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。     

偏场使用的同轴三反系统畸变稳定性仿真分析

针对测绘图像几何精度对光学镜头畸变稳定的要求,仿真分析了一偏场使用的同轴三反光学系统镜头的畸变稳定性,从而论证该光学镜头用于测绘相机的可能性。将光学系统畸变误差源分解为加工误差、装调误差、工作温度变化引入的误差、以及调焦引入的误差4个主要部分,利用光学设计软件仿真分析了各误差源单独做用时对光学镜头畸变的影响情况,仿真结果表明在引入误差源的情况下,所分析的光学镜头的相对畸变不变,绝对畸变的最大变化范围小于2个像元尺寸,光学镜头的畸变稳定,有用于测绘相机的可能性。     

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。     

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。     

轻型球面反射镜面形检测支撑设计仿真分析

文章针对轻量化程度较高的SiC空间反射镜,探讨了其在重力环境下反射镜面形检测所需要的卸载支撑方法。为了使重力对反射镜面形精度的影响降低到可接受范围内,在光轴竖直时,将支撑结构对反射镜的作用简化为卸载力,优化力的数量、位置及大小,使反射镜面形精度达到近似零重力情形,并分析了反射镜水平倾斜0.5°、1°时,反射镜面形对位置误差的敏感程度;光轴水平时,在对反射镜设计支撑结构的同时,加入3点、6点辅助卸载力来降低残余重力影响,使反射镜面形接近无重力情形。通过Patran/Nastran软件建立反射镜模型并进行仿真计算,输出反射面各结点坐标值及变化量,用Matlab程序计算出反射镜面形精度,结果表明优化后的设计结果满足指标要求。     

空间相机地面装调重力卸载仿真优化方法

空间相机在地面装调过程中需要对光机结构进行重力卸载。空间相机常具有尺寸大、刚度低的特点,使得对其进行重力卸载仿真优化异常复杂。文章提出基于贪心算法结合天牛须搜索的重力卸载仿真优化方法。该方法提取系统的可行卸载点集,每次从可行卸载点集中提取1个或1组最优卸载点;以此类推,逐渐增加卸载点数,直至满足测试要求。其中,每组卸载点系的最优卸载力利用天牛须搜索法进行计算,继而可获得系统的最佳卸载策略。利用该仿真优化方法,可以智能化地进行系统全局迭代仿真分析计算,不易收敛于局部最优解,能够高效、快速地获得系统最佳卸载点系和最优卸载力。     

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。     

航天相机快速定焦的关键参数

在航天相机的装调中,焦平面的位置是影响航天相机的成像质量的关键因素,如何准确且快速地在实验室环境中预置相机的焦平面是体现光学装调水平的重要指标。通过深入研究定焦原理,建立光学模型进行理论推导和光学仿真,发现了定焦过程中平行光管焦面的离焦量与相机焦面组件的偏移量之间的定量关系,提出了离焦放大率的定义并将其作为定焦关键参数进行定焦的方法,克服了传统定焦方法中应用恒定值的轴向放大率定焦而需要反复迭代的缺陷。实验结果表明:装调实例的装调效率较传统装调方法提高了约3倍。由于对焦平面的精度要求主要取决于镜头的焦深大小,因此大相对孔径短焦的相机对焦面偏移量更为敏感,使用该关键参数指导装调,可以快速准确地确定最佳焦面位置,降低反复拆装焦面组件的风险,尤其适用于短焦相机的定焦,能大大节省工作量,提高装调效率。同时,由于离焦放大率和平行光管焦面的离焦量成线性关系,也有利于进行多个具有相同光学参数的相机的快速定焦。     

“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。     

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。     

双镜头航空相机投影转换误差分析

双镜头双探测器拼接式航空摄影相机获取的是双中心投影影像,需要将其转换成等效单中心投影虚拟影像并控制其转换精度。文章对双镜头相机建立由双中心投影向等效单中心投影转换的数学模型,依据模型得出投影转换误差的影响因素,并采用蒙特卡罗方法与最大误差方法对投影转换误差进行MATLAB仿真,利用仿真结果分析总体误差分布与各误差源的影响效果,为误差源的范围限制提供参考。结果表明:对于参数特定的双镜头航空相机,当主点误差限为0.5像元,主距误差限为1像元,相对角元素误差限为10″,相对线元素误差限为1mm,相对航高误差限为150m时,投影转换误差可控制在2像元内,且相对角元素误差为主要误差源。     

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。     

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。     

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。     

航天器蜂窝夹层板对称热变形分析及试验验证

分析了太阳同步轨道遥感卫星某遥感仪器安装板在平面温度场下的热变形特点,考虑蜂窝芯子横向胀缩,建立了对称热变形问题理论模型,给出控制方程和级数解。同时设计了热变形试验,采用数字近景摄影测量光轴指向变化。理论分析结果与试验结果一致性较好,表明可采用该模型对蜂窝板在轨热变形进行预示。典型高低温工况下蜂窝夹层板对称热变形造成安装其上的相机光轴指向变化在20″左右,选用相对稀疏、较矮的蜂窝芯子,可降低热变形的影响。     

抗光轴扰动的双目视觉测量方法

针对交会对接过程中双目测量相机受空间环境影响其光轴指向发生扰动的问题,提出一种抗光轴扰动的双目视觉测量方法。通过辅助光路将固定于卫星本体的参考标志分别成像于两侧像面的边缘,根据其图像变化估计光轴扰动变换矩阵,补偿因光轴扰动而产生的像面变化,从而实现抗扰动测量。理论推导表明：只要参考标志位于两侧相机视场内,便能够校正相机光轴扰动。利用地面试验平台进行了光轴扰动校正的仿真试验,试验结果表明：当两侧相机光轴存在扰动时,该方法能够有效校正光轴扰动,极大地提高了三维位置的测量精度。     

局限空间内的静态星模测试支架设计

某通用卫星平台配置的星敏感器设备的在轨热控制用星敏辐射器及其安装支架与星模安装位置存在空间干涉,在进行星模测试前必须先拆除星敏辐射器。文章针对此问题,对星敏设备安装流程和空间尺寸特点进行分析,提出一种用于受限操作空间的静态星模测试支架。通过计算星模测试所需的光轴角和旋转角的允差,经精确尺寸设计,利用结构微变形,合理设置测调策略,在受限空间的约束下实现了星模测试支架的小型化,以及星敏辐射器的安装与静态星模测试的兼容。静力分析和星上试验的结果均验证了设计的可行性。小型化星模测试支架的应用降低了卫星总装风险,优化了总装流程,提高了总装效率。     

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。     

涡轮泵准刚性转子的临界转速识别

以Jeffcott转子为对象,从理论上介绍了重力副临界现象。在转轴有限元模型及轴承支承刚度修正的基础上,对某大推力补燃循环液体火箭发动机涡轮泵转子的前两阶临界转速和振型进行了仿真分析。通过高速运行试验,借助重力副临界识别出了转子的前两阶临界转速,并与全转速运行的识别结果及仿真结果进行了对比,1、2阶临界转速识别结果误差...     

动量轮微振动扰振频谱对三反同轴相机的影响

随着遥感卫星分辨率的不断提高,动量轮扰振对遥感成像的影响逐渐成为卫星总体设计时需要关注的问题。目前对动量轮微振动的研究多侧重于时域分析,经常把卫星平台和载荷分立开来单独研究。鉴于平台和相机之间具有耦合作用,分立研究会带来较大误差。动量轮的输出响应并不是一个单一频率的时域信号,不同频谱对相机的影响不同,频谱分析往往更能反映问题。文章联合卫星平台和相机进行整星建模,分析了微振动扰振从动量轮处传递到相机光学元件的频谱特征,得到动量轮扰振不同频谱对相机造成的具体影响。分析结果显示,低于相机基频的动量轮扰振频谱造成相机光轴晃动,相机特征频率区间的扰振频谱不仅会放大光轴晃动,还会造成相机内部的光学元件光轴不一致。最后文章定量计算比较了这两种影响带来的MTF下降。