摆扫式天基红外成像系统光机结构设计及其像移补偿技术研究

发布时间：2020-10-28 13:48

　　 天基红外成像系统是一种以空间飞行器为搭载平台,应用于空间环境的光学精密仪器,它以获取海洋、地面以及空间运动物体的影像为主要功能。该谱段在夜视、透烟、透雾等方面有独特的应用价值,因此天基红外成像系统的研制有极大的需求。本文面向天基红外探测的需求,以某天基平台的项目为依托,对一种应用于低轨太阳同步轨道、有效幅宽百公里量级、地面分辨率十米量级、工作波长为3μm-5μm的红外成像系统开展了研究工作,本文的主要工作内容包括如下几个方面:1)针对技术指标的需求,着重分析了如何在保证高分辨率的同时,实现大幅宽,对比了多种方案,选择了垂轨摆扫的工作模式来满足幅宽要求,并基于这种工作模式,对红外成像系统的覆盖能力进行了分析;2)光机镜头作为红外成像系统二维转动机构的负载,它的质量特性,包括质量、质心、转动惯量等,都对伺服系统的控制水平有极大的影响,且卫星平台为红外成像系统的安装空间有严格的限制,基于此,本文提出光机镜头紧凑化、轻小型的设计思路对光机镜头进行设计,通过合理选择光学系统结构、合理的规划光学系统折转方向与折转位置,实现了光机镜头内部各个部组件的合理布局,达成了光机镜头紧凑化、轻小型的目标,远摄比达到了0.21;3)天基红外成像系统所工作的空间环境极其复杂,受周期性变化的外热流及冷黑空间的交替作用,将产生极大的温差,这对红外系统来说是致命的,本文对红外成像系统的热环境适应性进行了设计,一方面采用无热化的设计方法提高光学系统的适应能力,另一方面采用热控设计的方式控制光学系统的热环境;4)红外成像系统通过卫星的调姿实现对目标的指向后,采用摆扫成像的工作模式,通过其自身在俯仰向和方位向的摆扫实现对目标区域的成像,这种模式下,整星的飞行与红外相机在偏航方向的摆扫都将产生的像移,因此一方面要求系统具备二维转动机构进行成像摆扫,另一方面要求系统具备二维补偿机构对卫星运动及摆扫所产生的像移进行补偿,基于此,本文设计了一种具备粗、精跟踪能力的的复合轴转动机构,提高了红外探测器工作效率,扩大了覆盖宽度,同时减小了对整星平台的稳定性影响;并详细介绍了天基动基座复合轴转动机构的设计过程与选型方法。5)二维转台作为粗跟踪的实现单元,其控制残差的大小直接影响到精跟踪的成败,本文提出将二维转台的设计与伺服控制带宽要求相结合的设计方法;6)考虑到卫星运输与发射过程中系统都必须经历严酷的力学环境,结构设计要求做到高刚度、高强度以及低质量,而用于承载相机本体的安装支架是整个系统中的主要承力部件,对相机的力学性能有着非常重要的影响,本文设计了一种全碳纤维材料(镶嵌件除外)、高刚度、高稳定性、高度轻量化、桁架形式的安装支架,充分利用了碳纤维丝轴向刚度高的优势,所设计的安装支架尺寸约为350mm×430mm×360mm,一阶基频约为222.7Hz,承载质量约为16kg,而自身质量仅为3.8kg,能够满足需求;7)本文所设计的红外相机为天基动基座复合轴转动机构,若无法实现其运动补偿,则相机的成像质量将无法保证,因此本文最后采用坐标变换的方法,建立了天基动基座两维复合轴转动机构的像移补偿模型,并采用蒙特卡洛算法对像移补偿残差进行了分析,最后通过半实物仿真试验、外景成像试验以及最终的入轨成像验证了系统功能与像移补偿模型的有效性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN219;TP391.41
【部分图文】：

[13-15]。1990年，美国成功发射的Hubble Space Telescope，如图1.1所示。Hubble的主光学系统为2.4m口径的RC系统，焦距57.6m，有效集光面积4.5m2，工作在可见光和近红外波段，发射质量达到11110kg，总长度接近13.2m，运行在560km的近地轨道，可进行在轨维护，1996年维修后

第 1 章 绪论本成功发射了红外天文卫星AKARI，卫星的主光学2m的RC系统，可以对天体目标进行高空间分辨率和3台红外探测仪器，工作温度约为2K[21-24]。ace Telescope是2008年美国宇航局发射的一个空间天zer的主光学系统为口径0.85m、焦距10.2m的RC系统外相机、红外光谱仪、红外成像光度计；其中，红外立波段，以1.2″的分辨率对目标拍摄成像[25-29]。

图 1.2 Spitzer 空间望远镜Figure 1.2 Spitzer Space Telescope09年，欧洲宇航局发射的Herschel Space Obervatory，是目前太空中口径颗红外天文卫星，如图1.3所示。Herschel的主光学系统为3.5m口径、28系统，有效集光面积9.6m2，国家天文台参与了部分研制任务，图1.3为el太空望远镜示意图[30-35]。
【参考文献】

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本文编号：2860172