空间相机离轴角引起的积分时间误差分析

光学遥感卫星中空间相机常用的离轴三反光学系统,离轴三反系统能扩大光学系统视场、提高系统调制传递函数（MTF）,但是离轴角会带来积分时间不同步的问题,文章对离轴角引起的积分时间不同步而产生的成像品质影响进行了分析。首先对离轴三反光学系统的离轴角建立数学模型后,应用STK软件仿真空间TDICCD相机在不同级数下离轴角带来的摄影点积分时间和星下点积分时间的差异,然后用Matlab编写程序处理得到的不同积分时间的采样点得出结论,离轴角越大,光学系统的传递函数越小,光学相机成像品质越差。在工程应用中,对一个确定离轴角的离轴三反光学系统,通过仿真,对积分时间调整给出了相应设计建议。     

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。     

一种基于调节三镜的空间光学相机离焦补偿方法

离焦补偿是空间光学相机获得良好成像品质的关键。文章基于空间光学相机的技术特点分析其离焦补偿方法,提出调节三镜的离焦补偿方法。利用CODE V光学软件对某高性能光学小相机的光学系统进行仿真分析,获得离焦补偿精度、离焦补偿范围与系统成像品质的关系。为保证光学系统对移动三镜倾角控制要求,对三镜调焦机构直线精度及其力学稳定性进行了测试,最后对相机进行了地面外景成像验证与在轨测试。仿真及试验测试结果表明,调节三镜能有效地补偿空间三反相机在轨各因素引起的系统离焦,满足相机在轨成像品质要求。     

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。     

多光谱相机高稳定性光机结构设计技术

文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。多光谱相机主体反射镜通过选取零膨胀的微晶玻璃和殷钢材料,降低了反射镜的热敏感性,反射镜组件通过采用四点球铰无应力支撑技术实现了反射镜的静定支撑、消除掉了反射镜装配应力,保证了反射镜面型的稳定性。相机主体结构与卫星的连接采用柔性卸载结构设计,卸载了卫星结构由于热变形而导致的相机结构变化,保证了相机主体结构的在轨性能稳定性。通过对整个相机进行有限元分析和环境试验,有效地验证了设计的正确性,多光谱相机主体具有较好的结构稳定性。     

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。     

空间相机支撑结构选型动力学分析

在航天遥感领域,离轴三反射镜消像散光学系统(TMA)以大视场、无遮拦等特点被广泛运用。由于离轴TMA系统的特点以及空间相机在发射过程中经历的恶劣的力学环境,相机支撑结构的力学特性对于相机成像品质的保证具有至关重要的意义。文章用Solidworks建立了支撑结构的实体模型,并在此基础上建立了有限元模型。通过对4种结构构型方案的力学特性的分析比较,为相机光机结构设计打下了基础,对三反离轴相机支撑结构的工程设计具有一定的指导作用。     

基于真空试验的热光学集成分析方法

为了能够有效利用空间光学遥感器(空间相机)真空环境下的试验结果开展相机温度场对光学系统性能影响规律的定量研究,文章在典型热光学集成分析流程的基础上,提出一种基于空间相机真空试验(含热平衡试验和热平衡条件下成像试验)的热光学集成分析方法。通过对关键技术环节的详细描述,论述了实现基于真空试验的光-机-热耦合仿真分析的技术途径。基于真空成像试验的热光学集成分析方法能够有效地将热光学的分析与真空试验数据相结合,获取最为接近相机实际状态的热光学分析模型及方法,从而指导空间相机的光、机、热方案设计及优化。     

大长细比反射镜侧面支撑结构设计与分析

随着近几年离轴三反(Three-Mirror Anastigmat,TMA)相机在大视场高分辨率成像领域的应用,大长细比反射镜的支撑技术成为离轴TMA相机研制的关键技术之一。文章研究的反射镜尺寸达到986mm×246mm,为了使大长细比反射镜的支撑结构同时满足高刚度和高面形稳定的要求,采用理论研究和有限元分析相结合的方法设计了一种侧面柔性支撑结构。分析结果表明,反射镜组件一阶频率达到114.9Hz,在重力和2℃温变耦合下综合面形变化均方根值只有4.9nm,工艺件的力学振动试验结果和仿真分析基本吻合,反射镜支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

卫星红外遥感器辐射定标光机系统 热-结构耦合变形分析

辐射定标光机系统在模拟空间环境下的热变形直接影响定标光学系统成像质量,并决定星载遥感器辐射定标试验精度。文章建立的辐射定标光机系统有限元模型,以某卫星多光谱扫描仪辐射定标试验中的实测温度变化作为温度载荷,计算和研究了该系统在真空低温环境下的热-结构耦合变形的分布情况和分布规律。结果表明:在非均匀稳态低温环境下,该系统光学支架热变形使主镜及主反射镜发生刚性位移,引起垂轴方向位移、倾斜,黑体的离焦和光学系统焦距变化;反射镜表面畸变RMS值均为1/40波长以下,可以满足实际光学系统的面形准确度要求。     

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.     

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.     

四点球头反射镜支撑设计与分析

反射镜的支撑一直都是空间遥感相机的关键技术之一。为了能够获得较高的反射镜面形精度,文章针对离轴三反空间遥感相机,提出了一种四点球头反射镜的支撑方式。首先,在反射镜结构设计的基础上,介绍了四点球头反射镜支撑方式的原理以及支撑结构的组成;之后,对整个反射镜支撑结构中最重要的球头和支杆部分进行了详细设计;最后,使用Patran进行有限元模型前处理,使用Nastran求解,对反射镜组件的结构模态和各个工况下的反射镜面形精度进行仿真分析,得到的反射镜面形精度为1.6425nm,优于光学系统的指标要求。结果表明使用四点球头支撑方式的反射镜组件在保持较高刚度的基础上,能够获得较高的面形精度,证明了这种适用于长条型反射镜的支撑方式合理可行。     

基于小波包分析的空间相机光机结构损伤仿真分析

空间相机在发射的主动段需要经历振动、冲击等严酷的综合力学环境作用,这些环境因素对其结构稳定性和可靠性有着重要影响,因此在其发射之前需要进行严格的振动试验以保证其结构的稳定性和可靠性。随着光学遥感相机轻量化和分辨率的不断提高,依靠遥感相机振动试验的频漂评价方法已无法快速确定结构损伤位置,文章探索采用频率响应分析和小波包分析相结合的方法快速识别遥感相机光机结构损伤。首先采用有限元分析软件完成某型号经典三反同轴空间相机的建模,然后模拟了该相机在损伤工况下的振动情况,再通过Matlab软件对仿真分析数据进行处理。通过数据仿真验证采用小波包分析方法进行故障识别分析的可行性,为后续振动试验中的损伤分析和定位提供了参考。     

星载CCD相机真空热试验方法讨论

我国相关标准对于具有主动热控的星载CCD相机单机热真空试验方法一直没有明确定义,相机在试验中的温度设置值如何确定是其关键问题。文章认为此值应与相机的热设计温度范围相同;如果不以温度作为验证热设计的唯一条件,那么相机的热设计也可以同相机结构、光学设计一起,在真空热环境条件下,对相机进行光学性能检测验证。可以通过相机的热真空试验,一方面验证相机的温度适应性;另一方面,设置相应的真空热试验工况,通过光学性能检测来验证热设计。从而减少相机的热平衡试验项目,简化了研制流程。在实施过程中,为了解决相机的光学窗口热流模拟的困难,可在相机光学窗口正对、具有一定距离的位置设置反射镜,并在其背部和周边设置加热回路。文章最后结合某CCD相机的应用实例对相机的真空热试验方法进行了讨论。     

“高分二号”卫星相机热控系统的设计与验证

为了保证相机在轨成像品质和指向精度,相机光机部件的控温要求需全寿命周期温度稳定性优于±0.3℃。文章根据"高分二号"卫星相机在轨成像需求,详细分析了相机热控设计的重点与难点,并创新性的采用了辐射主动控温措施对相机进行高精度的温度控制。热平衡试验和在轨飞行温度数据表明,相机热控设计合理可行,热控措施能够很好的满足在轨成像时所需温度要求,同时证明了辐射主动控温方法具有很好的控温精度和鲁棒性,在未来空间相机高精度、高稳定性热控设计中具有很好的应用前景。     

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。     

离轴三反(TMA)相机在轨成像的偏流角计算与控制

推导了离轴三反(TMA)相机在轨成像的偏流角计算公式,并根据推导过程给出了偏流角的闭环和开环两种控制方式。分析了转序定义对控制的影响,获得了最佳转序。     

高分辨率敏捷卫星颤振对成像的影响分析方法

高分辨率敏捷卫星在轨姿态机动成像过程中,姿态控制执行机构的控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）在正常工作时会产生附加的扰动力和扰动力矩,经振动传递,造成相机内部敏感光学元件之间的相对运动,从而对图像品质造成影响。为了研究 CMG 颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响,文章采用集成建模分析方法,构建包括扰动、结构、控制、光学在内的颤振集成模型。以某型号空间相机为研究对象,对此相机的动力学特性和光学系统敏感度进行了分析,得到相机敏感光学元件的振动响应,以及颤振在相机焦面产生的像移,研究了CMG颤振对高分辨率敏捷卫星成像的影响分析方法,可为其他类型颤振的影响分析提供参考。