Development and calibration of the Moon-based EUV camera for Chang'e-3

The process of development and calibration for the first Moon-based ex- treme ultraviolet （EUV） camera to observe Earth＇s plasmasphere is introduced and the design, test and calibration results are presented. The EUV camera is composed of a multilayer film mirror, a thin film filter, a photon-counting imaging detector, a mech- anism that can adjust the direction in two dimensions, a protective cover, an electronic unit and a thermal control unit. The center wavelength of the EUV camera is 30.2 nm with a bandwidth of 4.6nm. The field of view is 14.7° with an angular resolution of 0.08°, and the sensitivity of the camera is 0.11 count s-1 Rayleigh-1. The geomet- ric calibration, the absolute photometric calibration and the relative photometric cal- ibration are carried out under different temperatures before launch to obtain a matrix that can correct geometric distortion and a matrix for relative photometric correction, which are used for in-orbit correction of the images to ensure their accuracy.

空间太阳极紫外(EUV)成像望远镜

太阳极紫外和X射线成像观测是空间天气研究的重要内容,空间太阳极紫外(EUV)成像望远镜是为空间天气研究和预报研制的仪器。介绍了国内外太阳极紫外和X射线成像的发展状况,在此基础上引入19.5nm成像观测的科学目标。阐述了望远镜光学系统和成像相机传感器的设计。前者包括光学结构和基本参数、光学窗口的选择、多层膜设计、光学系统仿真结果;后者包括两种不同成像传感器的对比和选择、控制系统的设计。

月基极紫外相机光机结构设计

为了对地球等离子体层产生的30.4nm辐射进行全方位的长期监视和观测,研制了月基极紫外相机。相机主体采用多层膜单反射镜光学系统以及30.4nm球面光子探测器的结构形式,跟踪机构采用俯仰-方位模式,由步进电机驱动实现对地球的捕获。针对卫星发射、地月变轨、月表着陆过程中的振动冲击以及月表残酷的温度环境,月基极紫外相机的光机结构设计考虑了环境(力学、温度)适应性,有限元分析结果表明,光机结构在整机质量<15kg条件下,一阶谐振频率为49.3Hz;运动机构在-50～+80℃运转自如;在50℃均匀温降载荷作用下反射镜面形精度RMS值为13.44nm(<14nm),满足相机的技术指标要求。

球面微通道板在极紫外波段的量子探测效率

由于球面微通道板(MCP)的量子探测效率与极紫外(EUV)相机的灵敏度有关,本文研究了球面MCP量子探测效率的特点和测量方法。根据微通道板在EUV波段光电子产额的理论模型,计算了球面MCP在该波段下随不同入射角变化的电子产额。使用激光等离子体光源测量球面MCP在EUV波段的量子探测效率,搭建了球面MCP在该波段的量子探测效率的测量装置,测量了球面MCP在不同位置的量子探测效率随波长和入射角的变化曲线。实验结果表明,入射角为15°时的量子探测效率约为入射角为0°时的5倍。

月基极紫外相机反射镜与探测器间支撑结构

为了保证月基极紫外相机在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中的大量级振动冲击、月表超大温差环境以及尽量轻的相机重量条件下,反射镜相对于探测器的位置精度要求,设计并研制了基于CFRP(carbon fiber reinforeed plastic)的反射镜与探测器间的支撑结构,分析并试验验证了支撑结构的稳定性。首先,根据极紫外相机的光学系统,确定了反射镜与探测器间的支撑结构形式;然后,考虑相机重量及反射镜相对探测器的位置精度及稳定性要求,采用CFRP作为支撑结构的结构材料;分析了重力和温度载荷作用下反射镜相对探测器间的角度变化量、反射镜面形;支撑结构的固有频率以及在整机上的正弦振动、随机振动应力响应。试验结果表明:反射镜相对探测器间的角度变化量<20″,验证试验后图像分辨率,满足相机技术指标要求。

月基对地观测极紫外相机光机结构设计

为了实现从月球表面对地球周围等离子体层进行长期观测,给出了一种有效可行的实现方案:采用单球面反射镜与球面探测器组成光学系统,视场角14°,空间角分辨率小于0.1°;采用地平式二维转动机构以实现对成像镜筒组件俯仰、方位的调整,保证对地球的瞄准和跟踪。重点对主反射镜支撑结构和转动机构给出了较为详细的设计。有限元分析和试验表明,光机系统选材合理,焦平面稳定性好,反射镜支撑结构合理,镜面面形在ΔT=50℃温降载荷下≤14nm;二维转动机构动态刚度较高,结构紧凑,整机重量≤16kg,在要求的温度变化范围内运转正常。

基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计

为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料(CFRP)的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明:基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。

月基极紫外相机反射镜组件设计与分析

探月工程有效载荷之一的极紫外相机,可以对地球的整个离子层进行成像观测。该相机光学系统视场角14°,空间角分辨率小于0.1°。其中,超光滑反射镜是成像系统的关键部件,因此重点对反射镜及其支撑结构给出了较为详细的设计,主要考虑要满足探月工程特殊的温度、力学环境条件要求。有限元分析和环境试验结果表明,反射镜组件在-30℃～+50℃温度范围内面形精度(RMS)小于16nm,且具有足够的刚度与强度,满足力学振动条件要求。实验表明,成像分辨率满足任务要求。

基于FPGA的极紫外相机数据处理系统

以XC2V3000为核心处理芯片,AD1671为模数转换芯片,设计极紫外相机的数据处理系统,实现对相机原始科学数据的采集、原始数据校正、原始数据到图像数据的换算、数据缓存等功能。为增加系统对单粒子效应的抵抗力,在有效数据之间插入标识数据,取代控制信号的移位延时,避免长链路移位寄存器的使用,增强系统稳定性。