基于子孔径拼接的超大型光学遥感器检测技术

针对超大型光学遥感器的系统检测问题,文章在常规方法的基础上提出了子孔径拼接检测法,即采用小口径自准直平面镜代替全口径自准直镜在光轴竖直状态下进行系统检测,通过子孔径拼接算法可以高精度地还原系统全口径的波前信息。文章对该方法的基本原理进行了分析和研究,完成了相关仿真实验,利用口径为1.8m的自准直平面镜对口径为3.2m的光学系统进行了子孔径拼接检测,检测结果验证了该方法的理论可行性。     

KM6太阳模拟器拼接式准直镜的装校技术

KM6太阳模拟器准直镜是由121块正六边形的球面单元镜拼接而成,拼接后有效口径为6636mm、曲率半径为24800mm。文章分析了3种经典的球面反射镜光学装校的原理,并根据KM6太阳模拟器光学系统的结构参数,确定用平行激光束聚焦的原理装校准直镜。以该原理为基础设计了360°旋转式装校装置,结构简单易行,很好地实现了准直镜的光学装校。文章还分析了装校过程中测量仪器误差、操作人员判读误差对准直镜装校精度的影响。     

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。     

大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究

地球静止轨道光学遥感器的发展以及遥感器分辨率的不断提高,使得光学遥感器的口径越来越大,大口径反射镜正在成为制约遥感器性能、质量和研制成本的关键因素。本文主要围绕2m口径的超轻型反射镜开展研究,分析了定位和支撑系统的主要功能,提出了适合大口径、超轻型反射镜的定位和支撑系统方案,分析了该方案的基本原理和实现形式。     

一种易于制造、较大视场离轴三反光学系统设计

介绍了离轴三反光学系统初始结构的设计方法,并用该方法进行离轴三反光学系统设计。用ZEMAX软件设计了一个焦距为1 000mm,F数为10,垂直轨道方向视场为±4.0°,沿轨道方向为6.0°和6.5°的光学系统。结果表明,该光学系统在空间频率71线对/mm处,调制传递函数均大于0.4,且三镜为球面,具有易于制造装调等优点。     

空间激光传能与红外目标探测共口径光学系统

空间激光无线传能任务中，采用红外目标探测方式实现精确跟踪瞄准。为克服分立光路的激光发射光学系统和红外目标探测光学系统既增加载重又不利于复合轴跟踪的困难，提出了激光传能发射与红外目标探测共口径光学系统。从激光传能距离和红外目标探测距离确定口径值，采用无焦离轴双抛物面作为共口径部分，利用分光镜将808 nm传能光束与7.7~9.5 μm的探测光束分离，设计了共口径光学系统。该系统口径270 mm，激光传能发射系统出射波前RMS＜0.01λ；红外目标探测系统相对孔径1/4，传递函数接近衍射极限。该共口径系统同时实现激光发射与红外目标探测的功能，可降低航天器进行星间激光无线传能任务的载重。     

大口径SiC反射镜背部筋板布局设计研究

背部筋板布局在大口径反射镜轻量化设计中占有重要地位。在工程上，反射镜构型只能从有限的种类和数量中选取。为了进一步提高优化效率，文章对大口径SiC反射镜背部拓扑构型的分类方法进行了研究，提出了三角形筋板构型分类方法。文章按照分类进行了实例设计和计算，结果说明这种分类对大口径SiC反射镜背部筋板的布局设计有很好的指导作用。     

地球静止轨道遥感相机一体化设计

文章针对地球静止轨道遥感器设计需求,运用光机热集成设计的方法对相机进行了一体化设计。通过复合支撑方法实现了大口径Si C主镜的高稳定性支撑,保证了反射镜面形的稳定性;相机主体结构在兼顾双通道集成支撑与装调基础上,通过优化设计,保证了相机结构的高刚度、高稳定性;相机的隔振系统针对卫星基频进行了解耦设计,保证相机镜头的安全性;相机遮光罩通过结构及热控一体化设计,有效降低了热控功耗;相机整机力学试验及真空热试验的MTF测试结果表明,相机主体具有较高的稳定性。     

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。     

ULE?叠层反射镜二维等效建模方法研究

ULE~?叠层反射镜是实现大口径、低面密度、高刚度空间反射镜的有效途径。为提高ULE~?叠层反射镜设计效率,文章基于蜂窝夹芯结构均质板等效理论,推导了叠层反射镜二维等效模型建模方法,利用有限元法计算二维等效模型自由模态频率,对比详细模型计算结果,验证等效模型计算精度,并结合设计实例验证该二维等效模型在叠层反射镜优化设计中的有效性。分析结果表明,叠层反射镜面密度大于40kg/m~2时,二维等效模型模态频率计算误差优于4%,满足优化设计精度要求。文章提出的叠层反射镜二维等效建模方法大幅缩减叠层反射镜有限元模型规模,实现叠层反射镜有限元模型高度参数化,有效提高了叠层反射镜设计效率。     

基于稀疏孔径的波前重构算法

稀疏孔径技术是一种检测大口径光学系统的有效方法,采用干涉仪和包含若干反射镜的稀疏孔径阵列对光学系统进行波前检测。文章针对基于稀疏孔径的波前重构进行了研究,从平衡效率和精度入手建立了数学模型,编制了相关的波前重构算法,通过数学仿真模拟了光学系统检测过程,对数学模型和重构算法的技术可行性进行了验证。采用该算法对测得数据进行处理,可由若干子孔径波前重构得到全口径波前,并且各子孔径波前均是在一次检测中得到,无须对各子孔径进行多次定位调整,方法简单高效。     

国外空间反射镜材料及应用分析

空间反射镜材料的选取与反射镜镜坯加工工艺直接影响光学遥感卫星的戍像能力。提高空间相机分辨率的直接途径是增大光学系统的口径,因此大口径空间反射镜的材料技术和镜坯加工技术受到了高度关注。在未来相当长的时间内,相关技术都是研究热点。文章重点研究了常用空间反射镜材料的特性,这些材料包括美国康宁公司的超低膨胀玻璃、德国肖特集团的微晶玻璃、碳化硅和碳化硅复合材料,并对熔接法、浇铸法、烧结法等常用的大口径反射镜镜坯加工方法进行了研究,调研了各类材料的实际在轨应用情况。最后根据上述材料的热膨胀系数和反射镜结构强度等特征,分析总结了这些材料的适用范围。     

用于无运动部件变焦的球面变曲率镜设计及试验

将无运动部件变焦技术引入空间光学相机的设计中,能够在不干扰卫星平台工况的情况下使空间相机在通过目标区域上空时获取蕴含有目标不同层次信息的图像,从而为后续的识别、判读甚至超分辨率重建提供依据。无运动部件变焦的关键在于：基于光学杠杆效应的光学设计和可以产生较大尺度曲率变化的变曲率反射镜。目前已设计出一种无运动部件变焦原型光学系统,其中变曲率反射镜的有效口径不超过100mm,初始曲率半径为1740mm,且具备曲率增减双向变形能力。文章针对上述指标,设计了变曲率反射镜,并进行了有限元分析,利用具有高韧性、高抗拉断性以及高极限许用应力的碳纤维复合材料研制了反射镜,通过与13点高精度压电驱动器的集成,最终实现了变曲率镜的研制。试验结果表明,该球面变曲率镜可以实现1705~1760mm的曲率半径变化,对应的中心形变量接近23μm,优于国外同等规模器件所能达到的水平。     

真空低温环境用大口径轻量化椭圆平反镜设计

文章介绍了真空低温环境用大口径轻量化椭圆平反镜的结构设计、轻量化设计。并针对椭圆平反镜的装卡特点、使用环境,利用有限元分析技术分析了椭圆平反镜在力载荷、温度载荷作用下的变形。根据计算结果和使用情况给出了反射镜的设计结论。     

航天光学遥感器光学装调技术现状与展望

航天光学遥感器工作于太空中,长期恶劣的空间环境及短暂发射入轨时的状态对光学系统的设计与装调提出了苛刻的要求,确保光学系统在轨像质优异是航天光学遥感器研制的关键技术.文章结合国际上航天光学遥感器的发展需求对光学系统装调技术及发展现状进行了分析、总结,提出了中国后续航天光学遥感器装调与测试技术的突破方向.     

空间红外推扫成像系统探测器光学拼接方法

高分辨率、大视场成像是空间光学遥感器发展的重要方向之一;针对红外成像系统的特点,文章提出了一种基于像方远心光路主光学系统与物方远心光路中继透镜组相结合,在主光学系统像面处通过反射镜分视场实现多探测器组件光学拼接的方法;在此基础上对影响成像系统可实现性的关键问题进行了分析,并给出了解决途径;最后针对大幅宽成像应用需求,给出了光学拼接实现推扫成像的实例。     

大型太阳模拟器拼接准直镜技术

KM6太阳模拟器采用离轴准直光学系统,离轴角为29°,准直角≤±2°,准直镜最大外形直径为6800mm。根据太阳模拟器光学系统的特性,同时也为降低制造成本,准直镜可以采用球面反射镜来代替原本的抛物面反射镜,并且采用多个小镜拼接而成。文章从外形尺寸计算、单元准直镜及其调节机构、框架结构及其调节机构、准直镜的温控和准直镜的装调等方面全面介绍了KM6太阳模拟器拼接准直镜的设计技术。与此同时,详细阐述了在平面结构基础上拼接大型球面反射镜的可行性及其相关位置尺寸的计算方法,阐述了单元准直镜和框架的调节机构的原理及其拼接球面反射镜过程中的作用,论述了准直镜辐射制冷、电加热调温的温控方案的可行性,进行了必要的热分析计算,对空间环境模拟器中大型反射镜的研制具有参考价值。     

“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。     

“高分二号”卫星轻小型高分辨率相机技术

"高分二号"卫星搭载的轻小型高分辨率相机首次采用了相机系统采样频率与光学截止频率之比接近1的三反同轴光学系统设计,相对孔径达到1/15,光机主体质量和体积约为传统方案的三分之一。解决了大口径超长焦距光学系统水平重力卸载装校、海量数据处理、结构和热应力稳定性、微振动抑制等一系列高分辨率相机研制难题。通过在轨测试,相机功能、性能全面满足研制要求,关键项目性能优于指标要求,内方位元素保持高精度稳定。文章论述的相机的设计、制造、装调等相关技术,可以为后续同类相机的研制提供参考。     

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。