空间相机光机热集成设计分析及关键技术研究综述

指出空间相机应进行光机热集成设计分析的必要性,介绍了光机热集成设计分析典型流程.结合空间相机的研制特点,建立了具有针对性的光机热集成设计分析流程,阐明了集成分析的内容及优化设计的对象及具体内容,总结了集成设计分析需进行的相关验证试验.指出空间相机集成分析的两个关键技术是温度场插值技术或边界单元技术和zernike多项式拟合技术,前者是热弹性分析中温度场作为边界条件向有限元模型加载的解决方法,后者足光机热数据接口的主要解决方法.最后总结了集成分析过程中需要注意和考虑的问题.     

小型辐射定标光学系统的光机热集成分析

卫星遥感器辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热学光学特性会影响辐射定标试验的精度。文章针对离轴抛物镜和辅助平面反射镜组成的小型定标光学系统,利用光机热集成分析技术建立其有限元模型,在模拟空间环境下进行热变形分析;选用在单位圆内正交的Zernike多项式作为基底函数,采用最小二乘法完成了离轴抛物镜面形的拟合;将相关数据读入光学软件,分析了该系统在模拟空间环境下的像质变化。结果表明:温度梯度对定标光机系统的影响主要表现在光学平台的刚性位移,对抛物镜面形影响非常小,光学系统像质变化量约为λ/37。最后,通过与刀口仪法的像质原位测量结果对比,证明了光机热集成分析结果的准确性。     

Zernike多项式拟合用于低温光学镜头热集成分析

文章介绍了Zernike多项式的特点以及多项式拟合在低温光学中的应用,通过对某低温光学镜头的热集成分析,阐述了Zernike多项式拟合在热集成分析中的重要性以及热变形对低温光学系统的影响。     

空间光学遥感器光-机-热集成分析方法研究

首先对论文的工程背景空间太阳望远镜进行了介绍;然后介绍了空间光学遥感器光 机 热集成分析的技术路径和技术实现,技术实现主要探讨如何将透镜的折射率温度系数效应和反射镜面的热变形效应数据变成光学分析软件可以接受的数据;最后以光 机 热集成分析为基础,对空间太阳望远镜主镜的热设计方案进行了论证。全文说明了光 机 热集成分析的可实现性以及其对热设计的指导、评价和优化。     

一种航天相机微纳镜头的实现方法

为了满足航天相机微纳镜头轻小化的要求,文章提出了一种适用于微纳镜头实现的光学系统。首先,以无热化的思路设计光机结构:一方面提出了"一物多用"的超轻一体化结构形式,实现了各光学部组件的集成;另一方面采用了柔性Bipod结构形式减小了热不匹配对光学系统像质的影响,减轻了热控元件的质量。然后采用动态优化的方式进一步减轻镜头结构的质量。最后,采用光机热集成分析,对镜头在大温度范围内的像质进行了验证分析。结果表明,通过上述步骤得到的微纳镜头质量超轻,静、动态性能良好,可在–40℃～70℃范围内实现无热化,满足微纳设计的要求。     

Zernike多项式表示的赋形反射面的物理光学法分析

文章给出了一种用多项式(即Zernike多项式)来表示赋形反射面的方法,并对反射面的二次方向图进行物理光学法分析。通过和国外商用分析软件的结果进行对比,验证了该方法的正确性和有效性。     

基于三维CAD的坐标检测集成应用技术

以Ka频段卫星高精度抛物面天线在国内首次成功研制为例,介绍了一种基于三维CAD的坐标检测集成应用的新技术。该技术基于三维模型,通过理顺软件间的接口关系,建立了UG软件、MeasureMAX测量软件以及三坐标测量机(CMM)的集成系统,实现了抛物面形面精度评估、多坐标转换和三维点云数据共享等目标,解决了高精度抛物面天线加工、装配、检测等技术难题。     

Ka天线研制中CAD与坐标测量技术的集成应用

以Ka频段卫星高精度抛物面天线在国内首次成功研制为例，介绍了一种基于三维CAD的坐标检测集成应用的新技术。该技术基于三维模型，通过理顺软件间的接口关系，建立了UG软件、MeasureMAX测量软件以及三坐标测量机（CMM）的集成系统，实现了抛物面形面精度评估、多坐标转换和三维点云数据共享等目标，解决了高精度抛物面天线加工、装配、检测等技术难题。     

大尺寸离轴反射式相机的仿真集成分析方法

离轴三反相机光学元件的不对称性,给相机的温控设计带来较大难度,因此有必要研究各种温度场对离轴三反相机性能的影响,特别是大型离轴三反相机,由于其外形尺寸大、焦距长、构型复杂,增大了研究难度。文章针对某大型离轴三反相机,通过光机热集成分析的方法,研究了其性能受不同温度影响的变化规律,从而为设计合理的热控措施提供依据。通过计算相机真实在轨温度场,得到温度边界条件;利用集成分析软件仿真了10种温度工况下相机光机结构的变形规律;最后利用光学仿真软件计算出光机系统的成像品质。仿真结果表明:若干温度工况下,相机的反射镜更容易产生离焦现象,而不容易产生离轴和倾斜现象;相机对整机径向的温度差最敏感,对轴向的温度差最迟滞;均匀温度变化和单个反射镜的温度差变化对相机的成像品质不产生影响。     

空间相机协同设计和集成分析技术研究

空间相机的研制通常涵盖光、机、结构、热等多学科问题,各学科间相互影响,但在传统研制模式下却又交互困难。文章以某空间相机为例,对协同设计和光-机-热集成分析的环境和过程进行了介绍。结果表明,协同设计和集成分析能够实现不同学科间设计与分析数据的直接交互,为空间相机方案的跨学科快速设计,以及设计性能的高质量评价提供了可能;协同设计和集成分析技术能够快速、有效地开展空间相机的多学科集成设计和仿真,是实现空间相机领域仿真驱动工程的有效途径。     

空间遥感器的热／结构／光学分析研究

作为一个空间遥感器整机热光学（热／结构／光学）集成分析过程，对空间遥感器主要光机结构简化，进行导热特性分析和等效热阻计算；利用软件计算在轨道上典型工况的空间外流热和内热源分布；建立有限元温度场分析模型和结构热弹性分析模型，计算全机稳、瞬态温度场分布，均匀温度和特定温度场下的位移场，得到各光学元件的位移；利用光学分析程度计算的公差计算结果插值计算遥感器光学系统由于光学元件的热致刚体位移（离轴、轴向位移和倾斜）而产生的光学性能变化。     

基于热平衡试验的某空间相机热光学集成分析

为研究某空间相机温度场变化对光学系统性能的影响,利用该空间相机热平衡试验温度测试结果,开展了相机光机主体的热光学集成分析,并依次完成了相机温度场反演、热变形分析、光学系统性能分析,以及热光学分析结果同试验测试结果的对比。结果表明：温度是影响该相机光学系统性能的主要因素之一;将光机主体温度控制在设计值能够最大程度上减小热变形对于相机光学系统性能的影响;而当光机主体温度发生变化时,热变形会使得相机焦面偏离初始焦面位置,因此需要对相机进行合理的温控设计并配合焦面调焦来满足在轨成像的需要。     

水氧腐蚀环境对2D C/SiC热扩散性能的作用机制研究

通过对不同温度条件下,水氧腐蚀前后2D C/SiC复合材料热扩散性能的演变规律,研究了环境损伤对C/SiC复合材料热扩散性能的作用机制。在水蒸气和氧气混合环境下,C/SiC复合材料内部气孔率增加,同时在材料表面有氧化物形成。材料内部出现的气孔,阻断了热流在材料内部的传输,使得热扩散性能呈现出直线下降的趋势。氧化物的形成,在一定程度上封填裂纹,有助于热量的传输,能够在一定程度上改善材料热扩散性能。     

多元基体抗烧蚀炭/炭复合材料的微观结构分析

采用光学金相、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨率电子显微镜多种微观结构分析手段，对多元基体C／C复合材料微观结构进行了研究。结果表明，采用的液相浸渍法制得的多元基体C／C复合材料，具有良好的微观、界面结构。     

基于IM/DD体制的星间激光通信测距技术

随着当前低轨卫星组网星座计划的日益增加，对卫星间高精度校时、测距需求也越来越迫切。提出基于直调直检IM/DD（Intensity Modulation with Direct Detection）的测距技术的实现方法，使其能同时兼顾测距精度及系统成本。基于IM/DD的测距是利用高精度的秒脉冲到达时间来测量距离。使用IM/DD光通信的数据传输方式，在正常的数据帧传输中插入少量的测距信息，无需中断正常的通信模式，也无需网络时钟频率同步，数据帧的发送周期也无需与秒脉冲保持同步关系，即可使用双向单程测距方法进行测距。使用秒脉冲对本地时钟进行频率测量，对测距过程参数进行修正，只需要采用普通晶体振荡器作为本地时钟源，不需要使用高精度测距通常所需的全网络同步时钟信号或者高稳定度时钟源，便可以达到IM/DD通信码元时间量级的测距准确度和精确度，同时降低了时频同步系统的复杂度、对元器件的要求以及整个通信测距系统的成本，解决了现有技术中测距精度及系统成本不易同时兼顾的问题。     

反射式紫外天基单镜计算成像系统设计

紫外天基成像是目前对太阳观测的主要手段之一。针对紫外天基遥感对成像系统高分辨、轻量化的需求,开展了紫外天基单镜计算成像系统研究,应用“光学镜面设计”与“计算成像”相结合的思路,通过对球面、六次偶次非球面、十次偶次非球面、Q-type面、Zernike多项式面的天基反射镜成像光学系统设计,以及基于傅里叶叠层超分辨的计算成像分析,验证了该设计方法可在波长135 nm紫外光波段实现5.4°圆视场、分辨能力优于0.11 mm的设计指标。反射式六次偶次非球面具备一定的综合优势。     

Zernike多项式在拟合光学表面面形中的应用及仿真

光学镜面在重力的作用下,会产生镜面变形,这种变形包括刚体位移和表面变形,将对光学系统的成像品质产生不同的影响。文章通过Matlab软件,对有限元分析后的数据进行处理,用Zernike多项式精确拟合变形后的镜面面形,并在Matlab中绘出镜面面形云图,最后计算出表面变形的表面变形均方根和表面变形最大值与最小值之差。实例计算表明,该方法能将镜面变形的刚体位移和表面变形分离,适合于光学自由曲面的镜面面形精度分析。