高分辨率空间相机调焦机构设计与分析

空间遥感相机在轨运行时由于空间环境的变化,会产生不同程度的离焦.针对某高分辨率空间相机光学系统的特点以及焦深,设计了一套蜗轮蜗杆传动驱动偏心凸轮的调焦机构,详细分析了调焦机构的精度,分析结果表明:调焦机构的定位精度为0.0042 mm,焦平面组件的倾斜量为5.31〞,满足光学系统的要求.最后,建立了工程分析模型,并对其进行了模态分析.结果表明:调焦机构的一阶模态为176.56 Hz,高于相机的基频,满足设计要求.因此,所设计的调焦机构能够保证高分辨率空间光学遥感器在复杂工况下的成像质量.     

长焦距航空相机光学系统设计

航空相机是装载在飞机上用以拍摄地表景物来获取地面目标的光学仪器。为满足远距离摄影的要求,需要物镜有较长的焦距,以使远处的物体在像面上有较大的像。因此,设计了长焦距航空相机。设计焦距为550 mm,F数为6,视场2ω=9°的长焦距航空相机光学系统。在对长焦距航空相机的物镜进行设计时,首先,选取双高斯物镜作为初始结构。为了提高系统的像质,可使用ZEMAX对系统进行优化。对优化后的系统进行标准化及公差分析,最后得到符合要求的光学系统。该系统在每毫米80对线空间频率下,MTF大于0.15,具有良好的像质。     

轻小型空间遥感相机精密调焦机构设计与试验

空间遥感相机在发射过程中及其在轨运行时,由于大气压力、温度、力学环境等的变化,导致焦面离焦。为了满足成像质量要求,相机在空间投入使用之前必须对偏离的焦面进行校正。针对轻小型空间相机的使用特性及要求,设计了一套调焦范围3 mm的像面移动式调焦机构,质量仅为3.25 kg。利用蜗杆传动的自锁性,防止焦面组件在外力作用下发生窜动。选用微型精密级直线滚动导轨保证CMOS靶面的直线性精度。同时利用光电编码器（16位）实时反馈靶面的位置信息,以保证其定位精度。对调焦机构进行了理论分析、动力学分析及试验验证、精度测试及分析、焦面标定试验等。试验结果表明:调焦机构的一阶固有频率为182.7 Hz,可以有效地避免共振现象;CMOS靶面的直线性精度优于20,定位精度优于4.2 m,满足调焦精度要求;焦面标定试验验证了调焦机构设计的有效性,满足了空间遥感相机的成像质量要求。     

空间相机多功能调焦偏流控制系统

为了在地面配合检测空间相机最佳焦面位置,协助分析偏流角实时调整对相机图像质量的影响,配合调焦偏流机构的老练实验,提出了一种多功能调焦偏流控制及其液晶显示系统。介绍了系统的构成及工作原理,对系统进行了设计和实验验证。实验结果表明,所设计的系统完全满足空间相机地面检测过程中对调焦偏流的控制要求:可以控制调焦电机以频率33Hz或1kHz运行,调焦机构可调整范围为-2～2mm,闭环控制误差不大于1.2μm;可以控制偏流电机以频率33Hz或666Hz运行,偏流机构可调整范围为-3°～3°,闭环控制误差不大于0.012°。电机运行方向、频率、目标位置可设置,可在液晶屏上显示出系统的状态和参数。     

空间多光谱CCD相机调焦精度分析

调焦精度是保证多光谱CCD相机成像质量的关键技术之一,针对星载对地观测多光谱CCD相机大视场角、宽地面覆盖的离轴三返光学系统结构特点,设计实现了一种高精度调焦系统。首先以CCD多光谱相机感应谱段中最短波长计算出相机调焦需求精度10.00 m,根据多光谱CCD相机的光学系统特点,对比常用的传统航天相机的三种调焦方式,选择CCD焦平面调焦方式;然后提出采用以步进电机为动力源驱动高精度涡轮蜗杆副、齿轮副做旋转运动,通过超精密级滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,以14位绝对式编码器为位置检元件组成高精度调焦系统,经计算,调焦系统的理论灵敏度为0.12 m,该调焦系统具有结构简单紧凑、调焦灵敏度高的优点;最后通过实验测试,在2.2 mm调焦行程内实际调焦精度3.62 m（3）,调焦系统随相机经过力学环境实验、热真空环境实验后的复测调焦精度为3.64 m（3）。测试结果表明:所设计的调焦系统设计合理,结构可靠,调焦精度稳定性高,满足多光谱CCD相机成像清晰对调焦精度的要求。     

双波段航空相机红外调焦机构的设计

为了补偿双波段航空相机在复杂环境下产生的离焦,设计了一套调焦机构。该调焦机构通过采用蜗轮蜗杆和偏心凸轮的传动方式,将凸轮的旋转运动转化为调焦镜的直线运动,解决了离焦问题。该机构具有传动比大、运行平稳,结构紧凑,抗振、抗冲击,可实现自锁以及模块化等优点。通过计算可知,该机构的调焦镜的位移精度为0.0026mm,满足使用要求。仿真分析结果表明,该方法具有可行性。     

长焦面空间相机调焦机构分析与验证

为了补偿空间相机由于地面定标环境和在轨工作环境不同及发射时振动冲击引起的焦面离焦,保证空间相机在轨成像质量,设计了焦面调焦机构。首先,针对尺寸超长焦面,采用增设调焦内框来增加焦面基板刚度,通过蜗轮蜗杆传动驱动丝杠运动实现机构自锁。其次,利用有限元分析软件patran/nastran建立了调焦机构的有限元模型,用mpc模拟导轨连接,对调焦机构进行模态分析。最后,对调焦机构进行了力学试验验证和精度测试。试验及测试结果表明:设计的调焦机构动态刚度高,一阶计算模态为228.7Hz,而试验得到一阶模态为223.9Hz,两者相差2%;调焦灵敏度达0.25m,调焦精度达到6.3m,焦面基板两端同步误差达到4m,满足航天相机对调焦机构高分辨率、高精度、高可靠性的要求。     

基于光电编码器的空间相机调焦控制系统设计

为了确保空间遥感相机的成像质量,设计了采用光电编码器的输出值作为线位移反馈量实现闭环控制的调焦控制系统.从保证航天航空设备安全性、可靠性、高精度、高抗干扰能力出发,介绍了反馈装置的选取原则,阐述了调焦控制系统的构成,给出了调焦控制系统的硬件及软件实现,并对调焦控制系统的精度进行了实验分析.本调焦控制系统在航天相机中的应用试验表明:应用光电编码器的角度量输出值作为反馈量形成闭环控制的调焦控制系统,减少了由于步进电机和机械传动结构本身造成的调焦误差,具有较高的调焦精度,满足总体设计的像平面位置控制精度为±2个光电编码器码值的要求.

Abstract：

In order to insure the imaging quality of space remote-sensing camera, put forward is the focusing control system which adopts the output value of photoelectric encoder as line displacement feedback to realize closed loop control. Based on the ensurence of safety, reliability, high precision and high resistance of the spaceborne equipments, selecting principles of feedback equipment are introduced; the composition of the focusing control system is expounded, and its hardware and software are presented, and the precision of this system is analyzed. This system has been applied in the some spaceborne camera, and the experiment shows that: as it decreases the focusing error caused by the step motor and mechanical transmission structure, this focusing control system owns a high focusing precision and satisfies the designed requirement that the control precision of image plane is 2 code value of photoelectric encoder.     

空间相机连续调焦地面仿真测试系统设计

为使空间相机获得清晰准确的地面目标图像,相机需要依据结构变化对焦面位置进行调整。如果空间相机可以在轨快速对目标景物连续调焦,通过地面下传图像准确判断出最优焦面位置,将会极大提高空间相机的工作质量和效率。为验证连续调焦方法的可行性,提出了一种地面仿真测试方法。采用动态目标发生器和平行光管模拟相机在轨对地面目标成像。应用计算机系统作为目标发生器远程控制、数据处理、信息发送和接收设备,空间相机实时接收飞行器模拟设备发送的命令和工程参数,完成模拟在轨连续调焦。试验结果表明,所设计的系统能够依据图像判断最优焦面位置,满足设计和测试要求。     

星载调焦机构地面专检设备设计

为了保证星载一体化对地观测卫星调焦地面实验的可靠性和有效性,对调焦机构专检设备进行了研究.分析了地面调焦专检设备的设计需求,结合现有成熟技术,设计了调焦机构地面专检设备,实现了调焦地面实验.最后,对该专检设备的控制进行了转动位移测试和转动速度测试.测试结果表明,该专检设备能够满足地面实验要求.     

空间相机共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、轻质量、小外形尺寸、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,利用ZE-MAX求解并优化空间相机共轴三反光学系统的结构参数,设计出了焦距为5 000mm,F数为10的共轴三反射光学系统.设计结果表明:该系统视场角达8°,空间频率为50 lp/mm,调制传递函数值均大于0.4,接近衍射极限,...     

长焦距、大视场、离轴望远系统的光学设计

设计了一种长焦距、大视场、离轴望远镜光学系统,采用的TMA(three mirror anastigmat)系统3个反射面都是二次曲面,将3块镜面都离轴和倾斜放置,从而避免了中心遮拦的影响,系统的视场为5.0°×0.4°、焦距为15 m和总长度为f′/3.5～f′/3.0,像质达到了衍射极限.     

大口径、长焦距红外系统调焦机构设计

简述了大口径、长焦距红外系统调焦机构的设计,采用了独特的过载保护机构,对电机 和电机驱动控制电路进行了有效的保护。同时该调焦机构具有运行平稳、轻便、和可靠性高等特点,并且具备较好的抗振、抗冲击的能力。     

一种新的长焦距透镜的制造方法

论述了用平行平板上盘来加工长焦距透镜的方法。这种方法可避免火漆上盘引入的透镜偏心,实验证明这种加工方法重复精度好,生产效率高,适合批量生产。     

直线电机驱动的经纬仪调焦机构设计

传统的凸轮调焦机构和丝杆丝母调焦机构存在结构复杂;加工、装调难度大;在传动链中引入齿轮传动,不可避免的会产生空回现象,进而导致整个机构存在传动效率低、响应速度慢、重复定位精度差等问题。为了弥补传统调焦机构的不足,设计了一种直线电机驱动的调焦机构,给出了新调焦机构的设计计算过程。直线电机驱动的调焦机构已成功应用于光电经纬仪中。实验证明,该机构的重复定位精度〈0.004mm,优于传统的调焦机构。