空间遥感相机调焦机构设计

空间遥感相机所处的环境条件非常复杂 ,由于环境条件的改变 ,相机的焦平面将产生不同程度的偏移 ,为保证相机的成像质量 ,需将变化的焦平面加以校正 ,因此设计一套借助精密滚珠导轨、凸轮导向机构实现调焦的调整机构。本文从保证空间遥感相机成像质量的角度出发 ,介绍了调焦机构的方案选取原则 ,阐述了调焦机构的工作原理、组成及调焦机构的运动转化原理 ,给出了提高调焦机构安全可靠性所采取的措施 。

一种提高碳纤维复合材料框架结构应用性能的结构技术

分析了碳纤维复合材料的基本性能 ,探讨提高碳纤维复合材料结构性能的预埋技术措施 ,给出了预埋件的选取原则和几种典型结构形式。设计制备了框架式碳纤维复合材料构件 ,其最大外形尺寸为 12 0 0mm× 790mm× 6 95mm、质量为 4 1kg ,其上安装质量为 12 5kg的仪器 ,经正弦扫描振动和随机扫描振动试验 ,该构件可承受 2 0 .4g加速度载荷 。

高马赫飞行条件下光学窗口数学模型的建立

航空遥感器是获取地面信息的重要工具,高马赫飞行条件下光学窗口的数学模型是开展高速航空遥感成像研究的基础。高马赫飞行会对光学窗口的形状和折射率分布造成影响,进而影响遥感器的成像质量。为保证或提高航空遥感器成像质量,需要研究高马赫飞行条件对窗口造成的影响,即建立该条件下光学窗口的数学模型。首先,给出高马赫飞行条件下有关光学窗口的问题描述,并给定输入参数和进行分析的边界条件;然后,分别建立光学窗口的温度场模型和面型模型,并进一步建立折射率与温度间的函数关系;最后,推导得到高马赫飞行条件下光学窗口的数学模型。

基于有限元分析的长条状主镜支撑结构设计

从满足空间望远镜主镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了大尺寸长条状主镜组件材料和主镜结构的选择确定原则;采用理论分析与有限元计算工具相结合的手段,对主镜支撑结构进行了分析与设计。分析计算表明,若主镜组件采用刚性支撑设计,主镜综合面形误差将远远超出设计要求;而采用柔性支撑设计,当柔性支撑筋板高度取46mm、厚度取1.7mm时,主镜组件的动态刚度可达97.4Hz;镜面综合面形误差分别达到63.1nm、39.3nm和59 6nm;主镜组件最大变形分别达到24.6μm、21.4μm、7.4μm,各项指标满足设计要求。平衡稳定性校核表明,当空间相机发射时,柔性支撑筋板不会发生失稳。

推扫式航空遥感器像移补偿精度的分析

为分析飞行器的速度、航高、姿态角与姿态变化对推扫式航空遥感器成像质量的影响，采用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法建立了系统的像移模型，计算遥感器像移补偿的精度。分析了平移与旋转运动所引起像移的特点，通过运动的分解建立了推扫式航空遥感器的像移模型；以两组工作参数为条件，分析速高比、姿态角与姿态变化对像移的影响，并提出相应的像移补偿方法。应用蒙特卡罗法，依据与模型相关变量的误差分配，计算推扫式航空遥感器像移补偿的精度。在满足表3的误差要求，速高比为0．3～0．5（1／s），TDI基数不超过32级的情况下，像移补偿残差的3σ值为16μm，达到了遥感器的指标要求。

航空遥感器光学窗口光机热一体化设计

为减小光学窗口对航空光学遥感器成像质量的影响,对光学窗口的窗口玻璃厚度进行了优化设计。根据强度理论确定了窗口玻璃最小厚度。依据纵掠平壁理论计算出光学窗口外表面的平均对流换热系数;以热光学为基础,仿真了航摄时光学窗口的瞬态温度场分布;计算了光学窗口在热-力耦合作用下不同窗口玻璃厚度时的波像差(PV和RMS),最终确定了矩形光学窗口(290 mm×140 mm)的玻璃厚度为17 mm。试验结果表明:特征频率为60 lp/mm时光学系统传递函数为0.304,并获得了稳定、清晰的航摄图像。成功实现了光学窗口的光机热一体化设计,可为其他航空光学窗口设计提供参考。

单轴柔性铰链柔度系数试验装置的设计

为了在空间光学遥感器大尺寸反射镜柔性支撑结构的试验研究过程中获得柔度特性试验数据,设计了一种结构紧蹙的单轴柔性铰链试验装置,采用该装置在材料拉伸试验机上同时实现了端部弯曲和纯弯曲试验功能。该装置利用杠杆原理实现纯弯曲加载,并采用由刚性辊子组成的约束通道对纯弯曲组件进行约束,从而降低了摩擦对载荷传递的影响。试验过程的模拟分析表明,"L"型下推杆引起的横向偏载是影响纯弯曲试验的主要因素,最大横向偏载可控制在4.783 N。试验结果和有限元分析结果及理论计算值取得了很好的一致性。与有限元分析结果相比,试验结果和理论计算值都稍偏小,试验值最大偏差为3.87%。该装置为光学反射镜柔性支撑的试验研究提供了有效的解决方案。

碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒

碳纤维复合材料作为一种新兴结构材料,它的优异性能提高了航天光学遥感器的结构效率及尺寸稳定性。介绍了某航天光学遥感器遮光镜筒的设计,探讨了碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器遮光镜筒需考虑的一些问题,如线膨胀系数、连接接口以及预埋技术等,最后给出了遮光镜筒进行环境模拟试验的实验结果。结果表明,碳纤维复合材料应用于航天光学遥感器是完全可行的,并将得到进一步发展。

振动对光学成像系统传递函数影响的分析

为了使光学机械结构设计满足成像系统的要求,对机械振动对光学调制传递函数(MTF)的影响做了分析。从光学成像系统物像相对振动的形式入手,基于刀口理论(线扩展函数),用MTF作为评价函数,针对各种振动形式对图像分辨率的影响进行量化分析,并分析各种参数对MTF的影响,为光学机械的强度、刚度、和精度设计提供了理论基础。结合工程实际,提出减小振动对成像质量影响的具体措施;通过对某成像设备中振动对MTF影响的分析,计算出其动态分辨率为22 lp/mm,与实际拍摄结果较为接近;说明了该分析的正确性及其可用性。

航空相机焦面组件相变温控设计及验证

航空相机焦面组件是机载电子设备中具有严格温度要求的重要组件，其工作期间温度过高产生的热噪声和暗电流将导致成像质量下降。讨论分析了某型航空相机焦面组件热设计的特点，采用封装有相变材料的相变温控系统进行散热，根据结构特点和导热路径，给出了热设计方案。采用有限元数值分析方法，建立了热平衡方程和热分析计算模型，应用热分析软件IDEAS—TMG在给定温度边界条件下进行瞬态仿真分析，给出了组件的热响应性能。热分析结果表明：焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—31．1℃、18～28．2℃。所获得的分析结果能够满足热控指标要求。最后通过热实验对采用相变温控系统的热设计方案进行了验证，验证实验结果与数值分析结果吻合较好，结果对比最大偏差均不超过5％，验证了数值分析的正确性和温度预示的有效性。实验过程中焦面组件和散热器工作温度范围分别为18—32．3℃、18—29．6℃。

斜视状态下航空遥感器像移的计算与补偿

航空遥感器成像过程中飞行器的向前飞行和姿态变化,使地面物体发出的光线相对于遥感器的光轴产生运动,从而引起共轭像点的运动,在成像介质上产生像移。运用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法,针对飞行器向前飞行使物体与光轴间发生的平移,以及飞行器姿态变化使光轴方向的改变,建立了光线矢量与光轴单位矢量间的关系,得到了航空遥感器在斜视状态下的像移模型。以实测遥感器的工作参数为条件,分析和计算了遥感器的像移,并给出了像移补偿的方法。实际应用证明光线矢量与光轴旋转变换相结合计算像移的方法,不仅综合了前向像移与姿态像移,而且计算简便,可推广于航空遥感器的研究中。

碳化硅扫描反射镜支撑结构设计

对尺寸为460 mm×290 mm的SiC扫描反射镜的轻量化和支撑结构的设计进行了研究。基于三角形和矩形的复合轻量化结构,采用镜体背部为开放和封闭相结合的形式,设计了一种新型的扫描反射镜组件。该组件采用侧面支撑方式和轴向柔性结构,有利于消除支撑结构材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对镜面面形的影响。有限元方法分析结果表明:反射镜组件在1 g重力载荷和8℃温度变化作用下,反射镜镜面的面形误差RMS值分别为4.5 nm和20.3 nm。该反射镜轻量化形式和支撑结构满足光学成像要求,并可有效提高结构的稳定性,对于大尺寸反射镜组件的设计具有借鉴意义。

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。

推扫式航空遥感器像面调焦机构设计

为了提高航空遥感器的地面分辨率,改善图像清晰度,本文分析了遥感器离焦原因,根据推扫式航空遥感器光学系统的特点和结构形式,设计了一种使用凸轮和直线导轨的调焦机构来补偿CCD感光面的离焦量。设计中采用偏心的内、外曲线凸轮,以保证CCD探测器的位置稳定性。对机构的误差分析和精度实验表明:该调焦机构的误差不大于遥感器的半焦深0.04 mm,满足使用要求。提出的像面调焦方法适用于装机空间小,焦距较短的遥感器。

相变热控在高空光学遥感器CCD组件中的应用

为保证高空光学遥感器CCD组件所需的温度水平,利用石蜡类材料的相变储热特性,设计了一种相变热控方案。分析了相变热控中封装容器及导热增强体材料。利用热平衡方程,计算了相变材料用量,设计了封装容器及导热增强体。通过CCD组件热试验测试了热控方案的热控效果。结果表明:在CCD组件连续工作2 h情况下,未采用相变热控方案的CCD组件温度范围为18～41.4℃,而采用相变热控方案的温度范围为18～28℃,满足热控指标要求。该相变热控已成功应用于某高空光学遥感器,可以作为其他航空光学遥感器CCD组件热控设计的参考。

钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用

针对某航空光学遥感器扫描组件和消旋组件需以高精度同步旋转的要求,提出一种通过双电机驱动,采用独立的位置环和速度环控制的钢丝绳精密传动方法。首先,详细介绍了钢丝绳精密传动的结构形式和控制方法,并简要分析了钢丝绳的传动刚度,最后,通过实验对钢丝绳精密传动的精度进行测试,同时分析了预紧力和负载力对精度的影响。实验结果表明:本钢丝绳精密传动系统实现了扫描组件和消旋组件旋转同步精度0.03°,旋转速度为5°/s时稳速精度达1.5%,满足设计要求。实验结果验证了本钢丝绳精密传动应用方法的可行性,为钢丝绳精密传动在航空光学遥感器上的应用提供了一种新的方法。

航空遥感相机扫描反射镜支撑技术

从保证扫描反射镜成像质量及功能的角度出发,介绍了扫描反射镜及其支撑结构材料的选取原则;探讨了扫描反射镜的支撑方式,以及各种支撑方式的适用范围;针对面型精度要求较高的反射镜,提出了柔性支撑结构的设计思想。通过CAD/CAE工程分析软件,在各种情况下,对采用柔性支撑结构前后的反射镜组件进行分析,由有限元模型变形情况的对比分析,可以验证此种柔性支撑结构的有效性。最终通过相机的外场试验,由相机的成像质量确定了反射镜支撑结构的可靠性。

大视场三线阵航空测绘相机光学系统设计

针对大视场、高分辨率、低畸变和环境适应性要求高的三线阵航空测绘相机光学系统设计要求,开展新型光学系统结构形式设计:首先,根据总体方案要求以及稳定平台安装特点,确定了单镜头的技术方案;接着,分析计算了光学系统各项指标参数,光学系统拉氏不变量达到9.5;然后,对比分析了非像方远心光路、像方远心光路和准像方远心光路的结构形式;最后,设计了一种航空环境适应性良好的双高斯复杂化失对称准像方远心光学系统结构形式。设计的光学系统成像质量好,在全色谱段内的Nyquist频率为100lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.36;分别在R、G、B谱段的Nyquist频率为50lp/mm,全视场调制传递函数均优于0.6。光学系统全视场最大相对畸变优于0.1%,在均匀温度0~40℃范围内,全色谱段调制传递函数优于0.3。实验室鉴别率板测试结果表明,相机静态分辨率达到102lp/mm;飞行验证试验结果表明,相机摄影分辨率达到0.16m@2km航高。光学系统设计完全满足大视场三线阵航空测绘相机环境适应性和分辨率的要求。