高光谱遥感高速成像电路电磁兼容设计

刘永征, 刘学斌, 刘文龙, 张 昕, 陈小来

(中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119)

0 引 言

随着高光谱成像遥感不断发展进步,所需空间分辨率越来越高,这就要求图像幅面足够宽;而光谱分析要求的谱段数不断增加及光谱分辨率的进一步提高,同时要求干涉成像电路干涉图方向采样点数足够多,即推扫方向上图像足够宽、帧频足够高。由此带来电路功耗、时钟频率不断提高,电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)的问题越来越明显。

卫星平台发展到今天,载荷种类不断增加,平台的电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)环境越来越复杂。这就要求整星不断加强EMC的管控。近年来,随着整星EMI性能测试条件的逐渐明确,越来越多的遥感载荷暴露出EMC测试超标的问题[1-2]。而在众多的星载遥感成像设备中,高光谱成像仪CE102和RE102超标现象比较常见。但国内外关于大面阵、高帧频的高光谱成像仪高速电路EMC设计的研究较少,且往往仅限于某个局部问题的解决,未能从成像光谱仪的整体考虑进行研究[3-4]。本文结合高光谱遥感星载大孔径干涉成像光谱(large aperture static imaging spectrometry,LASIS)技术成像仪电路的设计经验,探索星载高光谱成像仪电路EMC设计的理论方法和技术手段,从而为更多的星载高速成像设备满足航天可靠性提供技术支持和经验支撑。

作者最近设计的在轨运行星载高光谱成像仪最高图像吞吐率达到9.6 Gbps,在轨运行多年,工作状态良好。表明作者设计的高分辨率高光谱遥感高速成像仪,实现了较为良好的EMC设计效果。

1 高光谱成像仪的结构及电路组成

高光谱成像仪系统电子学部分主要由焦面组件(含可见光焦面组件和红外焦面组件)、信号处理器和光谱成像仪控制器3部分组成，如图1所示。焦面组件的主要功能是将遥感成像仪光学系统获取的地物目标反射太阳光信号转换成与目标相对应的电信号;信号处理器的主要功能是将焦面电路的模拟视频信号进行模数转换后并将数字信号拼接成带有时间和曝光信息的图像数据,最后将图像数据压缩后再分包整理成便于卫星数据传输系统下传的数据包。光谱仪控制器的主要功能是接收整星数据管理系统的指令,按命令控制成像仪加断电、分发遥控遥测指令和时间信号。

为使高光谱成像仪实现高的空间分辨率,采用定制的2 048×256背照式大面阵帧转移高帧频电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)作为电子学可见光焦面组件探测器,其并行输出端口达到32个,每个端口模拟视频像元速率高达35 MHz。

图1 遥感星载高光谱成像仪的组成框图

图像处理单元采用高速并行处理现场可编程逻辑阵列(field programmable gate array, FPGA)对高速模拟视频信号进行采样及模数转换、图像拼接后先进行图像数据压缩,最后再进行多路串化高速输出。

1.1 高速CCD驱动电路

航天遥感为获取高的空间分辨率和宽的对地遥感幅面,选用大面阵高速CCD。CCD电荷读出需要具有强驱动力的高速驱动器。驱动信号有6路垂直转移、3路水平转移、复位等,且最窄的高速驱动脉冲半高宽达到9 ns,驱动电压摆幅高、电流大,极易产生严重的EMI问题[5-6]。

1.2 高速多通道模数转换电路

高速高光谱成像仪要实时处理32个通道的高速CCD模拟视频信号,需选择针对航天遥感模拟视频的多通道高速模数专用处理芯片。

图2 高速高光谱成像仪电路

在新研制的某民用星载遥感高速高光谱成像仪中,采用8片四通道高速模数转换器ADDI7004搭建的大面阵、高帧频高速高光谱成像仪电子学系统,实现了2 048×256图像幅面、帧频1 500 fps的指标设计,电路设计如图2所示。在此指标下,可见光近红外光谱通道图像数据量在1 500 fps下达到9.6 Gbps。ADDI7004的每个通道并行输入模拟视频的像元频率在35 MHz,采用12 bit量化,每片模数转换芯片的输出数字数据量高达4×40 MHz×12 bit=1.92 Gb/s。此部分电路是复杂的高速模数混合电路,故对电路布局、布线和阻容参数控制以及数据传输品质的要求较高[7]。

1.3 高速图像数据传输电路

高光谱成像仪系统中,可见光近红外谱段纯图像数据量为2 048×256×12 bit×1 500 fps=9.44 Gbps,加上帧频、时间码、曝光时间等辅助数据,可见光近红外光谱通道数据量最高达到9.6 Gbps;短波红外谱段数据量最高达1.2 Gbps。

可见光近红外图像数据到图像数据压缩电路主备份各采用8片高速串行SerDes传输芯片TLK2711;短波红外主备各采用4片TLK2711将图像数据送给压缩编码电路。压缩后的图像数据输出电路主备各采用4片TLK2711实现了卫星遥感图像的高速输出。

TLK2711是千兆高速串行收发器芯片,其内部将并行数据分为高8位和低8位,将16位并行数据进行8 bit/10 bit编码后,用10倍频时钟提升为高速串行数据输出。宇航级产品在超高速、点对点的双向传输系统中可达到1.6～2.5 Gbps的串行数据率,信号带宽超过2.16 GHz。该芯片使用中对印刷电路板(printed circuit board,PCB)布局、布线、走线阻抗参数和发送时钟品质的要求较高[8-9]。

2 高光谱成像仪EMC设计

高光谱成像仪EMC设计的基本原则是接地、滤波和屏蔽。针对性EMC设计主要从两个大的方面进行了设计规划:一是电路设计方面,尽可能地降低电路对其他载荷的干扰,即对外辐射水平;二是高光谱成像仪的结构壳体设计方面,确保金属壳体的搭接及良好的屏蔽性能[10-12]。

2.1 电路的EMC设计

驱动电路EMC设计部分,针对CCD驱动电压种类多、速度高、摆幅宽的特点,特意设计了模拟地、数字地层,并且将模拟地进行了精细的接地层分割,充分考虑了11路CCD垂直转移驱动和水平转移驱动信号的工作频率及电压摆幅,确保大摆幅、短升降时间的CCD驱动信号不会影响敏感的32路高速CCD模拟视频信号。为降低EMI,在驱动脉冲频率能满足CCD需求的前提下,尽量降低驱动脉冲上升沿斜率[13],最大可能地降低了EMI发射,驱动电路设计如图3所示。高光谱成像仪分系统二次电源电路的作用,是将卫星平台提供的+28 V电源转换为分系统成像电路和控制电路工作所需的+24 V、+16 V、+10 V、+5 V等多轨低压电源,是以功率半导体开关器件为主的多频率成份功率电路。这样就使得半导体开关器件周期性地工作在通断状态,并通过控制开关元件的时间占空比来调整转换器的输出电压。脉宽调制(pluse width modulation, PWM)的工作方式使得电源电路难以避免地产生周期性杂波,杂波的频谱分布在开关频率点和其二阶谐波频率点附近。针对开关频点设计滤波电路,滤除大电流开关产生的电源线传导辐射[14]。

图3 CCD驱动电路

制冷机驱动电路部分使用反熔丝工艺可编程器件A54SX72A产生脉宽调制驱动信号来驱动H桥驱动器IR2110(突变电压≥50 V/ns),两片IR2110控制H桥的4个桥臂的场效应管IRFN150开通和关断,场效应管IRFN150在开关时产生很大的dv/dt和di/dt信号[15]。电场的变化产生变化的磁场,这些瞬变信号共同作用产生较强的辐射干扰。制冷机PWM调制电路的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)开关频率12.8 kHz和25.6 kHz频点辐射干扰较强。在滤波和退耦电路的设计方面,专门针对制冷机电路的工作频率和电压幅度,设计针对性的RC滤波、π型滤波电路[16]，滤波电路设计如图4所示。

图4 带有瞬态抑制功能的EMI滤波电路

为最大程度降低大面阵、高帧频高光谱成像仪32个通道之间的传输干扰,高速模拟视频传输采用差分传输方式,使32路CCD模拟视频都经过单端转差分电路转换成差分模拟信号，如图5所示,视频信号模数转换器ADDI7004支持差分输入。为了加强ADDI7004应用于航天遥感的航天适应性,物理实现上,电路的差分传输线终端用100 Ω电阻端接以匹配阻抗。此部分电路布线和参数设置,充分兼顾了信号完整性要求和EMC的匹配[17]。根据高光谱成像仪载荷系统单机划分的特点,进行了系统的接地设计:成像电路部分电源地和信号地在驱动电路设计部分经铁氧体磁珠进行隔离划分;信号处理器中信号地和电源地经过磁珠隔离,最终各个单机信号地和电源地在高光谱成像仪控制器中汇集到一点[18],具体如图6所示。

图5 CCD模拟视频单端转差分电路

CB板上高速SerDes信号走线严格控制信号完整性,定义叠层结构时,让差分线走线层处于上下地层之间,形成带状线;控制差分对正负线的长度适配和严格耦合[19];走线转弯角度大于90°,阻抗控制在(100±1) Ω。

2.2 成像仪结构的EMC设计

电磁屏蔽是利用低电阻率的金属导体材料对电磁辐射能的反射和引导作用,在导体内部产生与源电磁场相反的电场和磁场极化,从而减弱源电磁场的辐射效果[20]。由于高光谱成像仪电控箱上孔洞、面板连接器缝隙会引起结构箱屏蔽金属材料导电不连续,并产生电磁泄露,故屏蔽设计的关键是保证屏蔽的完整性。箱体搭接处缝隙深而窄,泄露就小,故需尽可能减小结合缝隙的宽度;同时尽可能增大结合面的深度以提高电磁屏蔽效果[21]。设计采取的具体措施如下。

图6 高光谱成像仪电路接地设计

高光谱成像仪的结构件均采用金属外壳,除了安装光学组件玻璃的成像仪主体采用钛合金外,焦面组件、信号处理器和控制器等电控箱的金属壳均采用铝材。

为保证可靠接地,分系统所有电控箱上连接器及有搭接缝的金属板与接地桩之间的搭接电阻都控制在小于等于5 mΩ[22]。所有接插件、安装螺钉与外壳间涂抹导电胶保持良好的导通性,并且磁密封良好,最终确保整体外壳具有良好的电磁屏蔽性能。

机箱的上下盖板结合处采用凹凸对接加螺钉紧固的设计,凹槽深度较深且窄,以减少接缝泄露。

盖板之间的紧固螺钉要同时满足强度足够,屏蔽严密。螺钉布设越密屏蔽效果越好,但过密也会降低装配效率。从电磁屏蔽设计考虑,缝隙的最大尺寸范围为λ/10～λ/100,高光谱成像仪结构箱体根据工程设计经验并考虑裕量取螺钉间距为λ/200。

箱体安装连接器时,预锁紧完成后,先将PCB板与机箱结构件松开后锁紧,再将连接器和PCB板松开后锁紧(锁紧力矩按0.5～0.6 N·m进行控制),最后将连接器和面板松开后锁紧(锁紧力矩按0.7～0.8 N·m进行控制)。为了确保紧固性和导电性,在安装螺钉与螺母的配合位置涂抹导电螺纹胶进行加固。

要求电控箱所有对外连接电缆采用屏蔽电缆,屏蔽层应无截断且屏蔽材料排布均匀紧密;屏蔽层与插头连接器360°环形包接;连接器对接后用螺钉加固拧紧,保证插头外壳、插座外壳、电控箱内部电路得到完整连续的屏蔽。

电缆设计时先对高速电缆线进行了对比选型,通过比对进口电缆线RCN8687和国产高速电缆线FFCH10-100 2×24的屏蔽效能,发现国产线屏蔽效率高于进口线2 dB/m。传输链路中连接器和线缆均采取屏蔽措施,连接器缝隙,涂抹导电屏蔽胶。此外,在外层增加用双面镀铝聚酯薄膜对电缆及电缆连接器整体包裹来进一步加强屏蔽作用[23]。

作为高精度遥感成像设备,高光谱成像仪在进行EMC设计时不像普通光电成像设备可以在光学玻璃上加金属丝夹层[24],但可通过从结构上特别加长遮光罩来增强光学系统的光线入瞳处开放空间的电磁屏蔽设计效果。

3 星载高光谱成像仪EMC测试

先对系统进行了EMC试验前成像检查测试,在实验室太阳模拟器光照下获取的均匀光干涉图像及室外自然光下推扫的LASIS高光谱成像仪图像如图7所示。

图7 LASIS高光谱成像仪获取高分辨图像

为考核电子学系统的安全性,对系统进行了10%电压拉偏测试,如图8所示，系统在电压拉偏及高低温条件下的功能及图像数据均正常。设计的电子学系统还随同高光谱成像仪光机系统通过了热应力筛选及力学环境考核,测试结果均表明:星载高速高光谱成像仪功能可靠,性能指标良好。

图8 高速高光谱成像仪EMI测试

为测试高光谱成像分系统的电磁兼容设计有效性,按照GJB151B-2013标准对分系统初样产品进行了电磁兼容试验[25-26],试验项目及结果如表1所示。针对初样基线产品出现的超标,CE102的超标频点包括166.8 kHz、1.222 MHz和3.394 MHz,166.8 kHz均为红外探测器制冷机驱动电路中H桥中MOSFET器件IRFN150开关的工作频率,1.222 MHz和3.394 MHz频点为制冷机开关电源模块工作的倍频点。优化该器件供电轨上π型滤波电路参数后,超标频段被压制,复测测试效果如图9(b)所示。RE102的超标频段,1.25 GHz高速SerDes传输发射频率超标进行针对性设计后,改善情况如图9(d)所示。

表1 高光谱成像仪测试EMC项目

图9 高光谱成像仪基线产品电磁兼容超标与针对性设计后效果比对

4 结 论

高光谱遥感成像分辨率和幅宽指标不断攀升,要求大面阵、高速CCD成像电路采用大摆幅、高速驱动,多通道并行高速模数转换及多通道高速串行数据传输,由此产生了严重的EMI问题。本研究为改善EMI进行了有益的针对性设计,测试验证证明了EMC设计的有效性,且EMI设计对高光谱成像功能及性质指标提升没有制约。EMC设计方法及实施措施提升了高速高光谱成像仪的可靠性,为遥感高光谱成像电子学设计的规范化提供了帮助。