离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移.为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量.该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度.介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试.试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2 μm,重复定位精度优于±1 μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5”,满足用户提出的精度要求.     

离轴三反空间相机的焦距测量

离轴三反光学系统的焦距是空间相机的重要指标之一,离轴三反空间相机在完成光学系统装调及光学镜头装配后需要进行焦距测量。通过对两种经典的焦距测量方法即放大率法和测角法进行对比分析,选用测角法作为焦距的测量方法,同时对用于同轴光学系统的焦距测量公式增加离轴角修正量使其适用于离轴三反光学系统,并以某离轴三反空间相机为例论述焦距测量方法及步骤。由修正后的焦距计算公式计算出相机的焦距为8 010mm,证实了该测量方法的可行性。     

大型离轴三反相机桁架式主支撑结构设计与优化

根据大型离轴三反空间相机的特点,研究了其主支撑结构的形式。应用Rayleigh法推导了桁架式主支撑结构的基频计算公式,分析了桁架杆间夹角对其基频的影响,并以此为基础研究了其优化方法和过程。据此设计并优化了某预研空间相机的桁架式主支撑结构,其基频达到146Hz,表明本研究对大型离轴三反空间相机主支撑结构的设计具有一定的指导意义。以上研究已成功应用于某预研相机的样机研制中。     

离轴三反航天测绘相机焦距的计算

为了精确计算离轴三反相机的焦距以保证其测绘精度,对经典测绘模型和相关公式进行了必要的修正。首先,重新定义了离轴三反测绘相机的交会角,并对经典焦距计算公式做了修正;其次,分析了地球曲率对离轴三反测绘相机焦距计算的影响,进一步修正了焦距计算公式。实例计算表明:当要求地面像元分辨率为2m,在CCD像元尺寸为8μm,轨道高度为700km,离轴角为7°条件下,应用经典计算公式得出的斜视相机焦距与应用修正后的计算公式所得出的斜视相机焦距相对偏差达到2.6%,说明对测绘精度影响很大。因此,在采用离轴三反相机进行摄影测量时,斜视相机焦距的计算应考虑离轴角后对经典公式进行必要的修正,而正视相机的焦距计算可以沿用经典计算公式。     

离轴三反宽视场空间相机的辐射定标

离轴三反(TMA)光学系统是目前最先进的空间对地观测相机的光学系统。本文在分析离轴TMA宽视场空间相机成像机理的基础上,针对其光学系统光路和结构的特点,提出了分视场定标和利用特殊开口形状积分球的全视场定标两种方案,并采用两种定标方案分别对离轴TMA宽视场空间相机两个不同阶段的样机进行了实验室辐射定标,定标结果表明两种方案切实可行,满足该相机实验室辐射定标要求。通过对提出的两种实验室辐射定标方案优缺点的分析,得出两种定标方案不同的使用条件,结果显示两种定标方案的定标精度分别为1.68%和1.89%。     

空间轻小型离轴三反相机桁架主支撑结构设计

为了满足轻小型离轴三反相机精度高、质量小的要求,采用了一种以碳纤维桁架杆结合钛合金安装基板的空间相机主支撑结构。通过分析对比各种空间相机主支撑结构的优缺点,结合本文所述光学系统的特点,确定了次镜安装基板和折叠镜安装基板分开支撑的支撑方式。对初始的主支撑结构进行以一阶频率为优化目标,质量为约束条件的动力学尺寸优化,并对最终的主支撑结构特性进行了有限元分析和试验验证。有限元分析和振动试验表明:在主支撑结构质量不大于4 kg的条件下,所研制的离轴三反相机主支撑结构力学性能指标均满足设计要求,其中一阶频率达到291.4Hz。该离轴三反相机主支撑结构设计方案可以作为其它同型相机结构设计的技术参考。     

离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量.本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿.首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理.然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度.最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线.对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求.     

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.     

长焦距离轴三反测绘相机的外场立体成像

在地面模拟了长焦距、宽视场离轴三反光学系统的在轨立体成像,通过对图像的数据处理和分析,验证了离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性。提出了长焦距离轴三反测绘相机外场立体成像的单点成像方法。在该方法中,单台离轴三反相机通过旋转转台对靶标成像,根据规划的相机交会角旋转靶标,并精确测量出靶标的旋转角度,通过靶标的旋转来模拟两线阵相机的相机夹角。在外场立体成像中,根据轨道高度、外场立体成像的物距及理论设计需达到的高程精度和平面精度设计地面靶标。最后,对成像方式进行处理,验证了离轴三反测绘相机立体成像的可行性;对提出的外方位元素、两相机最佳夹角的测量方法进行了精度分析。该单点成像方法具有实用价值,可用于长焦距离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性验证。     

离轴三反航天测绘相机像移对成像质量的影响

对离轴三反测绘相机的像移模型进行了必要的修正以获得高的测绘精度。对两线阵离轴三反航天测绘相机进行建模,推导了考虑地球曲率的斜视和后视相机的像移速度和偏流角计算公式。以交会角为25°的离轴三反航天测绘相机为例,分析了斜视相机以正视为准调整行周期和偏流角,以及兼顾正视、斜视相机调整偏流角时,像移速度匹配残差和偏流角调整残差对图像质量的影响。分析结果表明,以调制传递函数下降5%为约束,当积分级数大于5时,应分别调整斜视和正视相机的行周期;按正视相机调整斜视相机的偏流角时,积分级数应取71以内;若兼顾正视、斜视相机调整偏流角,当积分级数为96时,对正视、斜视相机的成像质量无本质影响。     

离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法

介绍了一种离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法和步骤,以及建立标定系统的原理和组成。对三反系统镜头像面畸变进行了分析,建立了畸变的数学模型,应用最小二乘多元回归的方法,求得镜头的成像像面方向的畸变。实际标定结果表明:该方法对像面绝对畸变的标定精度可以优于2μm（1σ）,相对测量精度优于1×10-4（1σ）。该方法可以满足离轴三反镜头高精度畸变标定要求,具有实际应用价值。     

离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的标定

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分( TDI) CCD相机内方位元素和畸变的标定方法.介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位元素和畸变的含义.建立了标定系统及相应的数学模型,应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式.利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变,并对标定误差进行了分析.结果表明:该方法对主点的标定精度可达1.0 μm(1σ),对主距的标定精度可达2.0 μm(1σ),对畸变的标定精度为2.3 μm(1σ).结果显示提出的标定方法快捷且有效.     

面向再制造的某型手持军用红外热像仪的设计研究

运用面向再制造的产品设计基本概念,根据手持军用红外热像仪的应用特点及要求,提出了对其进行面向再制造设计时应考虑的主要问题及基本设计方法.     

空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验

对空间相机大功率CCD器件进行了热设计以解决其散热问题,为了验证热设计的合理性进行了CCD焦面组件的热试验.首先,介绍了以传导为主要散热措施的CCD器件热设计方案,CCD器件的热量主要通过热管传递到冷源;然后,针对整个焦面组件进行了试验规划,特别对模拟冷板进行了专门设计;最后,在真空环境下进行了综合试验.试验结果显示,...     

离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点,提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板,以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分,故降低了结构整体重量,提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测,结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ,均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试,测得一阶模态频率为48 Hz,对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz,满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中,通过分时对主镜和三镜进行加工,省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间,加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率,为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。     

基于中心复合设计的空间相机热计算参数修正

为了提高空间相机热分析计算的准确度,提出了一种基于中心复合设计的热计算参数修正方法。介绍了中心复合设计方法,对空间相机次镜及遮光罩加热区对次镜的加热效果进行了试验,并根据试验建立了有限元模型。利用中心复合设计法设计了热计算参数,将设计的参数作为不同的工况代入到有限元模型中进行计算,根据计算结果拟合出次镜最高温度、自然对流换热系数和接触传热系数的回归方程,并根据试验结果通过求解回归方程得到最终的热计算参数。最后,将求解后的参数代入到有限元模型中重新进行计算。结果表明,参数修正后的结果与试验结果一致性较好,计算和试验的相对误差为2%,该方法同样适用于其它相机的热计算参数修正。