大口径反射镜Bipod支撑结构的装调与检测方法

随着我国遥感卫星对地观测分辨率的不断提升,空间遥感相机的有效口径逐步增大,为有效应对相机在地表装调时的重力误差干扰,大口径遥感相机的装调方式逐步从光轴水平形式转变为光轴竖直形式,与之对应的,相机主反射镜支撑结构与装配需求也在不断革新。为满足反射镜支撑与减重需求,在1 m及以上口径的反射镜支撑形式中,Bipod结构是较为常见的一种结构形式,不同于传统的框式支撑形式,它在光机结构粘接与结构位置标定需求上都有了巨大变革。为保证Bipod支撑结构下反射镜的装配定位精度和面形变化满足系统指标要求,提出了一种结合多目标空间位置转换和Stewart结构运动反演的大口径反射镜组件装调方法,该方法可在有效保证光机结构粘接点精度的同时,仅依靠反射镜自身支撑结构,实现反射镜与主承力板之间的高精度六维调节,系统装调误差可控制在0.04 mm左右。在遥感相机的实际装调过程中,通过分析主反射镜在系统中的装调误差区间,并以此为标准制定了反射镜Bipod结构的定位、粘接、调整和检测方案,实践结果表明该方法可有效控制反射镜的装配定位精度和面形误差,装调结果能够满足大口径遥感相机的系统成像需求。

空间遥感智能处理技术发展

近年来,人工智能技术得到了快速发展,成为引领这一轮科技革命和产业革命的战略性技术,人工智能和传统空间遥感的深度融合,将带动遥感功能及应用的变革性创新。本文调研分析了智能遥感的应用场景、目前国内外的最新研究进展,以及未来空间遥感智能处理技术的发展重点,并对空间智能遥感处理技术的发展趋势进行展望。

P和L波段的典型地物雷达散射系数的研究

能够反映地物散射特性的雷达散射系数应用前景广泛,具有重要的学术价值。国内外对于L波段同极化和交叉极化雷达散射系数的差值的相关研究较少,且暂无公开的P波段典型地物的雷达散射系数数据,为了弥补这一现状,文章结合国内外实测数据分析了P波段和L波段雷达散射系数和入射角的变化关系,并对L波段和P波段典型地物的雷达散射系数进行了比较。结果表明:L波段HH极化和HV极化雷达散射系数的差值随着入射角的增大而减小,在40°入射角时,典型地物的差值在10~13 dB;P波段典型地物雷达散射系数随着入射角的增加而减小,且比L波段小1~2 dB;P波段HH极化和HV极化雷达散射系数差值随着入射角的增大而减小。文章的研究为P、L波段雷达的遥感应用积累了数据,为极化SAR反演目标信息提供帮助和借鉴。

低倾角圆轨道大口径空间相机热控设计与验证

针对某低倾角圆轨道大口径空间遥感相机轨道外热流复杂,光学系统和主支撑结构控温精度要求高的难题,设计了一套综合热控策略。对主支撑结构,融合间接辐射控温技术及高精度离散控温算法,实现了光机结构全周期±0.3℃的高稳定性控温;针对相机内热源,通过合理分配散热面,采取差异化的散热策略,优化部组件布局,合理设置散热通路,特别是对制冷机冷指热端采用散热面耦合均温技术等,实现了高效散热。相机热平衡试验及在轨飞行数据验证了相机热控系统设计的有效性。研究可为同类遥感器的热控设计提供参考。

同轴空间相机碳纤维复合材料桁架结构的研制

从某空间相机的任务需求出发,提出了采用基于碳纤维复合材料的高精密桁架作为主次镜间的支撑结构,完成了相关设计和工程分析,并在加工制造过程中,对相关工艺流程进行了探索。确定了相关结构的制造工艺流程,实现了该结构的高精密加工。最后,深入开展了相关振动、力学和温度稳定性试验,搭建了基于光学测量方法的自动测试平台,排除了人为因素的影响,实现了快速多次自动测量,从而提高了测试精度。分析和试验结果表明:所研制的大型碳纤维桁架质量仅为13kg,基频达到119Hz,在重力、10℃温升和4℃温差条件下的变形均小于4″,各组件Φ864mm安装接口的平面度优于8μm,同时实现了高度轻量化和高稳定性。该桁架已成功应用于某空间相机中,提出的设计、试验方案和工艺流程可以作为其它同型空间相机结构设计的技术参考。

一种多分辨率图像目标检测算法

为解决航天遥感图像分辨率和目标尺度变化大的挑战,提出了一种基于多分辨率图像的目标检测算法。改进了自适应特征金字塔和轻量级的分类预测模块,通过使用注意力机制,从不同层次的特征图中提取语义信息。引入了一种预测目标尺度的方法,以分析图像中目标的分布和尺度信息。将算法在DOTA(Dataset for Object deTection in Aerial Images)数据集上进行了实验验证,在U-Net(一种基于卷积神经网络的语义分割算法)和ResNet-34(一种深度残差网络)两种不同的主干网络设置下,召回率和检测速度均超过了RPN(Region Proposal Network,区域提议网络)算法。提出的多分辨率图像目标检测算法能有效地提高检测精度,降低计算复杂度。

空间光学载荷六维隔振系统的设计

设计了一种基于Stewart构型的隔振系统用于空间光学载荷的在轨隔振并研究了Stewart构型的特点。首先,使用牛顿-欧拉公式建立了隔振系统的理论模型,根据该模型计算得到了隔振系统刚度、阻尼矩阵及各阶固有频率与主模态的数学解析式。然后,以缩小隔振系统前六阶固有频率的分布范围为目标,利用寻优方法优化了隔振系统的几何结构参数,得到了用于六维被动隔振的最佳构型。最后,分别使用有限元单元法及解析方法对隔振系统进行了模态分析,得到隔振系统前六阶固有频率,其理论分析值与有限单元法计算结果的最大误差为1.51%。为了论证所设计的隔振系统的有效性,对隔振系统及光学载荷的耦合模型进行了复频响应分析,得到3个平动及3个转动方向的复频响应曲线,结果表明隔振系统能够将各个方向上高于10Hz的振动衰减90%以上,满足隔振要求。

科学级TDICCD相机的行频精度

从工程实际出发,以相机侧摆成像为例,系统分析了行频精度对TDICCD相机成像质量的影响。首先,推导了相机侧摆时焦平面各像元的像移速度求解公式,建立了侧摆角度与像移大小的一般关系式。在此基础上,采用调制传递函数(MTF)作为评价相机成像质量的指标,分析了像移失配对MTF的影响,计算导出了行频精度对成像质量的影响。结果表明,侧摆角度越大,积分级数越高,对行频精度的要求就越高,反之越低。在实际工程应用中(侧摆35°条件下),积分级数为64级和96级成像时,行频精度只要分别不低于0.54%和0.36%就能使MTFmatch≥0.95,满足系统对传递函数的要求。将实验结果与计算分析结果进行对比,验证了分析的正确性,该结论对实际工程应用和设计有指导作用。

TDI CCD电荷转移对遥感相机成像质量的影响

由于多相位TDI CCD行间电荷转移引起的像移无法通过光、机、电等方法消除,本文研究了电荷转移对遥感相机成像质量的影响。首先,介绍了推扫式遥感相机的工作原理与前向像移补偿方法。接着根据TDI CCD行间电荷的转移方式,利用脉冲传递函数建立了电荷转移速度模型,并对TDI CCD电荷转移速度与景物像点移动速度进行了比较分析,揭示了TDI CCD电荷转移像移产生的原因。然后,建立了多相位TDI CCD电荷转移像移的调制传递函数,定量给出了二、三、四相位TDI CCD电荷转移像移引起的空间频率对比度损失。最后,搭建测试平台,采用胶片式遥感相机获取了奈奎斯特频率处的靶标图像,其分辨率为60lp/mm,并比较了三、四相位TDI CCD电荷转移像移对靶标分辨率的影响。实验结果表明,提出的电荷转移像移模型与图像实验仿真结果相吻合。

空间遥感器中窗口的热光学特性研究

光学窗口是空间光学遥感器应用系统中的重要组成部分 ,其热光学特性是其热控设计的指南。拟定某种温度边界条件后利用有限元法计算其稳态温度场分布 ,再将温度载荷和其它有关广义力载荷作为载荷 ,计算光学玻璃的变形。将变形值拟合为 Zemike多项式 ,输入到光学设计程序 Zmax TM中 ,计算出光学玻璃的变形所引入的波差。

基于辐射传输模型的TDI CCD遥感相机信噪比分析

信噪比是定量评价遥感相机成像质量和辐射性能的一项关键指标,信噪比的估算和测试对于遥感相机的研制至关重要。针对TDICCD相机从辐射传输和能量转换的角度推导了信噪比计算公式,基于大气辐射传输模型MODTRAN 4.0从理论上估算了某遥感相机在各种观测条件下的信噪比,结果表明:在典型观测条件下相机的信噪比不低于20dB。作为试验验证,利用积分球光源对相机进行了各种照明条件下的信噪比测试,测试结果证实了理论模型的正确性。

星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析

星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。

利用CCD拼接实现推扫式遥感相机的自动调焦

根据空间推扫式遥感相机CCD的拼接结构,提出了利用CCD重叠区域的图像指导自动调焦的方法。首先,介绍了空间推扫式遥感相机的CCD拼接结构;根据推扫式成像的特点,利用具有并行处理数据能力的现场可编程门阵列(FPGA)同时接收多个CCD重叠成像区域的图像数据,并计算图像质量评价值。然后,选取图像质量评价值最大的3个重叠区域作为表决调焦方向的依据。最后,通过实验分析说明了本方法的可行性。试验中,相机的推扫频率为10kHz时,调焦一步的时间为0.2s,表明本文的调焦方法具有较好的实时性。提出的方法为空间推扫式遥感相机的在轨自动调焦提供了可行依据。

“高分七号”高精度光学立体测绘卫星实现途径研究

"高分七号"(GF-7)卫星是中国首颗民用亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星,于2019年11月3日在太原卫星发射中心发射升空。卫星能够获取高空间分辨率立体测绘遥感数据和高精度激光测高数据,可用于1∶1万比例尺立体测图。文章首先简述了国内外光学立体测绘卫星的发展概况,然后分析了GF-7卫星的实现途径,最后重点介绍了GF-7卫星及其有效载荷的技术特点和创新点,并简要介绍了卫星在轨数据初步应用情况,为后续同类测绘卫星的系统设计提供参考。

基于接触理论的空间光学遥感器的动力学求解

遥感器结构中通过螺钉或销钉的非线性连接环节的存在使得准确求解动态刚度的困难加大 .在介绍的经典接触理论的基础上 ,根据结构形式、材料和施加的预紧力通过计算机模拟分析出连接部分接触面间的实际接触状态 .在建立动力学有限元分析模型时 ,通过接触单元和螺钉单元模拟接触区域的刚度特性 ,获得系统的固有频率和振型 .有限元分析结果与正弦招聘描试验时的结果基本一致 (误差约为 4 % ) ,表明这种方法能够较好地模拟出结构的动态刚度 .相关分析还表明 ,只有通过分析接触等非线性环节 ,才能模拟出结构的真实动态刚度 .

离轴空间遥感器主支撑结构设计

长焦距离轴三反(TMA)空间光学遥感器各光学元件的位置精度和动态稳定性与其主支撑结构相关,因此,本文研究了遥感器主支撑结构设计方案。对比分析了主支撑结构的常用形式,确定了桁架结构方案,并对其进行了材料选择和连接工艺分析。推导了三杆结构(桁架基本单元)的一阶频率解析式,并确定了其最佳形式。在初始设计的基础上,利用灵敏度分析和参数优化设计方法得到了一种24杆式主支撑结构。作为验证,对该支撑结构进行了静态翻转和动力学试验。试验结果表明,主支撑由竖直状态翻转到水平状态后,前端倾角变化小于10″,一阶固有频率为55Hz,振动试验中支杆最大应力为135MPa,满足各项设计指标要求。

“高分四号”卫星相机热控系统设计及验证

"高分四号"卫星搭载的相机具有较高的分辨率和指向精度,需相机光学系统及主承力结构在全寿命周期内保持高温度稳定性,且该相机工作于地球静止轨道,所处空间热环境更为复杂,给热控设计带来极大挑战。文章结合相机在轨成像需求和空间热流特点,详细分析了相机热控设计的重点与难点,并创新性的采用了遮光罩开设散热面、间接辐射控温、南北耦合散热面等热控措施,实现了高轨相机的高精度温度控制。热平衡试验与在轨飞行温度数据表明,相机的热控设计合理可行,能够满足相机在轨成像的温度要求,为未来高轨大口径光学相机高精度、高稳定性热控设计奠定了良好的基础。

一种轻小型遥感相机视频处理FPGA软件设计

本文针对传统遥感视频处理系统接口多、功能冗余、组装不便等不足,结合某型号相机应用需求,完成了一种轻小型高集成度FPGA软件设计.该软件运行在Virtex II-3000 FPGA上,实现TDICCD驱动、数据采集、数据压缩、数据传输、遥控遥测、辅助数据编排及成像时刻标定等功能.本文重点介绍多功能集成软件设计、JPEG2000图像压缩以及压缩与Spacewire数传接口数据率的平衡.单板测试及热循环试验表明软件功能完备、性能可靠.

星上智能信息处理技术发展趋势分析与若干思考

星上智能信息处理的主要任务是接收天基探测载荷数据,并在星上完成数据压缩、复杂海空环境下高价值目标的发现、识别与跟踪等工作,达到降低下传数据率、支持天基广域探测与全自主即时态势感知等目的。文章回顾了美国、德国等航天强国光学卫星的星上信息处理技术的发展现状,梳理总结了该技术的发展思路与关键指标。在此基础上,结合星上信息处理技术的应用现状,着重从天基光学探测应用需求出发,提出星上智能信息处理关键技术与能力的发展建议,为推进未来海空目标多源探测与信息融合处理技术创新与持续发展提供支撑。