采用压电陶瓷驱动器的高频像移补偿系统

　　0 引言

　　机载星载相机成像时不可避免的存在成像目标与系统探测器之间的相对运动进而导致成像质量下降，系统分辨率降低的问题[1-4]。对于速高比大、分辨率要求高的成像系统， 则需要应用像移补偿技术来补偿此相对运动。像移补偿方法通常有机械补偿法、光学补偿法、电子式补偿法3 种。机械补偿法是在曝光时间内，采用电机控制凸轮机构[3]或者压电陶瓷(PZT)驱动器[5]移动探测器，使之随着像运动;光学补偿法通常采用物镜前的回转反射镜来改变光束方向以实现补偿。机械凸轮补偿方法响应时间长， 适合应用于大面阵探测器成像、补偿周期低的情况。PZT 驱动器推动探测器补偿方式精度高、响应速度快。参考文献[6]采用高速CCD相机获得光轴偏移之后，由PZT 驱动器驱动焦面跟踪光轴实现补偿，能实现闭环控制周期3 ms 的稳像。电子式像移法则采用TDICCD 器件实现了像移补偿[7]。

　　目标高速成像系统的工作波段为1.0~2.5μm，采用制冷探测器，帧频约83.3Hz，沿轨方向一次成像4 个像元，穿轨方向一次成像256 个像元。针对此成像系统的像移补偿系统补偿频率高、探测器包括制冷组件等特点采用光学补偿法， 在望远光学系统之后放置PZT 驱动的补偿镜，驱动其回扫实现补偿。此方案避免了使用推动带制冷的探测器组件，减小了机械结构设计难度。

　　1 像移补偿方案的选择与原理

　　像移补偿原理图如图1 所示[1]，地物目标经补偿镜反射后进入光学系统成像，当对第n 帧图像曝光时，补偿镜回转指向地物目标， 补偿因平台前进而导致的地物与成像探测器的相对运动，实现稳像。曝光完毕后，补偿镜反向转动准备下一帧的成像补偿。平台在飞行高度为H，速度为v，曝光时间为t 的情况下，补偿镜位于光学系统前面时的补偿角度为：

　　若将补偿镜放置于光学望远系统之后，如图2 所示，则补偿镜口径需要减小而补偿角度需要增大。且补偿角度要乘以一个比例因子α ，其大小根据光学系统焦距与补偿镜放置位置参数而定，文中系统α =15，

　　补偿镜的运动曲线如图3 所示，纵坐标为运动角度，横坐标为时间。T0~T4为一个补偿周期，T1~T2为曝光段，此段补偿镜匀速运行，补偿相对运动，作为补偿精度得关键段，其存在的非线性部分将导致图像质量变差。补偿段补偿空域4 个像元宽度，补偿角度为θ ′，补偿精度按照1/5 像元计算， 则T1~T2曝光段补偿镜运行曲线误差应小于θ ′/20。

　　2 像移补偿系统的组成与实现

　　补偿镜装置采用德国PI 公司的S-340 二维偏转镜系统， 其偏转角度为2 mrad， 对于Φ50×15 的玻璃镜，谐振频率f0=900±20% Hz，内部包含LVDT 测角传感器， 控制电压为100 V， 等效电容为7.2±20% μF。PZT 驱动器由于受非线性、迟滞效应和蠕动效应等因素影响其控制精度，国内外学者多采用闭环控制和基于模型的开环控制来提高其精度。