空间相机温度-离焦特性分析与试验

为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量,本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型,以此模型为基础,对系统的温度-离焦特性进行研究,得到了相机温度调焦曲线,并开展了热光学试验。首先,分析了温度变化对光学系统的影响,特别是对最佳像面位置的影响,得到了相机离焦量与光学元件参数的关系;介绍了光机热集成分析的一般方法,即将热分析的温度场,经过映射,作为结构分析的边界条件,然后进行结构有限元的热弹性分析,通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合,得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵;在此基础上得到了相机温度调焦曲线;最后,开展了相机热光学试验。试验结果表明,基于集成分析结果的温度调焦,空间相机在20℃±8℃内的最大误差小于0.1mm,基本满足相机在轨自动调焦的要求,并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。     

大口径机械快门驱动曲线优化及激振力抑制

巡天相机大口径机械快门旋转产生的微振动是巡天相机的主要扰动源之一.微振动将降低空间光学望远镜的成像分辨率,而快门受到空间和质量的限制无法采取静动平衡抑制措施;快门运行频率非常低,仅为0.77 Hz,传统的被动隔振方法不能兼顾其隔振效果和支撑刚度.本文使用对开式快门结构形式来对消两转轴平面内的激振力,使两转轴平面法向的激...     

飞轮扰动下大口径长焦距光学成像系统的视轴误差的分析与试验

为了分析飞轮产生的微振动对高分辨率卫星成像质量的影响,建立了某高分辨率卫星的结构动力学模型,测量飞轮在轨工作时产生的微振动,并基于整星层次计算卫星在飞轮扰动下视轴误差。计算结果表明该高分辨率卫星光学成像系统的视轴误差的关键模态为第8与9阶模态,主镜与次镜对视轴误差贡献最大,可以优化主镜与次镜相关结构参数提高光学卫星的成像质量。为验证整星结构设计与微振动分析优化的准确性与合理性,针对整星初样开展地面微振动试验,该卫星在轨姿控系统为偏置动量轮设计,通过星上Z/Y轴动量轮模拟在轨实际工作转速,分别在卫星悬吊状态以及固支状态下测量了卫星颤振情况。分析与试验结果表明:整星微振动时角位移的仿真计算结果与试验结果相比,其相对误差α为11.13%,绝对值为0.009 94″,小于0.01″,初步认为在轨遥感图像质量不会受微振动影响而退化,并为光学遥感卫星的微振动设计提供了参考。     

基于BP神经网络的空间相机的热光学分析

空间相机在轨工作时所处的热环境与地面状态差异很大,温度场的变化会给系统带来较大的热光学误差,影响成像质量.热光学分析是空间相机研制工程中的重要环节,是涉及传热、材料、机械、光学等学科的多学科问题.空间相机精密度高、结构复杂,包含很多非线性因素,增大了热光学分析的难度.利用成熟的BP神经网络建立相机温度分布与光学成像质量状况之间的网络模型,利用热光学试验获得的数据样本进行训练,并对其他样本进行预测,结果较好.     

用于光学遥感器耐受卫星平台微振动环境地面测试的六自由度平台

考虑空间卫星平台微振动环境对高分辨率空间光学遥感器成像质量的制约,提出了在地面测试光学遥感器耐受空间微振动环境裕度的六自由度激振平台的设计方案。建立了平台的运动学与动力学模型,推导出促动器音圈电机的传递函数并建立了Simulink模型。基于设计的模型研制了六自由度平台。对振动平台样机进行了振动加速度控制精度的验证实验,实验以典型的卫星平台微振动频率点为测试输入。实验结果表明平台振动频率为7~40 Hz时,其加速度输出相对误差可控制在7%以内。该平台借鉴了Stewart平台的并联构型,其结构简单、刚度大,振源输出精确可控,满足地面试验应用要求。     

在轨光学相机探测图像数字仿真系统设计与实现

根据在轨光学相机测量原理与工作环境,建立了空间目标相对运动学与反射光学特征模型、相机成像模型以及背景恒星成像模型;分析了相机测量噪声及相机探测灵敏度并在仿真中考虑了对干扰因素成像质量的影响,完成了现有星表中背景恒星的视星等根据相机的探测波段范围进行了仪器星等的等效计算,以提高仿真图像的逼真度;根据相机工作原理设计了仿真流程,应用Visual C++与Open GL技术完成了仿真软件的实现。     

胶片摄影空间相机动态成像质量评价

对以胶片为图像载体的可见光高分辨率空间相机来说,除光学系统本身的像质和胶片分辨力对相机的最终成像质量产生影响外,相机的像移补偿机构、像移速度控制系统、最佳成像焦面位置的确定等都对相机的最终成像质量产生影响,通过对胶片式可见光高分辨力空间相机整机系统的成像理论进行分析探讨,采用光学传递函数的方法进行相机整机系统的像质评价及像面位置的准确标定。详细给出了空间相机的实验室检测和在轨摄影的动态摄影传递函数及数据分析结果,通过理论值与此方法分析出的传递函数值作对比,证明了胶片摄影刀口阴影经付立叶变换等方法处理所得MTF的方法可以用来评价空间相机的动态成像质量,对用实验室实测的相机动态MTF结果来预估相机在轨动态MTF及在轨摄影分辨力方面做出了有益的尝试。     

金属橡胶减振器在同轴两反空间相机中的应用

为了减少振动对同轴两反空间相机的影响,研究了金属橡胶减振结构及同轴两反空间相机的随机振动响应.分析金属橡胶结构的力学模型,研制出串联金属橡胶减振结构,建立空间相机的有限元模型并进行模态分析和随机振动响应分析;最后,通过正弦扫频试验和随机振动试验验证有限元分析的准确性.试验结果表明,装配有金属橡胶减振器的同轴两反空间相机...     

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。     

空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题.推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值.计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大.利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时(对应离焦量0.05 mm),就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围At,完成了从光学指标到温度指标的转换.利用离焦公式,得出了相机的调焦范围.最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围.     

飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星光轴的影响

为了研究高分辨率光学卫星星上飞轮的微振动对卫星成像质量的影响,分别建立了飞轮扰动模型和整星结构动力学模型。首先,对飞轮组件系统进行了地面扰动测试,对实测扰动数据的分析表明,飞轮组件在与转速相关的一阶频率50Hz处产生一次谐波,在190Hz与280Hz左右存在与转速无关的一系列峰值。然后,对整星进行了单位正弦激励,获得了光轴角位移响应,并对其与飞轮实测扰动数据进行了集成分析。分析结果表明:整星在50~80 Hz和230~280Hz的角位移响应有较多的谐振响应频率成分,沿光轴方向和垂直光轴方向整星光轴的角位移最大谐振响应幅值分别为2.718″、2.739″,在245Hz左右存在较多幅值为0.5″量级的谐波。分析显示飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星成像质量影响较大,得到的结果可为整星系统的优化设计和隔振补偿措施提供参考依据。     

空间硬X射线调制望远镜(HXMT)结构动力学分析

针对空间硬X射线调制望远镜的载荷条件 ,基于有限元分析软件ANSYS ,建立了望远镜机械结构的有限元实体模型 ,并进行了相应的分析 ,计算了望远镜的固有频率、模态 ,并计算了望远镜过载条件下的应力和应变 ,为进一步对HXMT结构的力学分析和结构设计奠定了基础。     

次镜支撑结构的力学性能分析

次镜支撑结构性能的好坏直接影响光学系统的成像质量。针对几种典型的支撑结构,利用I-DEAD软件建立有限元模型,进行动力学分析计算。在比较典型结构的基础上,改进得到了2种新型偏置结构,即三翼偏置支撑结构和新型的四翼偏置支撑结构。通过分析表明,在同等条件下,2种新型结构能更大程度地减小遮拦比,提高光学系统质量;或是说,在遮拦比一致以及偏置距离相同的条件下,2种新型支撑结构的一阶谐振频率均大于传统的四翼偏置支撑结构,稳定性能更好,更适用于大口径的光学系统。     

基于空间相移技术的平面干涉仪系统设计

时域相移技术由于需要在时域采集多幅干涉图而只擅长用于静态检测。为改善测量的动态特性,现提出了基于空间相移技术的平面干涉仪系统。采用基于偏振干涉和光栅分光的单CCD成像空间相移系统设计方案,设计了具有折叠式布局特点的干涉仪光路系统,建立了系统机械结构三维模型,结构紧凑、调整方便,并运用四步相移算法进行了模拟试验后数据处理。结果表明,所设计系统能够满足动态测量要求。     

星载波导裂缝天线的动态响应特性研究

动态响应分析是星载结构力学响应分析的重要组成部分。以星载波导裂缝天线为研究对象,采用通用大型有限元分析软件ABAQUS,建立了天线的力学仿真模型,进行了模态分析,得到了结构的固有频率及振型。采用LMS Test.Lab软件进行了模态试验,实测天线结构的固有频率和振型,并与有限元仿真结果进行了比较,验证了计算模型的准确性。基于模态仿真与试验结果,对天线结构进行了随机振动分析,得到了相应的结构强度、刚度响应和安全裕度数据。结果表明,力学仿真模型准确,该天线的结构设计满足星载环境设计要求。该仿真分析及模态测试对天线的结构设计有着重要的意义。     

光电跟踪系统Φ1000mm主镜的装调

1 000mm口径主镜的光机装调质量直接影响望远镜光学系统的成像效果。为了改善大口径光电跟踪系统的成像质量,本文对主镜的装调技术进行了研究。首先,对影响主镜面形精度的误差进行分配;其次,结合具体的主镜支撑结构的形式,采用典型装调方法对800mm口径主镜进行详细的装调研究,实时测得主镜的面形精度;最后,综合分析产生装调误差的来源,提出了一种加工、检测、装调一体化的高精度装调方法。该方法使得1 000mm主镜在装调后的面形精度波像差RMS值达到了λ/40,在提高装调质量的情况下显著提高了装调效率。     

基于商用现货的高分辨卫星微振动抑制系统设计

提出了通过合理选取和改进商用现货（COTS）的振动参数对振动部件安装位置进行优化的方法,以解决带有高分辨率光学载荷的小卫星微振动抑制问题。与其他隔振系统设计方法不同,所提方法不需对振动机理建模,而是直接通过振动部件微振动特性分析,选取合适的COTS隔振产品并对参数进行微调;利用Newmark法对蜂窝夹层结构进行动力学响应分析,得到了振动部件的合理安装位置,取得了较好的隔振效果。仿真、振动实验和飞行数据表明,振动部件在敏感频段的微振动抑制率达到90%,整星地面测量微振动引起的次镜角位移不超过0.04″,卫星在轨微振动环境能够满足相机使用要求。所提出的微振动抑制系统设计方法为后续工程实践提供了参考。     

基于Inventor的光机底座的优化设计

使用Inventor软件建立光机底座三维实体模型,并利用有限元分析模块对零件进行了模态分析得到光机底座的各阶振型和固有频率。通过分析得到的固有频率与设备所受激振频率接近,通过优化底座设计,改变了零件的固有频率。     

基于模态叠加法的声固耦合噪声仿真与实验

在ANSYS中建立了长方体箱体的有限元模型,并计算结构模态。将有限元模型和结构模态导入Virtual Lab,计算空腔声模态,用模态叠加法计算耦合声场对激励的响应,得到了声压级分布云图和场点频率响应曲线。设计了长方体箱体的振动噪声实验,将声卡采集得到的噪声信号在Matlab中进行傅立叶分解,得到声场内一点对激振频率的响应曲线。仿真数据与实验数据有较好的一致性。