航天遥感相机焦平面技术研究

发布时间：2017-09-29 21:04

  本文关键词：航天遥感相机焦平面技术研究

  更多相关文章： 遥感相机 焦平面组件 搭接像元数计算 结构设计 有限元分析 精度分析 精密定焦 立体成像

【摘要】：航天遥感相机是在空间利用成像传感器获取探测目标图像信息的精密仪器,作为重要的信息获取途径越来越受到世界各国的重视。焦平面组件是航天遥感器的感光部件,集成了光、机、电、算、热等多门学科技术,其工作环境苛刻,结构复杂,可靠性要求高。随着分辨力的提高和视场的增大,导致焦平面尺寸不断增大,CCD行频不断提高,焦面处理电路往往复杂庞大,CCD等电子器件发热量大,CCD拼接精度要求高。需要通过合理的设计以及精密的装调手段,实现大尺寸焦平面组件的高刚度,轻质量,在经受运输、发射等过程中的冲击振动载荷时保持足够的稳定性,同时有合理、紧凑的布局和精确的位置关系,以保证相机的成像质量。因此,焦平面技术是航天遥感器研制中的关键技术之一。本文对航天遥感相机焦平面技术进行深入研究,主要完成了以下几个方面的工作。1.概述了国内外航天遥感相机焦平面的主要实现形式,分析了由航天胶卷、面阵CCD与线阵CCD构成的焦面组件的特点及其应用场合,结合航天遥感相机相机焦平面的结构特点,采用时间延迟积分型CCD拼接组成高分辨力航天遥感器的焦平面。对比焦面常用的棱镜拼接、机械拼接、反射镜拼接和交错拼接的优缺点,通过改进采用双面反射镜方案;结合航天遥感相机的工程实际需求,针对双面反射镜方案的光、电、热设计需求进行了一体化分析,讨论了焦平面设计的难点。2.针对相机前后及侧方摆扫的工程要求,建立了相机成像模型;推导出了相机同时进行俯仰以及横滚情况下的CCD重叠像元数计算公式,并进行了误差分析;应用公式计算出了各片CCD搭接的最小重叠像元数;基于公式的计算结果,提出了一种焦面CCD非均匀拼接方法。3.对航天遥感相机的空间环境进行了分析,完成了焦面组件的结构设计。经对航天常用材料属性分析及工程实际需求,选定了4J32作为焦面基板材料,2A12为焦面电箱材料,Si C为焦面反射镜材料;综合考虑反射镜支撑理论以及相机需求,完成了双面反射镜的柔性支撑结构设计;合理设计焦面处理电路及散热回路,实现了结构紧凑的布局。应用有限元法对焦面组件进行了静力学分析、动力学分析以及模态分析。分析结果为:在重力及+5°温升作用下,反射镜面型误差为:PV:42.7 nm,RMS:5.5 nm;在15kg的均布静力作用时,焦面基板TDICCD连接面的位移量为:4.08?m;组件一阶模态:349Hz。结果表明:焦平面组件的力学特性以及热稳定性较好,组件各部分的动力学响应在合理范围内,焦平面组件的结构设计是合理的。4.对焦平面组件的精密装调进行了研究,提出了一种利用相机调焦功能的精密装调方案,并进行了精度分析。以每片TDICCD的调整量?Z为自变量,对应MTF函数为评价函数,通过最小二乘拟合法构建了最佳像面位置方程,进而解算得到最小修调量。分析结果表明采用此种装调方案,能够提高相机装调效率。5.为验证相机成像质量以及焦面组件的稳定性,设计了一种单点成像方案并进行了误差分析。通过转台的旋转模拟相机在轨的正视、俯仰以及横滚,消除了两点成像以及直线成像方案中的部分系统误差,误差分析表明该方案的测试值在许用范围内。
【关键词】：遥感相机 焦平面组件 搭接像元数计算 结构设计 有限元分析 精度分析 精密定焦 立体成像
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V445.8;V443.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 航天遥感相机发展现状12-22
• 1.3 航天遥感器焦平面组件的发展现状22-27
• 1.4 本文的主要内容27-29
• 第2章 焦平面方案的分析与选择29-43
• 2.1 引言29
• 2.2 常见探测器及特性分析29-33
• 2.3 CCD拼接方案的对比分析33-38
• 2.4 光、电、热需求的一体化分析38-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 焦平面CCD搭接像元计算43-61
• 3.1 引言43-44
• 3.2 坐标系定义44-46
• 3.3 相机成像模型建立与成像特性分析46-52
• 3.4 重叠像元数计算公式的推导与误差分析52-57
• 3.5 重叠像元数的验算57-58
• 3.6 本章小结58-61
• 第4章 焦平面结构设计与稳定性分析61-85
• 4.1 引言61
• 4.2 焦平面组件所处环境分析61-62
• 4.3 结构材料的对比分析与选取62-65
• 4.4 焦平面结构设计65-73
• 4.5 焦面组件的结构稳定性分析73-83
• 4.6 本章小结83-85
• 第5章 大尺寸焦平面的精密定焦85-101
• 5.1 引言85
• 5.2 装调任务分析85-87
• 5.3 常用装调方案分析87-90
• 5.4 精密装调方案设计90-97
• 5.5 定焦精度分析97-99
• 5.6 定焦实验99-100
• 5.7 本章小结100-101
• 第6章 外场成像试验方案设计101-113
• 6.1 引言101
• 6.2 试验任务分析101-102
• 6.3 常用外场立体成像方案102-104
• 6.4 单点成像方案设计104-109
• 6.5 外场成像方法的误差分析109-111
• 6.6 外场成像实验111-112
• 6.7 本章小结112-113
• 第7章 结论与展望113-117
• 7.1 结论113-114
• 7.2 本文的创新点114-115
• 7.3 研究展望115-117
• 参考文献117-123
• 在学期间学术成果情况123-125
• 指导教师及作者简介125-126
• 致谢12

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本文编号：944193