温度梯度对MOC相机主镜的影响

MOC（Mars Observer Camera)是1992年9月发射的火星探测飞行器的一部分，具有Cassegrain式主光学系统，能够以高分辨率返回火星表面图像。其主镜直径约351．54mm，材料为熔石英。为使主镜刚度高、质量轻，采用“单弧”（Single arch)后表面轮廓设计。设计和加工完成后，对主镜进行的轨道热环境模拟试验表明，在相机成像过程中主镜有较大的径向温度梯度，同时存在较小的轴向和周向温度梯度。最初认为温度梯度的存在将产生不可控制的像差。然而有限元分析表明，这种薄镜反射面的曲率半径（ROC）在径向温度梯度作用下的变化几乎是线性的，而径向温度梯度仅产生曲率半径的变化，不其他影响成像质量的表面变形。主镜热控系统利用了这种影响，能够对曲率半径进行地面控制。在热真空室（模拟轨道环境）内利用干涉测量方法，就径向温度梯度对相机的影响及热控制系统的作用进行了试验，证明了有限元分析的正确性和热控方法的可行性。     

火星车避障相机光学设计

火星车避障相机设计不仅要在优化阶段尽可能减小残余像差,还必须考虑各类约束条件和制造公差。在考虑可制造性约束的情况下,采用4片分离的球面透镜,优化设计了F数15、物方视场角180°的避障相机。为了获得更优的像面照度一致性和成像质量,在初始结构基础上额外引入透镜,增加了系统优化自由度同时降低了像面上的光线入射角度。在光学系统优化时,将光学系统形态参数作为约束条件以推动停滞的优化过程,最终获得了接近衍射分辨极限的成像质量。在此基础上,分析了避障相机光学系统的制造公差。设计结果显示,相机的成像质量能够满足火星车探测和避障需求,其光学结构具有良好的可制造性。     

火星探测环绕段自主光学导航算法研究（特约）

针对火星探测环绕段自主导航需求,结合初始轨道参数及光学导航相机拍摄的火星图像,提出了一种基于火星本体的高精度自主导航方法。该方法首先利用初始轨道参数得到火星在导航相机像平面下的投影图,然后将该投影图与导航相机拍摄的火星图进行匹配融合得到火星的边缘图,后利用该边缘图进行精确椭圆拟合,继而可实现器-火视线距和视线矢量的测量,在算法仿真过程中充分考虑到了工程实现中可能会遇到的图像旋转、平移及尺寸变换问题,仿真结果表明:提出的利用先验信息的图像融合测量算法较单独利用火星图像进行导航测量的方法,精度和可靠度均有较大提升,可满足火星探测环绕段的任务需求。     

火星探测技术综述

本文简要回顾了各国火星探测的历史,介绍了目前我们对火星的形成、演化、地质和地理特性以及气候特征等多方面的认识,并且详细阐述了有关火星的一些未解之谜。对以后火星探测中应该关注的研究方向进行了分析。最后,结合我国的深空探测能力,讨论了我国未来在火星探测方面可做的工作以及应该配置的载荷的特性。对相关载荷的参数作了一定的分析。     

火星次表层探测雷达信号分析与处理

火星是太阳系八大行星之一,探测火星地面以及地表之下的液态水或者固态冰,是对火星探测活动最有意义的一项任务,而低频段雷达具有穿透星体表面的能力,是完成火星探测任务较好的选择。基于任务实际,从火星探测任务的原理出发,分析了火星次表层探测雷达工作方式,对火星次表层探测雷达回波进行仿真分析,基于平台水平和垂直向的误差对成像结果的主副瓣水平的影响,对星上实时处理流程以及算法容许的平台误差进行了计算机仿真,并给出了有用的结论。     

单镜头大视场拼接系统成像分析与控制设计

为了满足远距离目标捕获的需求,提出了一种单镜头大视场拼接成像方法,设计了实验样机对其进行验证,对样机的成像特性进行了分析。介绍了样机的结构设计和相机曝光控制流程,然后根据该成像方法通过控制相机连续圆锥旋转实现大视场成像的特点,分析了样机成像的像移特性及样机结构运动精度对子图像正确拼接的影响,最后设计了在样机运转过程中使相机准确对子视场曝光的控制参数。实验中将样机参数代入分析结果进行了计算,得出了成像的像移大小,并对由相机运动误差导致的子图像拼接偏差进行了校核。计算得出了相机的曝光控制参数,最终获得了拼接正确的大视场图像。通过对实验样机的成像特点进行分析,为该单镜头大视场拼接方法在激光对抗系统中的工程应用奠定了基础。     

月球及火星探测任务中光谱技术研究与应用

光谱仪器获取目标光谱信息或光谱图像,具备物质成分无损识别和定量反演能力,已成为国内外月球和火星探测任务重点配置的科学载荷,为表面物质成分及矿产资源、形成与演化历史及资源利用等研究提供重要依据.本文简要介绍了近年来国内外月球及火星探测任务中光谱技术的研究进展与应用现状,概述了中国探月工程及天问一号探测任务中七台光谱仪器及...     

利用红外转换屏研制短波红外探测器

采用重力沉积技术制备了CaS:Eu2+,Sm3+红外上转换荧光屏,确定了最佳制屏工艺参数,研究了红外转换荧光屏的性能。设计和制作了耦合短波红外CCD 相机,对相机的成像性能进行了试验,结果表明研制的短波红外CCD 相机能够实现对1 064 nm、1 550 nm 等短波红外激光的探测和成像。采用红外转换荧光屏制作红外CCD 相机为短波红外探测器的研制提供了简便、有效的途径。     

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。     

紧凑双光路单像素成像系统（特邀）

不同于使用阵列探测器的常规数码相机,单像素相机使用不具空间分辨能力的单像素探测器对目标进行成像。由于其工作波长覆盖广、灵敏度高,单像素相机在特殊波段和弱光照明等特殊场景中较普通相机更有优势,在遥感探测、显微成像、军事侦察等领域得到广泛应用。提出一种紧凑型单像素成像系统,该系统利用数字微镜阵列的工作特性形成了对称的折叠双光路以快速完成差分测量。紧凑的结构降低了相机系统的体积,使系统可采用标准尼康镜头作为成像透镜。系统具有双光路差分成像、双光路平均降噪、宽谱波段成像、双光路交替采样等多种模式,并且可根据场景对重建图像信噪比、实时帧率、成像波段的不同需求切换应用模式。基于系统样机的实验结果表明其能实现预期的功能、达到相应的性能。紧凑型单像素成像系统的提出是一次较成功的单像素成像工程化尝试,为单像素成像技术后续的实际应用奠定了较好的技术和工程基础。     

火星轨道轻小型高分辨率相机热分析与热设计

火星轨道轻小型高分辨率相机对热控系统的质量和功耗提出了较高要求,该相机热控技术是从全局设计的角度,集质量轻、热性能好的结构材料与先进的温度控制式数据传输为一体,并结合优化的温区分布与多项热控措施,最终达到设计要求。文中围绕此项热控技术展开相机热分析与热设计工作。通过对相机外热流的分析,确定了=70,R=0和=-70,R=0的高温工况,以及=0,R=-30的低温工况。结合相机内热源及接口信息,制定了详细的全局热控方案,通过仿真分析验证了热控方案的正确性。可为我国火星轨道轻小型高分辨率相机热控制系统的研制提供技术支持。     

基于速度矢量模型的圆轨道空间相机偏流角实时补偿

偏流角是影响线阵CCD 相机推扫成像性能的重要因素。为实现在轨有限计算资源环境下偏流角的快速计算,根据圆轨道卫星飞行与地物随地球自转的速度矢量运动关系,建立了适用于圆轨道正视与前后视成像的偏流角模型,给出卫星飞行过程中星下点相对地物的运动速度矢量作角向振动的数学表达式。根据该模型提出基于旋转CCD 方式的偏流实时补偿方案,并搭建偏流校正成像模拟平台进行了实验验证。仿真和实验表明,速度矢量模型具有更高的计算效率,计算精度和稳定性与坐标变换模型和轨道要素模型一致,能够将偏流导致的图像MTF 下降抑制到5%。该方案适用于 TDICCD 相机与三线阵CCD 立体测绘相机的偏流实时调整机构开发工作。     

空间遥感相机大口径变方位反射镜设计

随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。     

背景在椭圆轨道红外监视平台的成像特性分析

掌握背景在椭圆轨道红外监视平台成像特性是开展红外图像数据处理的基础。首先,构建了椭圆轨道红外监视平台的几何投影模型和信号传递模型,给出了红外传感器的成像模型;其次,分析了平台姿态、背景本体相对运动、卫星轨道等因素对背景成像特性的影响,并推导给出了相关数学影响模型;最后,通过仿真试验验证了数学推导模型的正确性,并给出了背景成像特性的综合仿真结果。分析结果表明:椭圆轨道红外监视平台探测图像中,背景呈现出了新特性,对红外图像数据处理提出了新要求。     

基于AOTF的成像光谱技术在深空探测中的应用

首先介绍了欧空局(ESA)火星快车(Mars Express)上装载的火星大气特征研究光谱 仪(Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars, SPICAM)和红外矿物光谱制图 仪(Observatory of Mineralogy, Water, Ice and Activity or IR Mineralogical Mapper, OMEGA)以及美国火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上搭载的紧凑型火星勘测成像光谱仪(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM)的特点指标 及其相关应用。然后介绍了新型分光器件——声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) 的原理及特点,并对拟用于月球探测的基于该分光技术的CE-3红外成像光谱仪和CE-5月球矿物光谱分 析仪进行了简要介绍。最后介绍了其光谱定标、辐射定标以及在宽温度范围内工作时的温度特性分析与校正,为AOTF在 深空探测中的进一步应用提供了技术参考。     

基于EKF的脉冲星导航在转移轨道的应用

为提高深空探测器在转移轨道的自主导航能力,提出了一种基于EKF的X射线脉冲星自主导航定位系统.以X射线探测器获得的脉冲到达时间为量测量,以深空探测器轨道动力学模型为状态方程,利用扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计.以美国火星探路者任务深空转移段为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的可行性与有效性,能够完成深空探测器转移段的自主导航任务.     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.