基于微型空间相机的红外加热笼仿真与设计

在航天器热控技术领域,常采用红外加热笼模拟各表面的到达外热流,但随着模拟表面特征尺寸的逐渐变小,需要重新评估该模拟方法的合理性和准确性。本文基于某微型空间相机,以对外热流最为敏感的散热面为研究对象,开展红外加热笼仿真分析与优化设计的研究。采用有限元法建立红外加热笼-黑片热流计的系统仿真模型,分析了传统红外加热笼控制方法对模拟表面总到达能量和热流密度均匀性的影响。基于上述结果,通过适当扩大加热笼尺寸和调整热流计粘贴位置,提高模拟表面的热流密度均匀性,保证总到达能量满足保守设计原则。对比分析得出,优化设计前后散热面热流密度的统计方差由102.0下降至27.0、均匀性提升效果显著。本文研究内容也可为其他空间微小表面外热流的准确模拟提供参考、借鉴。

空间机械制冷机环境与可靠性试验方法研究

从空间机械制冷机的失效机理出发,在现有环境与可靠性试验标准规范的基础上,针对空间制冷机可靠性要求高、研制周期紧、成本压力大的特点,对常规试验方案进行了改进与完善,提出了覆盖制冷机研制全过程的试验流程与试验项目,最后针对改进后的试验方案进行了初步的应用分析,结果显示该试验方案能有效缩短试验时间,剔除早期失效,并评估制冷机的寿命与可靠性。

一种空间用大口径扫描装置锁紧机构设计

由于红外探测器尺寸限制,大多数光学遥感器仍采用扫描装置来扩大探测视场,随着相机口径及探测视场的增大,扫描装置中扫描镜口径越来越大,对扫描镜支撑元件的承载能力要求也随之提高。文章为了确保某项目扫描装置中的扫描镜支撑元件不被过载破坏,根据扫描镜口径及过载条件,提出一种高承载能力、高刚度、可重复使用,且能够满足支撑元件过载受力要求的锁紧机构;阐述了锁紧机构的组成和工作原理,针对过载要求分析了锁紧机构核心部组件的承载能力及锁紧力,并根据过载条件进行了力学仿真分析;最后开展了振动试验,结果表明该锁紧机构可对扫描装置中扫描镜支撑元件安全锁紧。

校园水源地鸟兽多样性及活动节律

水的供给影响动物的多样性和行为,但在城市绿地规划中较少考虑水源对动物的影响。为了解城市绿地中水源对动物多样性和活动的影响,本研究于2018年2月至2019年8月,在大理大学古城校区非建筑区水源附近、建筑区水源附近和无水源的非建筑区区域分别安装2台、2台和3台触发式红外相机进行监测并分析物种多样性、雨旱季间活动节律和物种间活动节律的异同。结果:1)本次共调查到58种鸟类,6种哺乳动物,建筑区和非建筑区水源区域的拍摄率和鸟类多样性均高于非水源区;在非建筑区水源地和非水源地的兽类多样性均高于建筑区水源区。2)相对丰富度较高的6种鸟兽有北树鼩(Tupaia belangeri)、赤腹松鼠(Callosciurus erythraeus)、黄臀鹎(Pycnonotus xanthorrhous)、白喉红臀鹎(Pycnonotus aurigaster)、白颊噪鹛(Garrulax sannio)、黑胸鸫(Turdus dissimilis),核密度估计分析显示所有物种旱季的活动高峰都早于雨季,其中北树鼩的日活动节律在雨季和旱季没有显著差异,其它的动物类群雨旱季日活动节律均呈现显著差异。3)北树鼩、赤腹松鼠、白颊噪鹛两两之间日活动节律差异不显著,其它各个物种之间日活动节律呈现中等及以上程度的重叠,日活动节律差异显著;人类和6种鸟兽的日活动节律重叠程度较低且活动节律差异显著。本研究证明动物对水源的利用受需求和其他物种及人类干扰的影响,建议在今后的校园等绿地设计和管理中将动物对水资源的利用纳入考虑。

空间红外遥感相机制冷机微振动对MTF影响分析

空间红外遥感相机内部活动部件微振动载荷会引起相机光学元件产生刚体位移和面形变化,从而影响相机的在轨光学成像品质。文章基于某空间红外遥感相机内部扰振源的测试结果,建立了适用于微振动分析的相机精细有限元模型,经分析计算,确定了基于Zernike多项式曲面拟合和调制传递函数(MTF)分析的方法和流程;最后结合某空间红外遥感相机进行MTF影响分析,结果显示制冷机微振动对该相机MTF影响在工程可接受的范围内。

空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法。利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4,D/f=1/4的反射式离轴光学系统。使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10 m以内,满足空间照相机的需要。该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质。

深空背景下运动点目标探测距离模型研究

红外相机探测运动点目标时,探测能力主要指标为探测距离,而影响探测距离的因素很多,如光学系统工作温度、红外探测器像元尺寸、目标特性等。文章从红外相机点源目标探测基本理论出发,建立了运动点目标红外相机探测距离估算模型,分析了影响探测距离的各相关因素,为深空背景下运动点目标红外相机的指标设计提供理论参考。

国外空间红外遥感器模拟前端处理技术发展研究

文章对空间红外遥感器模拟前端处理技术进行调研研究,首先对美国、欧洲的红外遥感器模拟前端处理技术的电路结构、性能指标和关键电路设计方法进行了介绍;然后对红外遥感器模拟前端处理技术的低噪声、低功耗、深低温工作的技术特点进行了分析,最后给出中国空间红外遥感器模拟前端处理技术发展建议。期望通过对美国、欧洲红外遥感器模拟前端处理技术研究和分析,为中国空间红外遥感器模拟前端处理技术发展提供参考。

红外笼模拟外热流方法对空间相机温度的影响分析

空间相机的热平衡试验中,一般采用红外笼—热流计的闭环控制系统来模拟相机进光口处的外热流。为研究该种热流模拟方法对相机温度场的影响,建立了简化的模型进行分析。分析结果表明,红外热流模拟对相机温度场的影响体现在相机整体温度水平和光学件温度均匀性两个方面。对于有精密控温要求的空间相机来说,这一影响产生的误差是必须考虑的。

基于高导热碳纤维的HgCdTe大面阵探测器热适配结构在空间红外遥感相机中的应用

Hg Cd Te面阵探测器是空间红外遥感相机的关键部件,随着性能需求的不断提高,器件的规模尺寸不断扩大。Hg Cd Te面阵探测器在常温下与承载板进行装配,但在深冷状态下工作,需要耐受200 K左右的温度波动。由于探测器与承载板的线膨胀系数不匹配,温度波动会引起探测器翘曲变形,变形严重时,将导致探测器损伤。提出基于高导热碳纤维的Hg Cd Te大面阵探测器热适配结构,以碳纤维的轴向高热导率降低结构热阻,以碳纤维的极小抗弯截面模量实现热适配结构两端面间的刚度解耦。相对于探测器与承载板直粘,引入基于高导热碳纤维的热适配结构后,探测器与承载板间的热阻仅增加了约1%,而探测器热失配翘曲变形衰减了99.9%,解决了大面阵探测器与承载板间的热失配翘曲变形损伤问题。并对基于碳纤维的热适配结构制备工艺方案进行了简单介绍。

空间红外相机标定机构的设计与随机振动分析

为了实现空间相机红外探测器的标定功能,设计了一套具有锁定机构的运动部件,驱动标准黑体完成标定和非标定两种状态的转换。针对航天器发射和在轨过程中特殊的力学环境,提出了永磁锁定-力矩器驱动技术,并把这种技术应用在空间红外相机标定机构的设计中。在发射过程中使用永久磁铁吸引运动部件,限制运动部件的转动自由度;在标定过程中,使用电磁力矩器驱动运动部件实现解锁和标定。采用模态缩减的方法对机构进行随机振动分析,标定机构的一阶谐振频率为209.4 Hz,大于100 Hz的设计要求。随机振动验证了以上设计与分析的一致性,振动试验后标定机构工作正常。这种锁定和驱动技术在航天遥感领域具有一定的应用价值。

空间相机上第二代红外探测器驱动电压供电电路设计

文章以空间相机应用为目的,在分析第二代红外探测器驱动电压与输出信号之间相关性的基础上,以某型号第二代红外探测器驱动电压供电电路设计为例,采用高稳定基准电压芯片和低噪声低频运算放大器作为核心器件,提出了以负反馈或电压跟随的电路形式稳定驱动电压供电的方案,并对该方案进行了仿真分析与实验验证。测试结果证实该方案可行有效,能满足该款探测器对驱动电压的要求,有一定的工程应用价值。

CCD光斑质心算法的误差分析

文章建立了CCD噪声和像元尺寸对质心算法影响的误差模型。模型表明,当CCD上光斑的束腰ω<0.1个像元时,质心算法的误差大于0.28个像元;当束腰ω>0.5个像元时,像元尺寸对灰度质心算法的影响可忽略不计,影响质心算法的主要因素是CCD随机噪声误差。在ω>0.5个像元的前提下,光斑尺寸越小,质心算法的精度越高。实验与理论分析结果一致,证明了该误差模型的正确性。

中波红外面阵遥感相机相对辐射定标方法研究

为了促进中波红外面阵遥感相机遥感数据的应用,提出了一种在轨相对辐射定标方法。该方法根据两点定标原理,以中波红外面阵遥感图像数据为基础,利用在轨其他卫星数据获得相机入瞳处辐亮度,计算出非均匀性系数,从而实现在轨相对辐射定标。它为同类红外面阵遥感相机在轨相对辐射定标提供了一种新的思路,同时也可作为星上黑体标的一种校验手段。

像素级数字化轻小型高灵敏度红外相机研究

空间红外相机温度灵敏度越高,就能获取所观测地物更多温差细节信息,高灵敏度空间红外相机在对城市、海洋等目标的观测中有着重要的应用。本文介绍一种基于像素级数字化积分成像的空间红外相机新体制,基于该体制的红外相机在单个探测单元内实现探测信号的模数转换,大大降低了模拟信号读出过程中而引入的噪声,且通过电荷包计数的方式完成对信号的数字化处理,小量积分电容就可以满足传统体制下的超大积分电容需求,使相机电荷处理能力不受饱和电子数的限制,极大提升低轨空间长波红外相机的信号电荷利用率。并且基于该体制的推扫型TDI(时间延迟累加)相机其TDI级数的增加不会引入更多的读出噪声,使得其在轨可通过更多的TDI级数延长等效积分时间,降低相机灵敏度指标对载荷口径的依赖,达到高灵敏度指标的同时有效控制相机口径,实现整机的轻小型化。已完成基于新体制的长波红外样机研制,噪声等效温差(NETD)实测已优于10mK,远好于目前传统长波红外相机所能达到的20-30mK灵敏度指标,并能通过增加TDI级数有效提升灵敏度,验证了该体制的工程可实现性。像素级数字化红外相机技术将是未来空间轻小型高灵敏度红外技术的重要发展方向。

某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证

某新型对地观测空间相机已随新技术试验星成功发射入轨。相机运行于低轨倾斜圆轨道为非太阳同步轨道,其面临的空间外热流变化非常复杂。为了保证相机在轨稳定工作,光学系统和承力结构需要具有较高的温度稳定性,低温红外探测器需要配备大功率制冷机。复杂的外热流环境和高稳定度的指标要求给热控系统的设计研制带来了极大的挑战。根据任务特点和需求,对热控研制任务展开了分析,提出了借助卫星平台姿态规避,间接辐射控温以及±X侧耦合散热面等热控措施。热平衡试验与在轨飞行实测数据表明,相机光学系统的温度水平保持在(18±2)℃范围内,稳定度优于±0.3℃/轨,满足相机各项温度指标,证明相机热控设计方案合理可行,相机在轨工作条件良好。

一种非接触式红外透镜间距测试方法

透镜间距是折射式红外光学系统装调需要精密控制的重要参数。由于红外材料不透可见光,可见光谱段镜头装调常用的镜间距高精度测试方法无法直接应用,红外镜头在线装调过程中系统透镜间距的高精度检测成为装调难题。文章提出一种利用镜面定位仪、可见光辅助平板玻璃在线非接触检测红外镜头透镜间距的方法,即利用镜面定位仪通过测试辅助平板玻璃与装调过程中相邻两块红外透镜的空间间隔,结合结构尺寸检测红外透镜间距,其测试精度优于0.002mm。在某航天相机的红外中波镜头实际装调中对该方法进行了验证,装调完成后镜头各视场波前均方根误差小于0.075λ(测试波长λ=3.39μm),优于镜间距采用传统接触法测量的装调结果,该方法合理、可行。

采用波前编码降低MWIR成像系统的温度敏感度

波前编码成像由于可以大大扩展非相干成像系统的景深而不降低像质,成为近年来的研究热点。文章首先介绍了波前编码原理,然后基于波前编码原理对现有空间中波红外光学系统进行了优化改进,比较了原光学系统和改进系统在不同温度环境下的点扩散函数(PSF)、调制传递函数(MTF),结果表明,新系统在更大的温度范围内具有稳定的成像性能。

空间红外望远镜(SIRTF)

文章介绍了空间红外望远镜装置SIRTF(SpaceInfraredTelescopeFacility)的用途 ,详细介绍了SIRTF上携带的低温望远镜装置CTA(CryogenicTelescopeAssembly)和 3台成像仪器 :红外阵列相机IRAC(In fraredArrayCamera)、红外光谱仪IRS(InfraredSpectrogram)和多谱段成像分光计MIPS(MultibandImagingPho tometerforSIRTF)。

大型空间红外相机多反光学系统桁架杆框架的设计

针对大型空间红外相机对复杂支撑功能且重量小、刚度高框架的需求,本文设计了一个全部由桁架杆互相支撑形成的框架,并通过结构分析、工艺试验和力学试验验证了框架的可行性和可靠性。该框架由58根碳纤维支撑杆和21个接头组合形成相机的主支撑结构,可支撑多个周向分布的光学组件,且满足框架总质量不超过55kg的要求。介绍了框架的装调和胶接方法和步骤,进行了有限元分析和力学试验,验证了三角形封闭的桁架杆结构在黏接强度降低的情况下,仍能够在相机受力状态下具有足够的安全裕度。力学试验得到框架的一阶谐振频率为90.4 Hz,满足一阶谐振频率不低于60Hz的要求,与有限元分析结果相符。