“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。

星敏感器反射式遮光罩设计

星敏感器主要用于探测深黑空间中的恒星,属于微弱信号的检测,视场外的太阳光和地气光是主要的杂散光源。反射式遮光罩表面以镜面反射为主,遵循反射定律,光线易于控制,因此能够通过合理的结构设计使大部分以抑制角入射的杂光返回入射空间,而且与传统遮光罩相比,加工较为容易。详细讨论了反射式遮光罩设计的基本方法,推导了一种改进型反射式遮光罩的设计公式,最后结合某星敏感器进行了仿真验证。结果表明:该遮光罩具有较佳的杂散光抑制能力/体积比,工程可实施性强,能实现观测五等星的目标。

长焦红外光学系统焦距的高精度测量技术

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性,提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路,利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性,结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能,实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520mm的航空长焦红外光学系统进行测试,并结合测试设备的测量精度进行误差分析,5次测量的标准偏差为0.930mm,测量误差小于0.2%,满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。

基于表观拉压模量与剪切模量差异的空间反射镜支撑

随着航天遥感技术的发展,航天相机分辨率越来越高,空间反射镜的口径也越来越大。基于"钛合金+微晶玻璃"材料体系的托框支撑空间反射镜组件结构,当反射镜口径增大到超过500mm时,由于钛合金与微晶玻璃的线膨胀系数差异较大,温度变化时,由于膨胀变形不匹配所导致的反射镜面形恶化变得不可忽视。在反射镜组件中,钛合金镜框与微晶玻璃反射镜之间的连接是通过胶斑实现的,而胶斑的表观剪切模量仅为表观拉压模量的1/30左右。文章通过空间布局,利用胶斑的表观拉压模量进行反射镜的支撑,利用胶斑的表观剪切模量进行膨胀失配的卸载,解决了托框支撑反射镜组件在口径500mm^1 000mm范围内温度变化对面形的影响问题,扩展了托框支撑反射镜组件的应用口径范围。

结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统设计

多谱段、大相对口径、大视场红外光学系统具有探测精度高、噪声低、能够以凝视方式获取大场景红外图像等优点,因此成为光学系统设计的一个重要研究方向。文中介绍了此类系统的一般设计思路,提出了一种结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统的设计方法,该方法能够大幅度提高系统的设计效率。给出了一个设计实例,其焦距值为90 mm,F数为3.0,视场角为20°×20°,能够在中波红外和长波红外两个波段清晰成像,并且在各个视场下的MTF都能够达到或者接近衍射极限,该设计实例验证了该方法的有效性和可行性。

定标漫反射板实验室系统级BRDF测量方法

星上定标系统是卫星遥感器的重要组成部分,用于实现仪器的星上辐射定标等功能。介绍了安装在某一时间调制型傅里叶变换光谱仪上的星上定标系统,该星上定标系统采用漫反射板太阳辐射定标方法进行仪器在轨全口径、全光路、全视场的星上辐射定标。定标漫反射板在光谱仪光路最前端反射太阳光,通过已知的大气外太阳照度和漫反射板的双向反射分布函数BRDF确立辐亮度标准。定标漫反射板的BRDF需要在实验室进行精确测量。介绍了在光谱仪整机状态下使用太阳模拟器和标准漫反射板进行定标漫反射板实验室系统级BRDF测量的方法,对使用定标漫反射板系统级BRDF进行星上辐射定标时的绝对辐射定标精度进行了分析,绝对辐射定标精度能够满足≤5%的指标要求。

多谱段滤光片平面波透射波前仿真测试方法

采用滤光片进行带通滤光是航天遥感相机实现多谱段成像的主要手段。滤光片一般使用平板玻璃作为基体,在平板玻璃两个通光表面镀带通的光学膜层,实现滤光的作用。所以对于滤光片而言,可以使用平面波透射波前评价其成像性能。干涉仪使用的测量光为单波长,无法实现全谱段覆盖。随着滤光片使用谱段数量的不断增加,干涉仪激光波长将不在滤光片的带通范围内,导致无法对其透射波前进行测试。为了解决滤光片带通谱段不包含干涉仪使用波长下的透射波前评价难题,提出了一种解决方案,使用单谱段干涉仪,结合滤光片镀膜前的前、后表面面形和透射波前、镀膜后的前后表面面形数据,研发了一种平面波透射波前的计算算法,得到仿真的镀膜后滤光片的透射波前数据,并以此来评价滤光片的成像性能。给出了透射波前仿真算法的详细理论推导。试验数据表明,在使用632.8 nm干涉仪波长下,滤光片镀膜后透射波前RMS的仿真精度小于0.004λ。该方法能够扩展应用在红外滤光片的测试中,实验使用3.39μm的干涉仪测试,得到仿真误差约为0.002λ,均能实现较高精度。且在满足测试精度的前提下,有效降低了测试成本。

轴对称二次非球面镜面几何参数的算法

在现代的空间光学遥感器中,越来越多地使用二次非球面光学元件代替以往的球面光学元件,消除球面镜不能消除的像差。二次非球面的几何参数包括其顶点曲率半径和非球面系数,它们对相机的性能有着重要的影响。三座标仪的使用使得二次非球面几何参数的测量变得方便快捷。在三坐标测量数据基础上,给出了一种新型的二次非球面几何参数计算方法,通过采集座标点、寻找旋转轴、计算法线像差等步骤求解出顶点曲率半径和非球面系数。通过仿真分析和实验验证,顶点曲率半径的计算精度可达0.01%,非球面系数的精度可达0.0002。

超窄带滤光片光谱特性测试与修正

超窄带滤光片在闪电探测等领域有重要应用,其带通区域中心波长的准确性、光谱带宽和带外抑制等光谱特性对闪电探测仪的成像性能具有决定性影响,通过测试准确获得超窄带滤光片的光谱特性是闪电探测仪研制过程质量(quality)控制的重要环节。文章分析了使用分光光度计测试超窄带滤光片光谱特性时存在的问题,提出了一种基于平行光路的超窄带滤光片光谱特性检测方法,并对该检测方法中所采用的测试装置进行了介绍,通过仿真试验分析了测试装置以不同带宽进行测试对测试精度的影响,进一步提出了基于逆滤波原理的测试数据修正方法,解决了常规测试方法应用于超窄带滤光片光谱特性测试时存在的信噪比低、角漂误差大、波长定位精度低和带宽修正困难等问题。

真空低温环境下的辐照度标准装置研制

文章介绍了真空低温环境下辐照度标准装置的研制情况,包括装置的工作原理、组成及达到的技术指标,分析了装置的不确定度,给出了装置的应用结果,对一台绝对辐射计在真空低温环境下和大气环境下校准的修正系数和灵敏度进行了比较。

大口径空间反射镜的重力卸载优化方法

针对某Φ1550 mm口径高轻量化反射镜在轨面形误差RMS优于1/50λ(λ=632.8 nm)的高精度要求,为模拟在轨失重状态,降低反射镜光轴水平状态面形检测时重力的影响,对反射镜进行了多点主动支撑式重力卸载参数优化。首先,在反射镜分区的基础上,提出了卸载力大小、支撑点数量及轴向初始位置的确定原则;随后,建立反射镜的有限元模型,以重力与卸载力共同作用下主镜面形RMS优于0.002λ为目标,以卸载力轴向位置为参数进行仿真优化,通过对参数的影响规律分析总结出快速优化要点,实现优化过程的简化;最终使重力引起的面形误差RMS值减小至0.00145λ。将优化后参数应用于反射镜光轴水平状态的面形检测中,测得绕轴0°、120°、240°时面形RMS分别为0.0157λ、0.0161λ及0.0159λ,且面形分布较为一致,说明经卸载后重力对面形的影响被有效消除。所提出的重力卸载优化方法灵活高效,为实现大口径反射镜的高精度光学加工及在轨使用提供保障。

利用激光跟踪仪测量大口径非球面几何参数

在利用无像差点或补偿器测量非球面反射镜顶点曲率半径和二次非球面系数的方法中,一般采用测量杆来测量干涉仪会聚点到辅助镜或补偿器的距离以及辅助镜或补偿器到非球面顶点的距离。对于大口径非球面反射镜,由于顶点曲率半径长,辅助镜或补偿器到非球面顶点的距离达到几米的量级。为了提高测试精度,文章对offner补偿器面形测试光路中利用激光跟踪仪测量大口径非球面反射镜顶点曲率半径和二次非球面系数的方法进行了研究,介绍了该方法的测量原理、测量模型的建立、轴对称非球面反射镜顶点坐标的拟合算法及其它数据处理方法,并对顶点曲率半径4m量级、直径1.5m的轴对称非球面反射镜进行了测试实验,给出了测试结果和测试误差分析,顶点曲率半径的测试误差为±0.051mm,二次非球面系数测试误差为±0.000 11。结果表明,利用激光跟踪仪测量大口径非球面反射镜几何参数具有在工程上容易实现并可提高测试精度等优点。

一种去除拼接干涉图中累积误差的简单方法

用子孔径拼接干涉法来检测大口径光学元件和光学系统是一种成本较低的有效手段。但是随着子孔径数目的增加,拼接得到的面形图中存在着很大的累积误差严重影响了拼接的精度,因此如何简单快速地去除累积误差成为子孔径拼接干涉检测法研究的主要问题之一。文中介绍了一种简单且快速的方法去除拼接中的累积误差。并且对一个大小为180 mm×80 mm的平面镜进行了6个子孔径拼接检测实验。在实验中,文中提出的方法很好的去除了拼接中的累积误差。

星敏感器遮光罩的优化设计

星敏感器主要针对空间弱小运动目标成像,背景杂散光严重影响星像点获取的准确性。因此,遮光罩设计是星敏感器的关键技术之一。给出了星敏感器遮光罩设计的基本原则,并推导了两节型遮光罩最优长度设计的公式,简要分析了遮光罩长度、张口直径和张角的关系,并结合某星敏感器进行了仿真验证。结果表明,与桶形结构相比,新的设计结构紧凑,对视场外强光的抑制能力大大增强,能实现观测六等星的目标。

高分辨率轻型相机技术在敏捷卫星中的应用

高分辨率轻型相机突破了高分辨率、轻小型、高稳定光机设计技术,与整星嵌入式安装,保证了整星的敏捷机动能力,进而提升了有效信息获取能力;相机与卫星平台力学、热控以及时空基准一体化设计,保证了相机基准与整星基准的稳定性,相机光轴与星敏夹角稳定性优于1″;采用星地一体化手段,保证了遥感图像最终辐射质量.本技术已应用于高景一号敏捷成像星座,填补了我国"敏捷卫星相机"的空白.

基于图像频谱的定焦分析

相机焦面定位精度决定了相机的成像质量,对其测试方法须作专门研究。介绍了一种基于图像频谱的定焦测试方法,最少仅利用同一目标的两个离焦图像,即可推算出相机成像面的离焦量。算法基于相机对任意目标所拍摄的离焦图像,并且在相机镜头装调质量达到设计要求的情况下,对成像目标无要求。利用两幅图像的相似性,通过数值分析的手段,避免了对图像频谱的直接分解,具有所得结果有可靠、稳定、精度高、易操作的特点。

末组补偿变焦镜头设计

阐述了一种新型的末组补偿变焦镜头的设计方法。以最小偏折角为目标函数优化薄透镜系统，推导了便于编程的像差系数的矩阵形式，构建了基于点列弥散圆的目标函数对各薄透镜P，w参数进行优化，编写宏语言实现了薄透镜的实例化，最终得到变焦镜头的初始结构。充分结合了传统Pw法获得有潜力初始结构的能力和现代优化算法强大高效的优点。依据给出的方法，得到了一个焦距为5～50mm，F数为1．6，且具有优良成像质量的10倍末组补偿连续变焦镜头，证明了所述方法的优越性和实用性。