褚備 李玲 范建凱 高揚(yáng) 張孝弘

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

隨著對(duì)地觀測(cè)遙感需求的不斷增加,對(duì)衛(wèi)星遙感相機(jī)的功能性能要求也隨之提高[1]。高分辨率對(duì)地成像、多譜段融合觀測(cè)、大可視范圍、高精度定向觀測(cè)等要素逐漸融合已成為一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì),在大幅提升單臺(tái)遙感相機(jī)成像能力的同時(shí),對(duì)光機(jī)系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和集成化也提出了更高的要求。

現(xiàn)有CCD成像器件由于受到加工工藝、原材料的限制,單片器件最多只有5個(gè)譜段,要實(shí)現(xiàn)更高的譜段數(shù)量,需要采用分通道成像的方式。例如:2019年發(fā)射的資源一號(hào)02D衛(wèi)星搭載的可見近紅外相機(jī),采用分視場(chǎng)的分光方式,將光學(xué)系統(tǒng)分為2個(gè)通道,實(shí)現(xiàn)了1個(gè)全色和8個(gè)多光譜譜段成像[2]。但是,多光譜相機(jī)在增加譜段的同時(shí),系統(tǒng)的功耗和體積也隨之大幅度增大,因此在多光譜相機(jī)的設(shè)計(jì)中,分光方式和焦面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。由于光學(xué)設(shè)計(jì)中高分辨率和大視場(chǎng)存在矛盾,大幅度增加視場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)規(guī)模成倍增加,邊緣視場(chǎng)畸變?cè)黾?成像質(zhì)量嚴(yán)重下降,因此對(duì)于高分辨率且具有大范圍區(qū)域定點(diǎn)成像需求的遙感相機(jī),通常需要搭配指向單元,實(shí)現(xiàn)光學(xué)視場(chǎng)的轉(zhuǎn)向功能。例如:2015年發(fā)射的浦江一號(hào)輕小型相機(jī),通過光學(xué)系統(tǒng)前端的擺鏡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可見光譜段在600km范圍內(nèi)的定點(diǎn)成像[3]。但是,新增的指向單元會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度,指向鏡的面形穩(wěn)定性和抗力學(xué)性能、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的指向及測(cè)量精度都會(huì)成為系統(tǒng)研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著資源普查、海洋觀測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域?qū)b感應(yīng)用需求的不斷提升,對(duì)譜段數(shù)量、觀測(cè)精度和重訪周期等要求也在提高,傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感相機(jī)難以同時(shí)滿足上述需求。因此,迫切需要一款新型遙感相機(jī),同時(shí)具備多譜段、高分辨率和大可視范圍的成像能力,以及滿足輕小型、高穩(wěn)定性和高精度的要求。為此,本文提出了一種指向式雙通道遙感相機(jī)設(shè)計(jì),從相機(jī)的功能及指標(biāo)需求出發(fā),采用多學(xué)科集成設(shè)計(jì)方法對(duì)光機(jī)主體進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化,并對(duì)大口徑輕型指向鏡、高精度指向機(jī)構(gòu)、雙通道多光譜焦面組件和高穩(wěn)定性光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹,通過仿真分析、試驗(yàn)及測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 相機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析

1.1 相機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

本文研究的遙感相機(jī)需要在大可視范圍內(nèi)(不小于1000km)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面任意指定目標(biāo)進(jìn)行全色及多光譜共9個(gè)譜段成像。為此,本文提出了一種新型的相機(jī)系統(tǒng)方案,如圖1所示。主光學(xué)系統(tǒng)為長(zhǎng)焦距、大口徑且無遮擋的三反離軸式光學(xué)系統(tǒng)。采用成像鏡頭+高精度指向側(cè)擺的成像體制,指向鏡位于主光學(xué)系統(tǒng)的前端,地面景物發(fā)出的光線經(jīng)過擺鏡的反射進(jìn)入主光學(xué)系統(tǒng),通過焦平面的時(shí)間延遲積分CCD(TDICCD)推掃成像。通過指向鏡沿穿軌方向轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)大范圍定點(diǎn)成像。該相機(jī)具備在大可視范圍內(nèi)對(duì)指定目標(biāo)進(jìn)行多譜段成像的能力。其主要特點(diǎn)是:在傳統(tǒng)離軸遙感相機(jī)的基礎(chǔ)上,通過新式分光方案實(shí)現(xiàn)雙通道多譜段成像功能,采用高精度輕型指向單元實(shí)現(xiàn)大范圍的定點(diǎn)成像功能。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為:在兼具寬覆蓋和多光譜功能的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)輕小,指向精度高,成像穩(wěn)定性好。

圖1 系統(tǒng)方案示意

考慮到成像器件的限制,焦面部分采用雙通道分光成像的方案。包含地物信息的光信號(hào)通過遮光罩、指向鏡和主光學(xué)系統(tǒng),在分光鏡處分為2個(gè)通道。2個(gè)通道的焦面組件分別使用5色TDICCD(1全色+4多光譜)和4色TDICCD(4多光譜),并通過指向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng),使得遙感相機(jī)可以在覆蓋范圍內(nèi)對(duì)任意目標(biāo)進(jìn)行9個(gè)譜段成像。相機(jī)主體的組成框圖如圖2所示。

圖2 相機(jī)主體組成

與其他遙感相機(jī)相比,本文設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是:將大范圍定點(diǎn)成像和雙通道多譜段成像功能集成在1臺(tái)相機(jī)上,并通過系統(tǒng)布局優(yōu)化及關(guān)鍵部組件的技術(shù)攻關(guān),滿足系統(tǒng)的輕小型化、高精度和高穩(wěn)定性要求。

1.2 大口徑輕型指向鏡

指向鏡在相機(jī)中位于光學(xué)系統(tǒng)前端,在指向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),改變光軸指向,從而在整星不進(jìn)行側(cè)擺的情況下實(shí)現(xiàn)側(cè)視成像,擴(kuò)大相機(jī)可視范圍,是相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件,指向鏡組件需要軸系支撐,力、熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)難度更大。要實(shí)現(xiàn)指向鏡的高度輕量化和高穩(wěn)定性,支撐方式的優(yōu)化是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

指向鏡材料選擇了比剛度高、熱導(dǎo)率高、制造工藝技術(shù)路線成熟的SiC材料。指向鏡的支撐方式主要包括背部支撐和周邊支撐等[4]。其中,周邊支撐方式一般只適用于中小口徑反射鏡;對(duì)于本文中的大型反射鏡,采用背部支撐的主要問題是體積和質(zhì)量較大,難以滿足系統(tǒng)輕量化和布局要求。因此,本文采用側(cè)邊支撐方式。該支撐方式的優(yōu)點(diǎn)是輕量化程度高,力學(xué)性能好;缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差,需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減小熱變形對(duì)面形的影響。對(duì)2種方式分別進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析與對(duì)比,對(duì)比情況如表1所示。

表1 支撐方式對(duì)比

由表1可以看出:方式1的特點(diǎn)是裝調(diào)簡(jiǎn)便,精度要求低,抗熱變形能力強(qiáng);方式2的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在輕小型化程度高,抗力學(xué)性能更好。在本文中,為了適用于系統(tǒng)空間布局緊張且發(fā)射段力學(xué)環(huán)境惡劣的情況,選擇方式2,裝調(diào)和熱變形的問題則可以通過優(yōu)化流程和相機(jī)熱控解決。

方式2經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),采用側(cè)面嵌套直粘+卸載結(jié)構(gòu)的方案,嵌套材料為低膨脹合金,減少嵌套徑向熱變形對(duì)鏡面面形的影響。在加工流程上,鏡面粗加工完成后,即開始粘接嵌套,完成穩(wěn)定性處理后再進(jìn)行面形精加工。指向鏡組件在軌由于溫度波動(dòng)導(dǎo)致的軸向變形問題,則通過指向機(jī)構(gòu)的軸系設(shè)計(jì)解決,即一端為成對(duì)角接觸球軸承固定支撐,另一端為深溝球軸承游動(dòng)支撐,卸載溫度變化引起的軸向伸縮。

1.3 高精度指向機(jī)構(gòu)

指向機(jī)構(gòu)的主要功能是驅(qū)動(dòng)擺鏡精確旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)高精度指向功能。作為相機(jī)成像功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),指向機(jī)構(gòu)需要為指向鏡提供可靠支撐,并以高精度(控制精度優(yōu)于30″,測(cè)量精度優(yōu)于10″)驅(qū)動(dòng)指向鏡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。這就要求指向機(jī)構(gòu)需要具有良好的力學(xué)性能,能夠承受發(fā)射段的力學(xué)考核,具備發(fā)射段鎖緊功能;驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)平穩(wěn)、可靠,確保足夠的力矩裕度能夠驅(qū)動(dòng)擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng);驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較高的指向精度和測(cè)量精度。

常見的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或電機(jī)加齒輪傳動(dòng)的方式,其不足主要體現(xiàn)在:電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致力矩不足,難以驅(qū)動(dòng)大體積反射鏡,齒輪傳動(dòng)存在齒面間隙,導(dǎo)致傳動(dòng)精度和抗力學(xué)性能變差。本文提出了一種新式的指向機(jī)構(gòu),由指向鏡組件、驅(qū)動(dòng)組件(主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、諧波齒輪減速器)、測(cè)角元件和支撐結(jié)構(gòu)組成。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)類機(jī)構(gòu),較為常見的設(shè)計(jì)是將驅(qū)動(dòng)單元和測(cè)量單元分置在軸系兩側(cè),便于裝調(diào)和測(cè)試維修。在本文中,考慮到系統(tǒng)對(duì)指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)和測(cè)量精度要求較高,并兼顧系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì),將驅(qū)動(dòng)單元和測(cè)角單元放置在同一側(cè),分別作為驅(qū)動(dòng)源和位置反饋共同作用帶動(dòng)指向鏡組件旋轉(zhuǎn),如圖3所示。這樣的好處是大大減少了由于結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的測(cè)量誤差,提高指向精度。傳動(dòng)元件選用大減速比的諧波齒輪,目的是提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)力矩,并能夠克服普通齒輪傳動(dòng)由于齒面間隙造成的回程差問題。齒輪面間采用固體潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑相結(jié)合的方式,避免在軌冷焊問題。測(cè)角元件選用24bit高精度光電編碼器,能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于5″的測(cè)量精度。驅(qū)動(dòng)端的軸承使用背對(duì)背成對(duì)安裝的角接觸球軸承,并施加預(yù)緊力,消除擺鏡軸向和徑向的安裝間隙。在另一端使用單只深溝球軸承,約束軸的徑向位移,釋放軸向位移,以卸載由于指向鏡熱變形引起的軸向尺寸變化。

圖3 指向機(jī)構(gòu)方案

對(duì)指向機(jī)構(gòu)組件進(jìn)行精度分析?？刂普`差按照形成原因可分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。隨機(jī)誤差可以通過提高各傳動(dòng)部分精度的方式來降低,而系統(tǒng)誤差可以通過標(biāo)定或者補(bǔ)償?shù)姆绞浇档汀?/p>

(1)隨機(jī)誤差主要包括電機(jī)步距角誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重復(fù)性誤差。其中:電機(jī)步距角誤差是由電機(jī)動(dòng)子的起始位置和最終位置的不確定性引起的,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重復(fù)性誤差主要取決于機(jī)構(gòu)本身的加工精度和運(yùn)動(dòng)間隙。因此,本文選用高精度步進(jìn)電機(jī)(步距角誤差為6.05″),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用諧波減速器,相比于傳統(tǒng)的齒輪組傳動(dòng),諧波減速器不存在運(yùn)動(dòng)間隙,且加工精度更高(重復(fù)性誤差為6.01″)。綜合計(jì)算隨機(jī)誤差(均方根值)為6.04″。

(2)系統(tǒng)誤差主要是由電機(jī)步距的細(xì)分引起的。本文選取的電機(jī)步距角為0.9°,為減少系統(tǒng)誤差,選用了較大減速比的諧波減速器(減速比為160∶1),指向機(jī)構(gòu)步距約為20.3″(即0.9°/160),結(jié)合隨機(jī)誤差的影響分析,可以實(shí)現(xiàn)指向機(jī)構(gòu)30.0″的控制精度。

1.4 雙通道多光譜焦面組件

焦面組件是相機(jī)的重要組成部分,相比單通道遙感相機(jī),雙通道遙感相機(jī)的焦面組件更為復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度更大[5]。焦面組件的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、2個(gè)通道間的多譜段配準(zhǔn)都直接影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。由于成像器件上各譜段的位置在光學(xué)視場(chǎng)中并不重疊,特別是雙通道遙感相機(jī),要充分考慮2個(gè)通道之間的譜段配準(zhǔn)設(shè)計(jì),以保證多光譜圖像融合精度。

較為常見的雙通道分光方式為分視場(chǎng)分光,即在光學(xué)設(shè)計(jì)上2個(gè)通道并行排列,分別對(duì)應(yīng)飛行方向的不同視場(chǎng),在結(jié)構(gòu)上通常通過光學(xué)折轉(zhuǎn)以保證各通道的結(jié)構(gòu)安裝空間,如圖4(a)所示。該方案的缺點(diǎn)是:導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)增加,體積增大,而且各譜段間跨距較大,配準(zhǔn)精度對(duì)衛(wèi)星偏流角修正精度要求較高。

圖4 分光方式對(duì)比

本文針對(duì)以上問題,設(shè)計(jì)同視場(chǎng)楔板分光的方案,即在光學(xué)系統(tǒng)的后端設(shè)計(jì)半反射半透射的楔形分光鏡,成像光線到達(dá)楔形分光鏡后分成反射和透射2個(gè)成像通道,見圖4(b)。2個(gè)成像通道在光學(xué)設(shè)計(jì)上完全重疊,這使得不同譜段對(duì)同一地物的觀測(cè)角差異比傳統(tǒng)分視場(chǎng)方案降低(可由4.57°降低到0.73°),在顯著提高配準(zhǔn)精度的同時(shí)也降低了衛(wèi)星偏流角校正精度對(duì)相機(jī)成像的影響。

焦面反射通道使用5色TDICCD,透射通道使用4色TDICCD。5色TDICCD器件和4色TDICCD器件分別安裝在分光鏡的兩側(cè)。在相應(yīng)的焦面支撐結(jié)構(gòu)上,焦面電路位于TDICCD器件背面,通過鋁合金外殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)安裝及散熱。2個(gè)通道的焦面支撐結(jié)構(gòu)采用鈦合金材料,與相機(jī)主框架保持一致。對(duì)焦面組件在1℃的溫度變化下熱變形導(dǎo)致的配準(zhǔn)精度變化進(jìn)行分析,配準(zhǔn)像元變化個(gè)數(shù)δ按照式(1)計(jì)算。

式中:ΔL為熱變形導(dǎo)致的CCD沿線陣方向的最大位移變化量;d為CCD器件像元大小。

經(jīng)過計(jì)算,1℃熱變形導(dǎo)致的像元變化量為0.11像元,能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性(優(yōu)于0.30像元)的要求。

1.5 高穩(wěn)定性光機(jī)結(jié)構(gòu)

遙感相機(jī)主框架的功能是為相機(jī)各光學(xué)、機(jī)構(gòu)及電子部件提供穩(wěn)定的支撐,保證各光學(xué)元件和像面之間的準(zhǔn)確位置關(guān)系,同時(shí)能承受發(fā)射段惡劣的環(huán)境載荷,確保各部組件不被破壞,因此主框架設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在一定空間包絡(luò)范圍和質(zhì)量限制條件下設(shè)計(jì)出滿足高剛度、高穩(wěn)定性的支撐結(jié)構(gòu)[6-7]。

主框架大體包括箱式和桁架式2種結(jié)構(gòu)形式。箱式整體框架結(jié)構(gòu)緊湊,具有良好的力學(xué)性能,無裝配應(yīng)力,便于保持相機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,且易于裝調(diào)和測(cè)試。因此,本文采用整體箱式結(jié)構(gòu)作為主框架的設(shè)計(jì)方案。相機(jī)主體布局及主框架的設(shè)計(jì)如圖5所示,其設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括:①優(yōu)化布置組件位置,將口徑較大的指向鏡、主鏡等光學(xué)件放置在系統(tǒng)下方,減小組件的力學(xué)響應(yīng);②使用折轉(zhuǎn)鏡壓縮光路,優(yōu)化焦面位置,減小系統(tǒng)包絡(luò),降低相機(jī)重心以增加穩(wěn)定性;③重點(diǎn)優(yōu)化主框架頂端的支撐結(jié)構(gòu)及側(cè)壁的輕量化設(shè)計(jì),使之在滿足體積和質(zhì)量要求的前提下實(shí)現(xiàn)剛度最優(yōu)。

2 相機(jī)性能測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 指向鏡面形測(cè)試情況

指向鏡的面形對(duì)相機(jī)成像質(zhì)量至關(guān)重要,在研制過程的各個(gè)階段均對(duì)指向鏡的面形變化情況進(jìn)行測(cè)試,如表2所示。圖6為指向鏡在相機(jī)主體力學(xué)試驗(yàn)后,即產(chǎn)品最終狀態(tài)下進(jìn)行的面形測(cè)試情況。可以看出:指向鏡的面形變化與仿真分析結(jié)果基本一致,滿足系統(tǒng)要求。

注:不同顏色表示鏡面的高低變化量,僅作定性描述。

2.2 指向機(jī)構(gòu)精度測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證

在指向機(jī)構(gòu)裝調(diào)完成后進(jìn)行精度測(cè)試。測(cè)試以指向機(jī)構(gòu)安裝面的法線作為基準(zhǔn),通過光學(xué)自準(zhǔn)直儀獲取角度,并記錄光電編碼器的輸出值。首先獲取光學(xué)自準(zhǔn)直儀測(cè)量的角度變化量,再分別對(duì)比指令角變化量和光電編碼器變化量,其差值即為控制誤差和測(cè)量誤差。指向鏡調(diào)整以指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角θ=0.9°為1個(gè)步長(zhǎng),測(cè)試每個(gè)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的指向鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角變化量θ1和編碼器遙測(cè)值變化量θ2,從而獲得指向機(jī)構(gòu)每個(gè)步長(zhǎng)的控制誤差Δ1和測(cè)量誤差Δ2。指向機(jī)構(gòu)精度測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 指向機(jī)構(gòu)精度測(cè)試結(jié)果

Δ1=|θ-θ1|

(2)

Δ2=|θ2-θ1|

(3)

通過測(cè)試,指向機(jī)構(gòu)的精度滿足要求(控制精度優(yōu)于30″,測(cè)量精度優(yōu)于10″)。

在力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前后分別進(jìn)行了精度測(cè)試,對(duì)比試驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)(見表3),力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)沒有降低機(jī)構(gòu)的精度,驗(yàn)證了指向機(jī)構(gòu)的抗力學(xué)性能。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)前后精度對(duì)比

2.3 焦面組件穩(wěn)定性測(cè)試

光學(xué)系統(tǒng)中,光學(xué)鏡頭和焦面組件對(duì)于軸間距、俯仰等非常敏感,因此需要對(duì)各組件在重力作用下的剛體位移和轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行校核。校核的主要方法是在有限元模型中添加各組件的模型或等效質(zhì)量點(diǎn),并對(duì)相機(jī)主體施加重力載荷。表4為各組件最大變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥吹?各組件的安裝點(diǎn)位移均小于5μm,轉(zhuǎn)動(dòng)角小于10″,能夠滿足光學(xué)系統(tǒng)的誤差要求,表明主框架具有良好的穩(wěn)定性。

表4 重力作用下變形

2個(gè)焦面通道需要通過配準(zhǔn)保證不同譜段的位置精度,以滿足后期圖像融合的精度需求。配準(zhǔn)精度測(cè)試光路如圖8所示。遙感相機(jī)鏡頭及焦面組件連接后放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上,光源經(jīng)半反半透鏡照亮處于相機(jī)焦面處的CCD像元后,再經(jīng)過半反半透鏡、平行光管及攝像系統(tǒng)成像,在圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的顯示設(shè)備上顯示出CCD像元或標(biāo)記的放大圖像,同時(shí)能夠直觀地測(cè)量圖像上兩點(diǎn)之間的距離。

圖8 配準(zhǔn)精度測(cè)試光路示意

配準(zhǔn)過程中,以通道2探測(cè)器的中心視場(chǎng)像元和邊緣視場(chǎng)像元作為基準(zhǔn)。通過精密調(diào)整機(jī)構(gòu)精調(diào)通道1探測(cè)器的位置,使通道1探測(cè)器的中心及邊緣視場(chǎng)像元與通道二重合,并對(duì)配準(zhǔn)精度進(jìn)行測(cè)試。實(shí)測(cè)沿線陣方向配準(zhǔn)偏差為3.7μm(約為0.13像元),結(jié)合熱變形仿真分析計(jì)算的結(jié)果,相機(jī)配準(zhǔn)及熱穩(wěn)定性滿足像元配準(zhǔn)偏差不大于0.30像元的要求。

2.4 光機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性,在遙感相機(jī)研制過程中進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn),對(duì)相機(jī)的抗力學(xué)性能進(jìn)行考核,X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向的模態(tài)分布分別為231.9Hz,187.5Hz,124.7Hz,與仿真分析結(jié)果基本一致,也驗(yàn)證了有限元模型的正確性。在正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后,各項(xiàng)功能性能測(cè)試正常,調(diào)制傳遞函數(shù)(MIF)測(cè)試結(jié)果(見表5)、焦面位置測(cè)試及外基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果(見表6)無明顯變化,表明相機(jī)的一體化設(shè)計(jì)能夠有效地保證在發(fā)射段惡劣的力學(xué)環(huán)境中保持良好的成像能力和性能穩(wěn)定性。

表5 振動(dòng)試驗(yàn)前后MTF測(cè)試結(jié)果

表6 振動(dòng)試驗(yàn)前后外基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從集成設(shè)計(jì)的角度出發(fā),以遙感相機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)(覆蓋范圍、指向精度等)為切入點(diǎn),以成像質(zhì)量和穩(wěn)定性為目標(biāo)開展光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,提出了大范圍指向鏡和雙通道集成焦面的設(shè)計(jì)方案,并通過地面環(huán)境試驗(yàn)對(duì)相機(jī)的抗力學(xué)性能和光學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果表明:遙感相機(jī)在滿足外包絡(luò)900mm×480mm×750mm、質(zhì)量小于100kg的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的指向精度,同時(shí)具備良好的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性,可以為同類遙感相機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。