、电压调节、视频缓冲和放大.视频处理组件在光学成像探测系统电控箱中,主要实现时序控制和低噪声视频信号处理功能.下位机与二次电源模块为光谱仪和立体相机共用模块.

　　1.3　工作模式

　　为了提高动态范围,干涉成像光谱仪设置两档曝光控制140 ms(缺省模式)和70 ms,如果140 m曝光时CCD饱和,则将帧频加倍,每两帧图象取一帧,从而将曝光时间调整为70 ms而输出数据率不变.为了提高信噪比,在行、列方向进行2×2像元合并,得到256×256图象,其中,在空间方向上只使用中间的128像元,在干涉图方向上使用256像元.为了减小输出数据率,干涉图采样采取两种工作模式:一是截短采样模式(缺省模式),即干涉图只取中间一半,这时对应于32个光谱通道;一是隔点采样模式,即取一点,丢一点,它对应的光谱通道数为64个.

　　下位机根据所接收的数据注入指令通过底板总线设置曝光时间和工作模式,由视频处理组件内部的时序模块实现.