SiC和SiC/Al在TMA空间遥感器中的应用

简述了空间遥感器的空间应用环境和三反射镜消像散(TMA)轻型遥感器的特点,介绍了遥感器设计中材料选择的重要性及影响,在TMA轻型遥感器研制中选用了具有高导热性和高比刚度的SiC和SiC/Al复合材料。对SiC和SiC/Al复合材料与常用光机材料的空间应用综合品质因子进行了比较,SiC材料的综合品质因子为8072.92,是常用光学材料的3～8倍,高体分SiC/Al复合材料的综合品质因子为1687.50,为常用机械材料的5～9倍。对遥感器的主框架进行了模态分析和试验,验证了分析计算模型的正确性;对遥感器进行了空间环境下光机热的集成计算,得出了在空间环境下遥感器的光学传递函数。计算及实验证明,这些材料的应用提高了遥感器的机械性能和热性能,提高了TMA轻型空间遥感器的空间适应能力。

真空应用太阳模拟灯及其灯阵的研制

为了对某相机进行热平衡试验,并克服传统太阳模拟器结构复杂、成本较高、光效利用率低的缺点,提出了将太阳模拟灯阵整体放在真空罐内使用的研制方案。首先,对该方案所需解决的各种问题进行了理论分析,计算得出模拟灯阵的辐照度要求为635.2～905.4W/m2,光学系统效率为0.1444。分析了真空罐液氮冷却系统的导热能力,结果显示,该冷却系统温度升高ΔT为2.0741K,小于其过冷度4K,表明该冷却系统可以将太阳模拟灯阵灯的热量导出。对系统热设计进行了分析和讨论,结果表明,积分器和反射镜的温度在200℃左右,氙灯灯极温度在92℃左右,满足其长时间正常工作的条件。最后,测试了模拟灯阵的技术参数,结果显示其照度为490.37～1000.56W/m2连续可调,辐照不均匀度<±5%,辐照不稳定度<±5%/h,各项指标均满足设计指标要求。

TDICCD交错拼接的精度检测

焦平面组件是遥感相机的重要组成部分,TDICCD的交错拼接可以获得大尺寸的焦平面。由于TDICCD交错拼接的焦面长度一般较长,常规的检测方法很难获得准确的检测结果。本文采用对拼接TDICCD像元直接监测的方法,使用直线度<2μm/m的气浮导轨,搭载显微系统对像元进行空间位置检测,并对已经完成拼接的600 mm长焦平面进行了精度检测,得到的检测误差<3μm。对遥感相机地面成像试验所得到的图像的分析表明,图像反映的拼接精度与检测所得到的结果吻合,从而验证了检测结果的准确性及检测方法的可行性,实现了长焦平面的高精度检测。

《空间遥感技术》专题文章导读

随着对空间遥感器成像性能要求的不断提高，高空间分辨率、高光谱分辨率和多波段通道成了空间遥感技术发展的方向和趋势。而TDICCD的拼接精度、电子器件的抗辐照性能、工作波段选择、系统噪声都是影响空间光学遥感器成像性能的重要因素，本专题论文对以上几个方面进行了研究分析，并均在工程实践中成功应用。

推扫型TDI CCD光学遥感器动态成像研究

针对基于推扫技术的TDI CCD空间光学遥感器动态成像试验,研制了一套检测系统。在系统中,设计了模拟卫星推扫的双支承U型结构精密转台。搭载遥感器,以角速度0.555°/s在±5°的范围内转动时,转台稳速控制精度达到0.3%。设计了一种奈奎斯特频率靶标,在每组矩形垂直靶条间加入公差为a/n的等差级数间隔靶条,解决了遥感器推扫时CCD像元与垂直靶条像匹配不确定性问题,使配准简化,提高了测量结果的准确性。试验结果表明:遥感器获得了垂直、水平及45°方向的0视场,±0.86视场奈奎斯特频率靶条像,验证了采用推扫技术的TDI CCD遥感器所具有的高品质。

氙灯和发光二极管作光源的积分球太阳光谱模拟器

设计了一种由氙灯和发光二极管(LEDs)作光源的积分球太阳光谱模拟器来提高太阳光谱的光谱匹配精度。引进模拟退火算法研究光谱匹配技术,设计了氙灯模块及LEDs模块的结构和控制系统。LEDs采用环带摆放和恒流驱动方式,并通过多机通信系统控制。氙灯模块上安装截止滤光片和程控衰减器,滤光片用来滤去氙灯红外波段的尖峰,衰减器则用来调整氙灯入射到积分球的辐射通量。仿真实验表明:Epitex公司的53种单色LEDs和氙灯完全可以模拟380～100 0nm波段的AM 1.5标准太阳光谱,光谱的平均相对误差为5.67%。分析讨论了该太阳光谱模拟器的光谱失配误差、出光面的辐照非均匀度和辐照不稳定度,三者均可以控制在±3%以内。

星上CCD成像非均匀性的实时校正

研究了时间延时积分(TDICCD)成像产生非均匀性的原因,基于两点校正算法探讨了星上图像非均匀性实时校正的可行性方案。鉴于工程一体化设计的要求,在常用的CCD时序处理器FPGA上实现了硬件实时校正。通过对相机均匀辐射定标,利用FPGA读取前32行TDICCD图像数据进行非均匀性等效灰度值(NUEDN)计算,根据工程经验,设定当NUEDN>2时对数字图像进行非均匀性实时校正。硬件实时校正结果表明,均匀辐照下NUEDN可降至0.29。实验室动态目标滚筒成像试验表明,实时校正后TDICCD推扫成像均匀光滑,满足工程需要。

大尺寸焦平面空间相机调焦机构的精度分析

由于大尺寸焦平面空间相机调焦机构的焦平面两端存在的不可消除的同步运动误差会直接影响相机调焦精度,因此对焦平面两端同步运动精度进行了分析。首先,研究了大尺寸焦平面空间相机调焦机构的特点,提出了焦平面两端同步运动误差是影响其调焦精度的主要因素;其次,分析了影响同步运动精度的主要误差来源,建立了同步运动误差的数学模型,并采用蒙特卡罗仿真算法对数学模型进行了仿真分析;最后,通过测试焦平面两端同步运动精度对仿真结果进行了验证。仿真结果显示,同步运动精度为0.02 mm,与试验数据分析结果0.023 mm一致,说明此方法能够比较准确地确定焦平面两端同步运动精度,为后续在轨调焦策略的确定以及同类产品的研制提供技术支持。

空间相机主支撑结构拓扑优化设计

针对目前空间相机主支撑结构设计中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化方法对空间相机光学系统主支撑结构进行优化设计的方案,并采用有限元分析法对两种空间相机主支撑结构优化设计的结果进行了检验。对卡塞格林光学系统和TMA光学系统主支撑结构进行拓扑优化后做了比较,卡塞格林光学系统主支撑结构一阶固有频率从41 Hz提高到72 Hz,重量降低了15%;TMA光学系统主支撑结构在一阶固有频率不降低的情况下,重量降低了35%。结果表明,采用拓扑优化设计方法缩短了设计周期,提高了空间相机主支撑结构的性能,有效降低了支撑结构重量,满足了系统设计要求。

大口径空间相机像质的微振动频率响应计算

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感,本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法,以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型,建立微振动光机集成模型,从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先,建立大口径空间相机有限元模型,进行结构频率响应计算,得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后,通过蒙特卡洛分析方法,建立微振动光机集成模型,以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后,研制了大口径空间相机力学样机,对其进行了振动试验,验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近,误差均在5%以内,满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。

制备空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料

采用无压浸渗复合新方法和自行研制的专用工艺设备，低成本地制备了用作空间光机结构件的高体份（55％～57％）SiC／Al复合材料大尺寸坯锭，并对其微观结构特征、基本的力学及热物理性能和断裂机制予以表征。此外，还通过线切割、电火花成型等特种加工手段将该种复合材料制造成反射镜背板、焦面板等一系列空间光机结构用典型样件。研究结果表明，该材料既有优异的结构承载功能（弹性模量213GPa，而比模量则比铝合金、钛合金及钢高出近两倍），又有卓越的热控功能（其热膨胀系数比钛合金还要低，热导率接近纯铝，达到235W／m·K），若以其替代钛合金用于空间光机结构可望获得显著的轻量化效果并降低热控负荷、改善热控效果。

空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法

由于受大气背景辐射和自身光电响应特性的影响,对地观测的空间光学遥感器所获取的原始数字图像与景物真实的辐射亮度图像相差甚远[1],为此,通过对光学传感器辐射定标,建立了入射辐射亮度与输出图像灰度间的辐射响应函数,来实现辐射亮度图像的反演和辐射校正。根据光学遥感器辐射传递转换过程,采用泰勒级数和矩阵函数模型描述了"辐射响应函数"的物理概念,并提出了多次回归分析求解矩阵方程获得辐射校正系数的方法。在进一步的实验中,结合积分球扩展辐射源对某型号民用相机进行实验室辐射定标,获得了该相机的辐射响应函数。实验结果表明,该方法可行且实用。最后,对实验获得"辐射响应函数"的物理意义以及辐射定标精度等问题进行了讨论。

NSCT域内基于改进PCNN和区域能量的多光谱和全色图像融合方法

针对多光谱和全色图像的融合,提出了一种NSCT域内基于改进脉冲耦合神经网络(PCNN)和区域能量的融合方法。首先,利用NSCT将图像分解为一个低频子带和多个不同方向的带通子带。然后,对分解后的低频子带采用基于区域能量的自适应加权算法进行融合;在带通方向子带,结合改进的脉冲耦合神经网络,使用带通方向子带系数作为PCNN的外部输入激励,经过PCNN点火获得待融合图像的点火映射图,根据点火时间计算点火映射图的区域能量,通过判决算子选择待融合图像的带通方向子带系数作为融合系数。最后,对融合处理后的NSCT变换系数进行重构生成融合图像。实验结果显示:在迭代次数为100次时,与改进小波算法相比,标准差提高了9.48%,熵提高了0.95%,相关系数提高了21.56%,偏差指数降低了29.66%;与Contourlet算法相比,标准差提高了9.73%,熵提高了0.94%,相关系数提高了11.27%,偏差指数降低了9.45%;与NSCT算法相比,标准差提高了3.84%,熵提高了3.34%,相关系数提高了7.89%,偏差指数降低了7.42%。

空间光学镜头可适应边界温度的CAE计算方法

提出了空间遥感器温度场的描述方法,建立了某空间遥感器光学镜头的热光学分析模型,计算得到了该空间光学遥感器温度水平和温差要求的热控指标。在对遥感器在轨运行热载荷状态进行假定描述的基础上,用有限元方法进行了温度场及热弹性变形分析,得出假定温度载荷作用下光学遥感器各光学表面的变形量及刚体位移量。利用Zernike多项式进行波前差拟合,得到Zernike多项式系数,代入光学系统,利用CODEV光学计算软件计算热载荷作用下光学镜头的传递函数(MTF)。通过迭代,得到光学系统满足传递函数指标>0.4要求的各温度场临界值,完成了从光学指标到热控指标的转换,避免了热控设计的过设计或设计不足,可以在设计方案阶段作为遥感器结构的热适应性设计的参考,同时为制定合理的热控设计指标提供数据依据。

空间遥感器支撑桁架的模态计算与试验

为保证空间遥感器成功发射,采用有限元法计算了主要承受动力学载荷支撑桁架的模态特性,用锤击法对支撑桁架实物进行了模态测试。对计算结果与试验结果的模态频率进行了对比,用视觉比较、模态置信准则等方法进行了模态振型相关性分析。结果表明,桁架结构的一阶频率为154 Hz,满足了一阶频率>140 Hz的设计要求;桁架结构的有限元模型平均频率计算误差<10%,局部存在与试验结果相关性<0.5的振型,需要进一步的修正,才能满足后续工程的应用要求。

空间反射镜轻量化结构的拓扑优化设计

为满足较高面形要求,实现空间反射镜的高度轻量化设计,在直径500mm圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法。依据变密度法建立SIMP模型,在反射镜光轴方向重力的工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标,经过迭代,得到了RMS值小于5nm,轻量化率达到75.83%的结构。在同等质量下,传统的三角形孔轻量化结构的RMS值为8.17nm,轻量化率为67.39%。并对优化后的结构与三角形轻量化结构在径向重力工况下进行了面形对比,计算结果满足设计要求。拓扑优化的轻量化方式在面形和轻量化率上都优于传统形式。

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。

空间长条形反射镜背部三支撑点的设置

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10(λ=632.5nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。

TDI-CCD总剂量辐射效应及测试

为评估空间辐射效应对应用于某空间相机的TDI-CCD的成像性能的影响,从器件的电路结构入手,分析了总剂量辐射效应对器件主要性能指标的影响。针对此器件的总剂量辐照测试方法研制了测试装置。用60Co对器件进行了γ射线总剂量辐照实验,定量测试了受辐照前后器件的光电响应性能及对比度传递函数的变化情况。实验结果表明,总辐照剂量达到20krad(Si)时,定制TDI-CCD的相对响应度、暗电流、动态范围、最大信噪比相对于该器件没受辐照的初始值变化量均小于5%,对比度传递函数(CTF)没有明显变化,说明定制TDI-CCD器件能够满足某空间相机的使用要求。