微小卫星高分辨率相机CCD焦面组件热控制

为了保证微小卫星高分辨率遥感器相机的成像品质，需控制焦面组件的温度水平及温度稳定性，特别是焦面CCD光学探测器件的温度控制。首先提出以相变储能与超低刚度柔性导热索相结合的焦面组件精密热控方法，对相变储能装置与石墨柔性导热索的设计及参数选取进行详细介绍；然后，建立焦面组件的热仿真模型并进行温度计算；最后，在真空环境下进行了热试验。计算与试验结果表明，焦面CCD器件长期温度为15～18.5℃，工作温升速率为0.33℃/min，具有良好的温度水平与温度稳定性；热控补偿功率≤4.8 W，约为焦面组件发热功率的1/10，可节省卫星能源消耗，验证了焦面组件热控制方法的正确性。     

CCD共焦的误差分析

在CCD相机的研制工作中,需要将多个CCD安置于CCD相机的焦面位置处,并使各CCD像元之间相对于相机焦面的共焦偏差满足相机设计要求。为了达到这一目的,需要对多个CCD进行焦面测量。文章对各种误差因素在测量过程中的影响进行了分析。     

三线阵相机视轴夹角及线阵平行性装调测试

随着对实时立体测绘图像的需求,相机探测器由胶片向CCD发展。为了保证三线阵测绘相机的测绘精度,文章对三线阵测绘相机的视轴夹角及线阵平行性的装调检测进行了研究,针对测试指标提出了新的装调测试方案,并对方案中的关键技术进行了阐述。实际装调检测结果表明,该方案能够满足多相机间夹角测试精度优于5″,CCD线阵不平行度测试精度优于15″的要求。可以满足三线阵测绘相机空间位置的装调测试,具有实际应用价值。     

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。     

基于大数据多视场传函计算的星载相机焦面标定方法

为了精准标定星载相机在轨焦面位置,提出了一种基于大数据多视场光电传递函数过焦曲线的计算方法,即采用大数据处理办法,排除温度梯度、振动等测试环境影响,计算得到多视场光电传递函数,并测试计算不同焦面位置下的传递函数,绘制过焦曲线,标定焦面。通过该方法,实现了有效光学口径为600 mm,焦距为2597 mm的高分七号卫星正样激光测高仪系统中两通道可见光足印相机的焦面标定,位置标定精度小于0.02 mm,各个视场传递函数优于0.35(31线对/毫米)。经高分七号在轨图像验证,大数据多视场光电传递函数计算方法完全满足现有星载相机的标定精度和像质要求。     

一种场景无关的图像清晰度评价方法

图像清晰度是遥感相机调焦技术中度量离焦状况的关键参量,调焦系统根据对比不同焦面的图像清晰度来获取最佳焦面的位置。高分辨率线阵CCD遥感相机成像时地面场景不断变化,而常用的图像清晰度评价方法由于依赖景物不变性而失效,因此,文章提出了一种空域和频域相结合的清晰度评价方法。该方法在空域中提取图像内的有效边缘并计算得到图像有效边缘宽度;在频域中,仅抽取图像频域特定高频成分并得到高频成分的频谱强度均值,计算得到基于边缘宽度和高频强度的图像清晰度。经试验验证,该方法适用于场景不断变化的线阵CCD遥感相机图像清晰度的评价,相较传统方法更加准确有效。     

国外空间用三反离轴相机发展分析与思考

空间用三反离轴光学系统自20世纪70年代提出,从90年代开始在多个国家的卫星光学有效载荷中已经或计划得到应用并快速发展,技术基本成熟,领域涉及到对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等,但是普遍认为制造装调技术比较难.文章通过广泛调研国外三反离轴系统在空间的应用和发展现状,并按应用情况、系统参数和系统构型进行了分类比较,分析其发展趋势,为中国空间相机发展三反离轴光学系统提供借鉴.     

一种调焦机构运动方向与光轴平行性测试方法

调焦机构运动方向与光轴平行性的好坏直接影响调焦过程中光学系统主点位置、像质均匀性、像面照度均匀性等多项指标。为了在安装过程中保证调焦机构运动方向与光轴平行,需要测量调焦机构运动方向与光轴之间的角度关系。文章通过三坐标测量系统和自准直经纬仪,设计了一种对感光元件非接触式的测量方法,来测量调焦机构运行方向与焦平面法线方向之间的角度关系,通过结构设计与加工补偿实现两者的平行装调。试验结果表明,调焦机构运动方向与焦平面法线方向的角度测量模型准确可靠,数据处理算法合理可行。     

滤光片装调误差对成像品质的影响

采用离散滤光片分光技术设计了面阵全色/多光谱相机,针对相机高分辨率、高成像品质的要求,从理论上研究了滤光片装调误差对系统成像品质的影响,推导出滤光片仅存在俯仰或倾斜装调误差,以及两种误差同时存在时由于滤光片装调误差所引起的光学系统焦距的变化和成像位置在探测器像面上的移动量,仿真分析了两种误差独立存在和同时存在时对系统调制传递函数(MTF)的影响大小,以及不同入射角度下滤光片装调误差对成像品质的影响,为滤光片结构设计和装调提供了参考,飞行试验结果验证了理论分析的正确性。     

圆锥扫描系统光电调试工艺

某型红外导引头的圆锥扫描系统的调试工艺的改进是先进行可见光调试,再用光电调试工艺。对影响导引头性能的焦平面,扫描圆分析测定,使之达到要求的视场、线性区、盲区等指标,其结果是焦平面位置准确,红外探测器能输出最大信号提供给信息处理系统,调试后产品性能稳定、一致性好、装调合格率提高,调试工时减少。     

“高分四号”卫星相机镜头像质检验技术

大口径相机由于比刚度低等原因,结构重力变形较大。重力造成的波前误差不可忽略,装调测试必须要重点关注,采用特定的方法测试、验证镜头的零重力波前误差,以保障在轨飞行重力释放时相机能够实现较好的成像品质。文章针对"高分四号"卫星相机镜头的重力变形情况进行了分析,主要包括镜头敏感元件的公差分析、次镜及前镜筒组件的结构力学仿真分析。通过分析确定镜头重力变形的敏感位置以及重力变形的量级,在装调测试过程中使用光轴水平旋转测试以及光轴垂直测试对镜头的零重力像质进行检验,两种状态的测试结果相互印证,与仿真结果吻合。     

航天光学遥感器线缆模块化设计方法

航天光学遥感器因其光机结构复杂、装调精密、尺寸稳定性要求高等特点,给总体装配带来了更高的要求与难度。文章通过对遥感器总装布线过程的可装配性难、可维修性差等问题进行分析,提出了面向产品装配的遥感器主体线缆模块化设计思路,采用转接电缆布线的设计方案,并归纳了转接电缆的设计工艺性要求、工艺参数和实施途径。经某型号红外相机使用验证,结果表明:该方法提升了总装与测试效率,可为遥感器总体设计人员的具体实施提供一定的借鉴。     

光学遥感卫星平台结构热变形试验及测量技术研究

太空复杂外界热环境是平台结构热变形的关键影响因素,为了满足某高轨光学遥感卫星对热变形的特殊要求,更准确获取平台结构热变形引起两台相机安装面指向变化,及两相机安装面之间的相对指向变化,进而推导卫星在轨热变形规律。文章设计了卫星平台结构热变形试验,模拟在轨典型外热流工况对卫星平台实施加热控制,使用数字近景摄影测量技术实时测量和分析热变形引起两台相机安装面的绝对指向变化和两相机安装面之间的相对指向变化情况。热变形测量结果表明:A相机安装面指向最大变形57.5″,B相机安装面指向最大变形79.3″,模拟试验的结果可以作为卫星在轨运行期间热变形预测的依据。     

大口径光学组件重力翻转测试方法验证及应用

空间光学遥感器的光学组件在地面检测时,最终检测结果受重力变形、结构变形、装配应力、加工残差等多重因素影响。考虑到重力影响在轨后会自动消失,因此在地面装调过程中,需要将重力变形误差与结构变形和装配应力的影响严格区分,有效提高装配精度,降低装配难度。针对采用Bipod光机结构设计的光学组件,利用其力学边界条件简单的特点,通过有限元分析可以获得较为准确的分析结果,重力影响的光学面形误差可以通过翻转测试的数据叠加有效去除。文章将光学组件分别在光轴竖直向上和光轴竖直向下的条件下进行测试,通过将两次测试结果图像叠加,有效去除重力变形影响,实现了和装配应力的有效分离。     

GEO光学遥感卫星阳光入侵规避方法

地球静止轨道(GEO)光学遥感卫星的相机每天午夜时分存在阳光入侵问题,致使相机焦面存在潜在损伤,严重时将影响卫星的使用寿命。文章调研了国内外GEO光学遥感卫星针对此问题的解决方式,在综合考虑相机、电能、机动、热控、测控等各项影响因素之后,提出了一种应用约束规避算法的阳光入侵规避方法,首先将卫星设计的工程约束条件转换为空间几何约束条件,通过将明确约束参数后的算法引入卫星姿态控制器来调整卫星姿态指向,避免阳光入侵相机内部。典型工况的仿真分析结果表明:在规避过程中,相机光轴矢量与阳光入射矢量夹角满足约束条件,此方法有效,可满足卫星在轨应用。     

650 mm口径主反射镜组件结构设计

为提高遥感相机主反射镜的在轨面形和结构稳定度,文章对φ650 mm主反射镜组件进行了特殊结构设计,采用传统的装框式支撑结构,通过设计使胶斑切向受力,以有效解决镜子和支撑结构材料热失调问题。力学和热特性计算表明:主反射镜面形在y向(地面装调方向)1g重力作用下的峰谷值(PV)变化为2.30 nm,均方根值(RMS)变化为0.42 nm,镜子顶点位置变化为0.8μm,光轴变化为0.01″;在相机温控指标(20±2)℃环境下,反射镜的PV变化为3.02 nm,RMS变化为0.56 nm;主反射镜的计算仿真基频为164.3 Hz。主反射镜组件振动试验结果显示组件的实际基频为158.0 Hz,与仿真计算结果基本一致。经过振动和真空放气试验,组件的结构接口稳定性均为平移不大于3μm,角度变化不大于3″。以上全部满足设计指标要求。     

快速傅里叶变换对刃边法测量遥感相机MTF的影响

调制传递函数(MTF)是反映航天光学遥感器成像性能的重要参数。刃边法是测试MTF一种简单有效的途径,快速傅里叶变换因计算量小在刃边法中得到了广泛应用。由于线扩展函数在空间域是无限连续的信号,而快速傅里叶变换处理的有限长离散序列,对线扩展函数应用快速傅里叶变换时需先对其截断、采样;截断引起频谱泄露,采样造成频谱混叠,泄露与混叠双重效应将导致最终MTF的测量误差。文章基于采样理论,定量分析了线扩展函数截断区间和采样间隔对奈奎斯特频率处MTF的影响。针对不同应用和误差要求,给出了合理的采样间隔、截断区间要求,规范了快速傅里叶变换在刃边法测量光学遥感相机MTF中的应用。     

基于星历拟合的短弧运动学定轨

当导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,传统的统计定轨理论难以实现精密定轨。首次提出 了基于10参数星历拟合的短弧运动学定轨方法,建立和推导了相应的理论模型和定轨解算方 法。其优点在于不仅能够反映卫星运动的物理学特征,提高了速度和轨道预报精度,而且不 需要累积数据,实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得速度信 息的不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10分钟短弧运动学定轨的位置精 度优于10 m,速度精度为2 cm／s,预报5分钟轨道精度为15.02 m,满足了短弧跟踪条件下R DSS对轨道精度的要求,实现了卫星精密定轨。
     

基于欧拉方法的多磁偶极子分辨技术

文章首次将欧拉反演方法应用于航天器内部多磁偶极子的分辨,通过测量航天器外围磁场及其梯度张量数据,采用欧拉反演算法来计算航天器内部主要磁性部组件的位置和磁矩参数。根据磁场梯度张量数据的测量特点,采取了网格式数据采集方式;然后推导了多点联合反演的欧拉方程组,并提出了一种在所有反演解中快速准确寻找最优解的方法;在此基础上利用遗传算法对反演最优解进行了优化。优化后的分辨结果表明:在小范围、多层次磁源分辨方面,计算出的磁源磁矩参数较为准确,且磁源位置最高分辨率优于0.01m。     

大口径红外光学系统方案设计

高分辨率空间红外相机的光学系统具有大口径和大相对孔径的特点,针对某高分辨率红外相机的设计需求,根据三级像差理论计算了同轴三反系统初始结构,设计了传统的同轴三反和同轴偏视场三反系统。通过同轴两反主光学系统和离轴三反后光学系统合理的光焦度分配,设计了组合式五反系统共三种光学系统。设计的系统工作波长8~10μm,焦距7 000mm,相对孔径1…2.29,线视场角±0.58°×0.03°。在综合分析成像性能和光学加工、检测及系统装调等技术的基础上选定组合式五反光学系统为最终方案。五反光路结构尺寸为3 500mm×3 050mm×3 050mm,主镜达到3m级别,考虑到单镜整体加工检验难度,采用18块边长750 mm的正六边形子镜进行合成孔径拼接,子孔径拼接后系统全视场内的调制传递函数大于0.4,系统各项性能满足了技术指标。