地球静止轨道红外相机热控设计及验证

随着相机分辨率的提升,相机光机主体温度水平及温度稳定性要求随之提高,且红外相机需要将探测器制冷到较低温度。工作于地球静止轨道的红外相机所处空间热环境复杂,相机光学系统会长时间受到太阳照射,且无长期背阴面,为相机的热控设计带来了很大的挑战。结合地球静止轨道空间热环境特点以及相机成像需求,采用遮光罩&热门的方式有效屏蔽外部热流的影响,将主光学系统温度控制在（20±3） ℃以内,为相机每天成像时间不少于20 h提供了温度保障;采用高效隔热技术以及高效热量排散技术将探测器控制在80 K以下,满足成像模式探测器温度需求。地面试验以及在轨飞行数据表明,相机的热控设计合理可行,为后续高轨红外相机的高精度控温提供了有力支撑。     

静止轨道高分辨率相机Geo-Oculus方案论证研究

Geo-Oculus是欧空局于2008年开展的一项详细论证工作,它用于讨论在地球静止轨道上工作的对地观测卫星如何实现对全球环境与安全进行高空间分辨率和高时间分辨率监视的情况。Geo-.Oculus相机的主要任务是监视欧洲的灾害（水灾、山崩和暴风雨等）、火灾、海藻分布情况和水质,它还具备对石油泄漏和海岸线上的腐蚀物和沉淀物转移的监视能力。Geo-Oculus相机同时具有高空间分辨率和高时间分辨率的特点,其工作波段覆盖紫外、可见、近红外、短波红外和远红外区域,并可被细分为二十多个通道。该相机的可见光通道的地面分辨率可达到21m,紫外通道的为40m,而远红外通道的为750 m。该相机方案论证从工作模式、波段、光学分辨率和焦平面选型等方面展开。这项论证工作是针对静止轨道高分辨率相机方案研究的一个很好的案例,为下一步的详细设计和研制工作奠定了基础。     

静止轨道大视场中波红外光学系统设计

地球静止轨道凝视成像技术是航天遥感领域的重要研究内容。为了实现静轨对地不间断观测的目的,设计了一套覆盖地球全圆盘的大视场中波红外凝视成像光学系统。通过光焦度分配、光线高度控制和冷阑匹配,实现了大视场二次成像光学结构;根据现有面型检测水平,合理分配非球面,解决了多重像差问题。结合实际装调工艺,对温度适应性情况进行讨论。设计得到的光学系统视场达到18°×18°,角分辨率为72mrad。设计结果表明,各个视场的MTF在奈奎斯特频率处（16.7 lp/mm）均大于0.7,像元尺寸内能量集中度大于83%,冷阑效率大于98%。该系统有望在静止轨道红外探测相机、高灵敏度天文卫星等领域实现重要应用价值。     

地球同步轨道红外预警卫星仿真模型研究

天基红外预警卫星通过红外传感器探测弹道导弹主动段飞行时散发的红外尾焰,能在早期发现和跟踪弹道导弹目标。其中地球同步轨道卫星由于轨道高度高,因而具有更广的探测范围,是目前广泛使用的一种红外预警卫星,也是反导系统仿真中的重要研究对象。文中主要描述了一种地球同步轨道卫星探测功能的仿真建模方法,重点论述了地球同步轨道卫星目标发现条件并推导了探测范围计算公式,对于红外预警卫星的仿真及规划等问题的研究具有一定意义。     

地球静止轨道变姿态空间相机的外热流计算

为了获取中高轨道变姿态空间相机准确的外热流数据,提出一种求解其变姿态外热流的方法。以地球静止轨道空间相机为例,首先确定卫星-太阳-地球三者之间的相对位置关系;然后,根据相机对日成像的工作任务确定其不同时刻的姿态;最后,根据相机姿态变化后的环境映射面以及直接积分法获得的辐射角系数计算相机各表面的瞬时外热流。计算结果表明,在相同轨道条件下,相机由于在轨姿态变化导致其接受到的外热流总和比姿态恒定的相机有所减少,其中春分日总热流减少372.5 W/m2,冬至日总热流减少771.5 W/m2。入光口所在的+X面外热流增大了2倍左右,该面进出地球阴影区时外热流在0~1 378 W/m2之间剧烈波动。计算结果可指导相机热设计,该方法同样适用于多维变姿态航天器的外热流计算。     

哈工大空间面阵红外凝视相机通过在轨试验

据《科学时报》2010年12月13日报道,由哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心研制的空间面阵红外凝视相机近日通过在轨试验。试验结果表明,国产器件在空间试验中性能可靠,可以替代进口器件。红外凝视相机是哈工大负责研制的"试验三号卫星"的重要载荷之一,也是我国首台具有自主知识产权的在轨运行的空间凝视红外相机。该相机是以国产红外焦平面面阵器件为探测器、以国产新型制冷机为焦面探测器低温冷源的空间     

基于分辨性能的GEOSAR凝视成像轨道优化设计

利用地球同步轨道合成孔径雷达(SAR)卫星对地覆盖范围广、轨道周期短等特点,结合波束控制技术可以实现对热点地区的长时间持续观测,即地球同步轨道SAR(GEOSAR)凝视成像。对于GEOSAR凝视成像系统而言,由于轨道高度大大提高,地球自转效应和地表曲率的影响更加显著,在对目标的持续观测过程中,分辨性能变化较大,甚至存在无法二维分辨的观测位置。为了保证卫星资源的利用率,需要通过轨道参数的优化设计,获得更长的二维高分辨观测时间。通过引入俯仰角,对传统成像几何模型加以改进,并推导了适用于GEOSAR的二维分辨率表达式。利用该表达式,分析不同观测位置的二维分辨效果,计算不同轨道参数设计对应的有效观测时...     

静止轨道微波辐射计在轨冷定标方案初探

地球静止轨道微波辐射计利用大气吸收频段对温湿度廓线探测,辐射计在轨采用冷空作为低温定标源。当反射器指向冷空获取宇宙背景辐射亮温时,太阳或其他星体会进入冷空观测视场,由于其亮温远远高于冷空辐射亮温2.73 K,一旦进入会严重影响冷空观测值。为充分有效利用辐射计观测数据,本文主要分析最大影响源太阳对冷空观测亮温的影响,初步给出一种静止轨道微波辐射计冷定标方案,使冷空观测亮温与背景标准值的最大偏差降低至0.04 K,同时也分析了月球和卫星本体等因素对冷空观测亮温的影响。     

地球同步轨道二维扫描红外成像技术

相对第一代地球同步轨道遥感卫星基于自旋稳定卫星平台的二维成像技术,基于三轴稳定平台成像技术的最大优势在于大幅度提高成像效率、缩短成像周期和多载荷并举。我国基于三轴稳定平台的第二代地球同步轨道气象卫星扫描成像辐射计,采用双扫描镜结合三反射光学系统、辐射制冷器及线列阵探测器,实现了从可见光至甚长波红外波段的成像。面对扫描成像辐射计的恶劣温度环境、极端指向精度、超长运动手寿命等任务要求组合,研制过程中采用了空间光学、精密机械、长寿命运动、电机控制、空间热控、信息处理等综合技术,使仪器实现了恶劣温度环境下的高精度成像。卫星计划于2016年发射,届时将进一步提高我国预报短时天气及突发性灾害的能力。     

地球同步轨道星载毫米波降雨雷达数据模拟及地表杂波抑制

首先对地球同步轨道星载降雨雷达进行了介绍;其次基于其技术参数,利用美国第二代机载降雨雷达(APR-2)的实测数据模拟了地球同步轨道星载毫米降雨雷达的数据并对模拟的强度和速度场数据进行了分析;最后根据时域信号(I、Q)和功率谱数据的特征,采用时域无限脉冲响应(IIR)椭圆滤波器和频域高斯模型自适应处理(GMAP)两种方法对地表杂波进行了抑制,并对抑制前后的廓线数据和回波图进行了对比分析.结果表明,采用IIR和GMAP方法能够对受弱风条件下海面杂波影响的近地面气象回波进行较好的恢复,对地表杂波具有较好的抑制效果.     

凝视型红外成像系统中冷像的仿真分析

在凝视型红外成像系统中,虽然焦平面阵列的非均匀性校正可以消除冷像的影响,但是校正后工作条件发生改变时,冷像变化的影响会显现出来,因此,在设计凝视型红外成像系统时冷像的分析显得很重要.通过分析红外光学系统中冷像形成的原因,根据辐射学原理分析各表面的冷像贡献,并建立了冷像等效温差(NITD)的数学模型.以该数学模型和动态数据交换接口(DDE)技术为基础,运用光学软件ZEMAX及仿真软件MATLAB进行联合仿真,实现了凝视型红外成像光学系统的冷像等效温差的计算和分析,并给出了焦平面阵列上冷像的效果图.实现了在凝视型红外成像系统光学设计过程中对冷像的评估.     

地球同步轨道大型空间相机主动热控系统设计

大动态、高精度主动热控技术是高轨大型空间相机高性能、长寿命运行的核心关键。空间相机主动热控系统既要满足高精度测控温要求,又要实现小型化、集成化以降低资源和功耗需求。然而,传统以中央处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为控制单元的架构难以满足高集成化的设计需要,且热控功率较大,需进行功率管理以满足整星能源要求。针对以上问题,面向地球同步轨道大型空间相机大动态、高精度的测控温需求,设计了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制单元的主动热控系统,利用FPGA的高速并行处理能力和丰富接口资源,实现复杂空间相机高集成度高精度主动热控。设计了热控功率错峰功能,对加热片采用分时控制,动态实时检测热控功率,在保障相机关键部件控温精度的前提下,将热控功率限定在功率设定值。该系统已应用于地球同步轨道大型空间相机,对相机108路加热、138路测温和2个星上黑体进行高精度测控温,通过地面和在轨测试验证了主动热控系统设计的合理性和正确性。     

红外航空相机技术研究

红外航空相机是获取陆地及海面目标特征信息的重要技术手段之一。文章介绍了国外典型红外航空相机的技术指标,概括了红外航空相机发展现状,总结了其特点与优势,并对红外航空相机的基本工作原理、关键技术及系统主要评价指标进行了分析,最后展望了其未来的发展趋势。     

红外焦平面凝视热成像系统评估方法研究

研究了红外焦平面凝视热成像系统的评估方法和评估MRTD数学模型,并在所建立的评估实验室中对数学模型的可行性进行了验证。     

地球静止轨道甚高分辨率成像系统热控方案

地球静止轨道甚高分辨率成像系统利用薄膜衍射成像可实现对地1 m分辨率。成像系统中的索杆铰接式伸展臂尺寸较长、变形精度要求高,主镜尺寸较大、厚度较薄,系统成像质量对镜面变形要求高,使得伸展臂和主镜的热控成为系统热设计的难点。在调研国内外可展开式遮光罩技术和大口径薄膜镜面热控技术的基础上,对地球静止轨道甚高分辨率成像系统的伸展臂和主镜进行了初步热分析,给出了系统热控方案。分析了可展开式圆锥形遮光罩在四种极端工况下的温度分布,确定了热控方案的可行性。     

甚高灵敏度长波红外相机测试技术

对于温度灵敏度优于10 mK的长波红外相机,如何精确测量表征其灵敏度的指标-噪声等效温差（Noise Equivalent Temperature Difference,NETD）,是一项重要的工作。首先,依照尽量缩短标准辐射传递链路减少误差项的原则,对比不同的测量方法,选取黑体直接测量法;其次,基于相机噪声理论模型,对不同温度点下的实测噪声分析,提出噪声修正方法对噪声进行修正,以此减小环境影响带来的测量误差;最后,基于NETD测量计算公式及不确定度分析理论对测试结果的不确定度进行分析评定。结果表明:针对甚高灵敏度长波红外相机所采用的测试设备及方法,可满足测试要求,测试结果相对不确定度在7.7%左右。     

凝视型地球辐射探测仪的辐射标定技术研究

凝视型地球辐射探测仪是我国的新型空间应用遥感仪器,仪器具有全波探测通道和短波探测通道,采用腔体探测器,对地凝视观测,视场覆盖地表边缘,用于从空间的低轨道卫星平台测量地球辐射出射总量,提供地球辐射收支信息.作为定量化应用的遥感仪器,对仪器提出了高精度的定标需求,本文结合仪器的设计特点,提出了使用辐射标准传递方法,先用黑体标定凝视型地球辐射探测仪全波腔体探测通道,继而用全波通道标定积分球,再用标定好的积分球对凝视型地球辐射探测仪短波探测通道进行标定的办法,提高了短波探测通道的辐射标定精度.     

航空红外相机成像故障仿真研究

本文基于光学相机成像效应仿真模型,提出了一种航空红外相机典型故障效应仿真方法。在对航空红外相机的光学系统、探测器、电子电路信号对成像效应进行深入仿真的基础上,对不同类型成像故障效应进行了模拟,采用典型故障的成像表现评价指标进行全面验证评价。研究结果表明：基于红外相机成像效应的仿真模型可有效模拟多种故障成像效应,能对装备的使用维护、试验鉴定中的故障的初步分析发挥重要的指导作用。     

天基对静止轨道空间目标可见光探测的几何位置分析

以天基可见光遥感器探测地球同步静止轨道空间目标为例,详细分析和讨论了在天基空间目标可见光探测的任务中,太阳、空间目标和天基可见光遥感器三者的相对位置关系,并对可实现天基空间目标可见光探测的条件进行了梳理和分析,最后给出了适宜天基空间目标可见光探测的条件和结论,为遥感器的在轨工作能力分析和工作模式设置提供了依据.