空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

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。     

高次非球面镜面低温面形拟合方法研究

高次非球面在空间红外低温光学中应用广泛,传统的球面拟合方法不适用于高次非球面低温面形拟合,而Zernike多项式拟合法因涉及像差理论拟合过程复杂在结构设计人员中应用较少。针对上述情况,文章提出了一种能够快速拟合低温高次非球面镜面面形的方法。首先,基于高次非球面展开式可以精确表达成偶次多项式建立了偶次多项式拟合方程,直接拟合低温非球面面形;非球面裸镜低温自由变形算例验证表明,文章提出的方法能够很好地拟合高次非球面低温面形,拟合残差达到9.15×10~(–5)λ(λ=0.6328μm)。将该方法应用到低温透镜支撑结构设计中进行面形拟合,结果显示低温变形引起的面形误差由采用柔性支撑结构之前的0.0217λ下降到0.0018λ,进一步支撑了提出的算法的有效性。     

超光谱仪光栅面形对光谱性能影响的仿真分析

鉴于普通光学镜面分析技术研究光栅面形对超光谱仪光谱性能的影响具有精确度低且过程复杂的劣势,文章提出了一种用于分析光栅面形的全链路仿真分析方法。该方法综合考虑衍射和像差信息,利用有限元建立超光谱探测仪光栅结构变形模型,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,对光栅面形数据进行处理,得到光栅面形拟合结果,通过光学软件Zemax计算得到光栅面形对光谱畸变和光谱分辨率的影响。仿真分析结果表明,光栅面形的变化对系统的光谱畸变(如光谱弯曲和色畸变)影响较小,基本控制在1/5个像元内;对系统的光谱分辨率影响较大,当光栅面形导致其刻线位置发生较大误差时,对光谱分辨率有明显影响。     

空间太阳望远镜上摆镜装卡变形的研究

通过控制一个光学摆镜的运动来补偿空间太阳望远镜抖动,摆镜在装卡力作用下变形的求解至关重要。分别运用解析法和接触非线性有限元法进行计算,解析法通过引入弹性地基理论得到由Zernike多项式表示的摆镜装卡变形微分方程,运用Moore\|Penrose广义逆矩阵法求解所有可能变形,再根据最小势能原理得到外力作用下的实际变形,同时直接得到光学设计者惯用的Seidel像差系数;有限元法通过接触非线性来模拟螺栓装卡的作用力。两种算法对同一算例分别进行计算,比较结果可知两者仅相差10.7%,表明解析法正确有效,有限元法模型正确。     

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。     

基于主动光学的大型空间相机像质校正仿真

针对大型空间相机在轨像质受空间环境影响严重的问题,文章提出利用基于出瞳变形镜的主动光学技术,对大型空间相机在轨波前像差进行校正,以保证成像品质。文章基于主动光学技术原理、光学表面误差表征方法和变形镜数学模型,建立了大型空间相机像质校正全链路仿真模型,并利用有限元分析软件、光学设计软件ZEMAX与编程软件MATLAB,完成了相关仿真实验;对在轨特定工况条件下大型空间相机像质的退化程度和基于出瞳变形镜的主动光学技术的校正能力进行了分析。实验结果表明:经校正后的像质满足设计要求,为基于主动光学的大型空间相机像质校正技术提供了工程应用参考。     

空间红外遥感相机制冷机微振动对MTF影响分析

空间红外遥感相机内部活动部件微振动载荷会引起相机光学元件产生刚体位移和面形变化,从而影响相机的在轨光学成像品质。文章基于某空间红外遥感相机内部扰振源的测试结果,建立了适用于微振动分析的相机精细有限元模型,经分析计算,确定了基于Zernike多项式曲面拟合和调制传递函数(MTF)分析的方法和流程;最后结合某空间红外遥感相机进行MTF影响分析,结果显示制冷机微振动对该相机MTF影响在工程可接受的范围内。     

空间遥感智能载荷及其关键技术

针对空间对地遥感观测任务对遥感器高分辨率和灵活性的需求,文章提出并介绍了智能空间光学载荷技术。所研制的新型载荷系统的设计思想是将微型高精度星敏感器、MEMS陀螺仪、高分辨率光学相机进行一体化设计,全面提高在轨成像时相机姿态实时性测量精度及各组件数据深耦合性。应用实时定姿定位、动态像速匹配及像差追踪校正,图像非盲反卷积等自主研究开发的最新理论和技术成果,实现遥感器在轨智能化高分辨率成像。根据智能载荷的技术特点开展了相关原理样机标定和测试技术的研究。     

垂直装调用大口径自准直反射镜系统研究

大口径、长焦距光学遥感器垂直装调过程中需要采用反射镜自准直方法测试光学系统的波前像差。文章研究了一种自准直反射镜系统,该光学系统中反射镜具备多维调整功能,利用自准直方法,可用于大口径相机的垂直装调。该自准直反射镜系统利用伺服电机驱动,实现反射镜的多自由度运动。反射镜利用一种六足杆结构实现静定支撑设计,并设计了一种随动重力卸载装置,使得镜面面形均方根误差小于1/100波长,满足使用要求。     

基于Zernike拟合的三反射面天线赋形设计

多反射面天线系统受空间、位置和尺寸等因素的影响,其主反射面口面存在相位差,从而导致天线辐射性能下降,文章提出了一种利用Zernike多项式赋形多个反射面的方法,通过对副反射面赋形,在主反射面口面得到期望的幅度相位分布。该方法利用Zernike拟合来处理反射面间的光程差,并将主反射面作为固定面,根据几何光学法和光程条件,在Matlab中建立副反射镜初始模型,通过遗传算法优化Zernike系数调整光程差,对副反射镜面形进行优化设计,避免了复杂的微分计算。使用Grasp仿真软件对设计的三反射面天线系统进行了分析,计算表明,与未赋形的三反射面天线相比,赋形反射面天线系统主波束效率提升了10.67%,达到95%以上,验证了该赋形方法的可行性及对天线系统性能提升的有效性。     

提高空间光学遥感器有效分辨率的方法研究

亚像元成像技术是实现相机小型化、提高相机空间分辨率的有效方法。文章介绍了国内外主流的亚像元成像技术,分析了采样方式对标称分辨率及有效分辨率的影响。提出了基于倒易晶胞理论的自适应倒易晶胞用于调整错位频谱的方法,进一步提高了遥感器的有效分辨率。     

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。     

大口径胶粘主镜装调的有限元分析

文章针对采用胶粘工艺的轻量化大口径主镜装调过程中涉及的几种典型受力状态进行了研究。首先,建立了包含胶层的主镜组件精确的有限元模型,并考虑了胶斑的径厚比较大时对其弹性模量参数的修正;其次,利用有限元法结合Zernike拟合程序分析了强迫位移、1gn自重、均匀温升、胶层收缩、主镜两点支撑检测状态下主镜面形的变化,其中采用温度载荷等效的方法对胶层收缩在Patran/Nastran环境下进行了模拟。结果表明主镜组件自重变形和热变形对面形影响较小,而强迫位移0.01mm、胶收缩1%产生的应力、以及主镜两点支撑检测时对主镜面形影响显著。此外,对主镜两点支撑状态进行了试验检测,其面形变化与分析结果吻合。     

组合口径反射镜曲率半径误差分析

研制大口径望远镜系统,通常采用组合口径反射镜来代替单体反射镜。组合口径反射镜的方案相比于传统方案减小了加工、运输等各方面的困难,同时它也会引入分块镜的曲率半径误差。为更好地了解组合口径反射镜曲率半径误差对光学性能的影响,文章以整体口径为6.6m、曲率半径为21.34m的由18块六边形分块镜拼接而成的反射镜为例,对组合口径反射镜曲率半径误差进行分析。首先建立组合口径反射镜模型,通过计算求得反射镜的波像差与斯特列尔比,最终确定反射镜曲率半径误差的合理变化范围。结果表明,曲率半径误差对不同位置分块镜的波像差影响不同,去除位置因素后,各分块镜对反射镜波像差的影响相同。文章所设计的反射镜,如果各分块镜之间的曲率半径误差应小于±0.14mm,则满足斯特列尔比大于0.8且最大波像差小于λ/4。文章对组合口径反射镜的设计、加工和装调等有参考价值。     

行扫描光学遥感器扫描参数对遥感图像定位结果影响模型

定量分析了定位模型中输入参数误差与定位误差关系,提出了一种结果的校正方法。根据图像定位结果实际的偏离规律选择定位模型中能校正该偏离的参数,修改该参数达到校正定位结果以实现精准定位。建立了极轨气象卫星行扫描光学遥感仪器的像元定位数学模型,分析了遥感器扫描参数偏差对定位结果的影响,给出了定量的定位偏差计算公式,为遥感器定位结果的校正提供了理论模型,可为遥感器设计的误差控制提供参考。     

空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用

Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶常用于空间光学遥感器光学件与金属结构件粘接。不同环氧胶对粘接后的反射镜面形差别较大,环氧胶的选择是反射镜组件研制过程中一个重要环节。胶的弹性模量、线胀系数、泊松比和固化收缩率等物理特性参数对粘接后面形影响较大。有些环氧胶的物理特性参数厂家提供不全,一些胶的性能参数测试困难,同时空间光学遥感器需要经历研制过程中各种环境条件考验,胶在经历不同环境条件下物理特性参数测试对比测试相对难度较大。文章针对空间光学遥感器在研制过程中环氧胶将经历的环境试验条件,设计一个考核Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶对面形影响的综合试验,通过固化前后面形的变化,以及热真空试验前后面形的变化的对比结果,优选确定了采用EC2216作为空间光学遥感器反射镜粘接用胶。     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念.以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理,分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响;给出了非线性耦合Karman方程的求解方法;以一种聚酰亚胺圆薄膜为例,用有限元法对Karman方程进行了数值求解,用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解,证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性;用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形,改善反射镜像差.     

一种遥感器光轴微振动姿态解算方法

静止轨道高光谱遥感器积分时间较长且谱段较多,成像品质受高频微振动影响较大,若要提高空间分辨率,则需准确地对其光轴微振动进行探测,并指导稳像系统进行矫正。针对光轴微振动探测问题,文章首先提出了一种将像移探测与微振动姿态解算相结合的探测方法,可对遥感器光轴沿俯仰、滚转方向高频微振动进行探测;其次以符合空间分辨率要求的遥感图像作为参考图像,基于摄影测量方法建立了一系列与参考图像存在确定光轴姿态差的测试图像,将参考图像与测试图像作为输入,并对其采样间光轴姿态差进行解算;最后对仿真结果进行了分析,由仿真结果可知该方法可以有效地对10μrad以下的光轴微振动进行探测。     

基于推力器的组合航天器质量特性辨识方法研究

组合航天器的质量特性辨识对提高其姿态轨道控制的精度和快速性有至关重要的作用。对基于推力器的总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识进行了研究。基于推力作用下的平动方程可得到质心位置和总质量的耦合辨识方程,基于转动方程可得到转动惯量和质心位置的耦合辨识方程,通过对角速度和线加速度进行多次采样,利用最小二乘法求解这2类辨识方程可完成总质量、质心位置和惯量矩阵的在轨辨识。基于上述辨识原理,提出一种闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,通过设计合适的推力器工作策略,实现总质量、质心位置和惯量矩阵的解耦辨识,并采用一种不依赖于转动惯量的控制算法,使组合航天器的姿态在辨识结束后恢复到稳定状态。仿真表明,采用闭环稳定的解耦质量特性辨识方法,可保证组合航天器在推力器激励后的姿态稳定性。在仿真采用的动力学干扰、推力器误差和敏感器误差下,总质量、质心位置和惯量矩阵的辨识精度可达到10-3量级。