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轻小型全铝高分相机

孙景旭 谢虹波 李淑贤 谢新旺 王硕 周峰

孙景旭, 谢虹波, 李淑贤, 谢新旺, 王硕, 周峰. 轻小型全铝高分相机[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(6): 1450-1462. doi: 10.37188/CO.2023-0062
引用本文: 孙景旭, 谢虹波, 李淑贤, 谢新旺, 王硕, 周峰. 轻小型全铝高分相机[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(6): 1450-1462. doi: 10.37188/CO.2023-0062
SUN Jing-xu, XIE Hong-bo, LI Shu-xian, XIE Xin-wang, WANG Shuo, ZHOU Feng. All-aluminum high-resolution camera with lightweight and compact size[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1450-1462. doi: 10.37188/CO.2023-0062
Citation: SUN Jing-xu, XIE Hong-bo, LI Shu-xian, XIE Xin-wang, WANG Shuo, ZHOU Feng. All-aluminum high-resolution camera with lightweight and compact size[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1450-1462. doi: 10.37188/CO.2023-0062

轻小型全铝高分相机

doi: 10.37188/CO.2023-0062
基金项目: 广东省重点领域研发计划资助项目(No. 2018B030328001)
详细信息
    作者简介:

    孙景旭(1984—),男,山东聊城人,博士,副研究员,2015年于中国科学院大学获得理工博士学位,主要从事光学仪器结构设计方面的研究。E-mail:sunjingxu2004@163.com

  • 中图分类号: V445.8;TP732

All-aluminum high-resolution camera with lightweight and compact size

Funds: Supported by Projects funded by the R & D plan in key areas of Guangdong Province (No. 2018B030328001)
More Information
  • 摘要:

    为了满足精准高效快速部署航天遥感器对轻小型空间相机的迫切需求,对满足轻小型相机成像的光学系统形式及成像体制进行了详细对比分析,确定了RC+补偿组的光学系统形式,采用小F数+微小像元的成像体制。对比美国鸽子相机的详细参数,设计了500 km轨道高度上可实现3.48 m分辨率的轻小型全铝高分相机。详细介绍了相机的总体结构、光学系统、光机结构、成像电子学及热控设计结果,得到F5.6的RC+补偿组光学设计结果。采用RSA-6061微晶铝合金做为相机反射镜的结构材料,配合一体化硬铝合金高刚性结构。静力学(重力变形和温度变形)仿真分析结果满足光学设计公差要求。动力学仿真分析结果表明:一阶模态为302.92 Hz,具有足够高的动态刚度和安全裕度。成像电子学采用3.2 μm大面阵9 K×7 K探测器低噪声小型化设计。相机热控由卫星平台保证20 °C±4 °C的温度水平。集成测试结果表明:(1)相机中心视场波像差RMS为λ/15.6,5个视场系统波像差均优于λ/12.3,可以确保相机近衍射极限高质量成像。实测奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.217;(2)相机三方向正弦振动最大处放大1.17倍,整机一阶模态为295 Hz,与仿真结果的偏差为2.61%,相机结构刚度大,力学稳定性好;1×10−4 Pa,16 °C、20 °C、24 °C三个温度工况下成像清晰,可分辨奈奎斯特频率处对应的分辨率板图像;(3)对2 km外目标成像效果良好,图像清晰且灰度层次分明,阴影边界锐利。本文所设计轻小型全铝高分相机在500 km轨道高度上实现了3.48 m分辨率,15 km×15 km幅宽,整机重量为2 kg,结构刚度和强度试验结果满足航天发射场景需要,可以为轻小型甚高分辨率空间相机设计提供理论指导和工程借鉴。

     

  • 图 1  相机整机结构

    Figure 1.  Overall structure of the camera

    图 2  相机光学设计结果

    Figure 2.  Optical design results of the camera

    图 3  各光学组件结构

    Figure 3.  Structure of each optical component

    图 4  相机静力学分析结果

    Figure 4.  Static analysis results of the camera

    图 5  相机一阶振型

    Figure 5.  First-order vibration mode of the camera

    图 6  正弦载荷10 g输入时的相机应力及分布图

    Figure 6.  Stress and its distribution of the camera under 10 g sinusoidal input

    图 7  相机成像电子学系统实物图

    Figure 7.  Physical photograph of camera imaging electronics system

    图 8  对日定向低温工况稳态分析

    Figure 8.  Steady-state analysis under low temperature on the behavior of sun-tracking

    图 9  相机力学试验现场

    Figure 9.  Mechanical test site of the camera

    图 10  三方向正弦振动结果

    Figure 10.  Sinusoidal vibration results in three directions

    图 11  三方向随机振动结果

    Figure 11.  Random vibration results in three directions

    图 12  热真空试验现场和成像效果

    Figure 12.  Thermal vacuum test site and imaging effect

    图 13  相机5个视场干涉检测结果

    Figure 13.  Interference detection results of five FOVs

    图 14  光学传递函数测试现场

    Figure 14.  Optical transfer function test site

    图 15  相机光学传递函数测试图像

    Figure 15.  Test images of the optical transfer function of the camera

    图 16  2 km目标外场成像图

    Figure 16.  Imaging of 2 km target outfield

    表  1  典型轻小结构光学系统型式特点对比

    Table  1.   Comparison of types and characteristics for common optical systems

    光学系统型式结构特点
    同轴RC+补偿组结构尺寸小且简单、重量轻,视场大于1°,畸变小,像质较优良,装调难度适中,光学长度约为焦距的0.4~0.2倍
    同轴三反TMC结构尺寸小、重量较轻,视场约为1°~3°,畸变较小,像质优良,装调难度大,光学长度约为焦距的0.4~0.2倍
    离轴三反Rug-TMA结构较大、重量较轻,视场为3°,畸变较大,像质优良,装调难度大,光学长度约为焦距的0.33~0.27倍
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    表  2  轻小型全铝高分相机光学设计结果

    Table  2.   Optical design results of all-aluminum high resolution camera with lightweight and compact size

    指标 波段范围
    /nm
    像元分辨率GSD/m 光学焦距
    /mm
    F# 成像幅宽
    /km
    视场
    参数 450~800 3.48 460 5.6 15×15
    (@500 km)
    Φ2.5°
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    表  3  光学系统稳定性公差

    Table  3.   Stability tolerances of the optical system

    指标 X向偏心
    (μm)
    Y向偏心
    (μm)
    Z向位置
    公差(μm)
    X
    倾角(″)
    Y
    倾角(″)
    Z
    倾角(″)
    主镜 ±1.5 ±1.5 ±2 ±1 ±1 ±5
    次镜 ±1 ±1 ±4 ±2 ±2 ±20
    三镜 ±5 ±5 ±10 ±3 ±3 ±20
    透镜1 ±5 ±5 ±10 ±2.5 ±2.5 ±20
    透镜2 ±6 ±6 ±10 ±3 ±3 ±20
    透镜3 ±10 ±10 ±15 ±3.5 ±3.5 ±20
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    表  4  相机静力学和动力学分析结果

    Table  4.   Static and dynamic analysis results of the camera

    整机仿真 X向(nm) Y向(nm) Z向(nm)
    主镜 重力
    变形
    面型(RMS) 5.222 5.222 1.939
    角位移 0.151″ 0.151″ 0.009″
    温度变形 1.396
    次镜 重力
    变形
    面型(RMS) 1.557 1.587 0.036
    角位移 0.578″ 0.601″ 0.012″
    温度变形 0.741
    整机模态 302.92 Hz(一阶)
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    表  5  对日定向低温工况各组件温度

    Table  5.   Each component's temperature under low temperature on the behavior of sun-tracking

    序号 组件名称 温度/°C
    1 主镜组件 20.4
    2 次镜组件 20.1
    3 补偿镜筒 20.7
    4 尾罩 16.9~21.1
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    表  6  相机力学振动试验条件

    Table  6.   Mechanical vibration test conditions of the camera

    正弦振动
    名称 频率范围(Hz) 试验量级
    正弦X/Y/Z 5~8 4.08 mm(O-P)
    8~100 1.05 g
    扫描率 4.0 oct/min
    随机振动
    名称 频率范围(Hz) 功率谱密度 总均方根加速度值
    X/Y/Z 20~150 +3 dB/oct 5.02 g
    150~600 0.01 g2/Hz
    600~1100 0.02 g2/Hz
    1100~2000 −6 dB/oct
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    表  7  相机波像差测试结果

    Table  7.   Wavefront aberration results of the camera

    视场 波像差(RMS)
    中心视场 λ/15.6
    左视场 λ/14
    右视场 λ/12.9
    上视场 λ/12.3
    中下视场 λ/14.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-12
  • 修回日期:  2023-05-06
  • 网络出版日期:  2023-09-14

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