CN104635317A - 一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构，包括：纤维外遮光罩组件、碳化硅次镜组件、碳纤维次镜遮光罩组件、碳纤维桁架组件、碳纤维主镜遮光罩组件、碳化硅主镜组件、折叠镜组件、碳纤维主背板组件、调焦机构、碳纤维后盖组件、调偏流机构、焦面组件和碳化硅三镜组件。本发明解决了以往重量高、固有频率低、力热稳定性不佳等问题，且能够把空间光学遥感器的分辨率提高到国际一流水平，为获得高质量的图像提供了技术保障。

Description

一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构

技术领域

本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构。

背景技术

空间光学遥感器的主要作用是：从外层空间获取地面信息，其航天任务的核心是获取清晰完整的地面详查和普查图像。

与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所郭权锋的博士论文《同轴三反空间相机结构稳定性研究》，该空间遥感器结构已应用于某高分辨率空间相机科研项目。如图1所示，遥感器结构主要由镜头单元和机身单元两部分组成。镜头单元是遥感器主体的前半段，包括外遮光罩前筒1、次镜组件2、次镜支撑组件3、中筒组件4、主镜组件5、主镜室组件6和调焦组件7。外遮光罩前筒1位于相机的最前方，连接于中筒组件4，用来限制视场以外的光线进入光学系统；中筒组件4主要用来支撑次镜组件2，通过与主镜室组件6的连接保证次镜组件5在光学系统中的位置和主、次镜间相对位置关系的稳定性；主镜室组件6主要用来承载主镜组件5的结构重量，同时将中筒组件4和机身单元连接起来；调焦组件7安装于主镜室组件6上，采用球面反射镜调焦方式，实现对遥感器离焦现象的补偿。机身单元位于遥感器的后半段，包括机身锥筒8、第三反射镜组件9、机身后筒10、焦面组件11、偏流组件12、后罩组件13等组件。第三反射镜9通过支撑结构固定在机身后筒10上，在机身单元中安装有偏流机构12，用于修正由于目标飞行器相对地物的运动及姿态变化所造成的方位偏置；焦面组件11安装在机身后筒上，完成相机光电信号的转换；机身锥筒8作为机身的主要承载结构，通过连接主镜室6和机身后筒10将镜头和机身组合成有机的整体。

该课题涉及的空间相机以长焦距、大口径、高分辨率为典型特点，但由于遥感器主体结构大量采用金属材料，虽然经过高度轻量化设计，但遥感器总体重量仍然较高，从力学角度讲，重量大不仅意味着相机的动力学特性下降，而且会导致相机固有频率较低，削弱其抵抗外界干扰的能力，相机的其他技术指标也可能受到一定程度的影响。该课题相机的固有频率低于100Hz。从热学角度讲，金属材料热胀系数较大，对温度比较敏感，因此该相机结构温度稳定性也较差。从成本角度讲，相机重量大，意味着运载火箭的推力大，最终导致发射成本大幅提高

发明内容

本发明为了克服已有技术存在的缺陷，提供一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构。其可以解决空间光学遥感器的重量高，固有频率低、力和热稳定性不佳的问题，促进光学遥感器的跨越式发展，为实现航天产品向轻型化方向发展提供技术支持。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构，包括：

纤维外遮光罩组件、碳化硅次镜组件、碳纤维次镜遮光罩组件、碳纤维桁架组件、碳纤维主镜遮光罩组件、碳化硅主镜组件、折叠镜组件、碳纤维主背板组件、调焦机构、碳纤维后盖组件、调偏流机构、焦面组件和碳化硅三镜组件；

所述碳纤维主背板组件是整个遥感器的安装基板；

所述碳化硅主镜组件、碳纤维主镜遮光罩组件和碳纤维外遮光罩组件直接安装在碳纤维主背板组件的正面上；

所述碳纤维次镜遮光罩组件和碳化硅次镜组件安装在碳纤维桁架组件的前端，再通过碳纤维桁架组件连接到碳纤维主背板组件的正面上；

所述折叠镜组件、调焦机构、碳纤维后盖组件、调偏流机构安装在碳纤维主背板组件的背面；

所述焦面组件安装在调偏流机构上；

所述碳化硅三镜组件安装在碳纤维主背板组件的腔体内部。

上述技术方案中，所述调焦机构中含有调焦镜。

上述技术方案中，进入碳纤维外遮光罩组件的光线可经碳化硅主镜组件的镜面汇聚并反射到碳化硅次镜组件表面，经碳化硅次镜组件镜面反射后光线穿过碳化硅主镜组件中心圆孔到达折叠镜组件表面，经折叠镜组件镜面改变光线传播路径后到达碳化硅三镜组件，经碳化硅三镜组件镜面反射后到达调焦机构，再经过调焦镜镜面反射后穿过调偏流机构到达焦面组件。

上述技术方案中，所述调焦机构的调焦镜可在-5mm～5mm范围内自由移动。

上述技术方案中，所述调偏流机构可根据指令带动焦面组件在垂直遥感器视轴的平面内作-5°～5°的摆动。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的轻型同轴三反空间光学遥感器结构选择碳纤维复合材料，该材料与金属材料相比具有优越的高比刚度、高比强度、抗冲击、抗疲劳、零或负热胀系数，能很好的解决刚度和力热稳定性问题。该轻型同轴三反空间光学遥感器结构与之前的技术相比，解决了以往重量高、固有频率低、力热稳定性不佳等问题，且能够把空间光学遥感器的分辨率提高到国际一流水平，为获得高质量的图像提供了技术保障。

附图说明

图1是已有技术的光学遥感器的结构示意图；

图2～图4是本发明光学遥感器结构示意图，其中图3是图2隐藏碳纤维后盖组件10后的右视图，图4是整个光学遥感器结构三维示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：常用的空间光学遥感器光学系统主要有同轴三反系统和离轴三反系统，根据光学遥感器的指标要求，本发明选择同轴三反光学系统，满足总体要求的高分辨率、大口径、长焦距的指标要求，根据光学系统特点设计了满足光学系统要求的遥感器结构，该结构具有较低的重量、较高的刚度和良好的力热稳定性。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

如图2所示，该光学遥感器结构包括碳纤维外遮光罩组件14、碳化硅次镜组件15、碳纤维次镜遮光罩组件16、碳纤维桁架组件17、碳纤维主镜遮光罩组件18、碳化硅主镜组件19、折叠镜组件20、碳纤维主背板组件21、调焦机构(含调焦镜)22、碳纤维后盖组件23、调偏流机构24、焦面组件25和碳化硅三镜组件26。碳纤维主背板组件21是整个遥感器的安装基板，碳化硅主镜组件19、碳纤维主镜遮光罩组件18和碳纤维外遮光罩组件14直接安装在碳纤维主背板组件21的正面上，碳纤维次镜遮光罩组件16和碳化硅次镜组件15安装在碳纤维桁架组件17的前端，再通过碳纤维桁架组件17连接到碳纤维主背板组件21正面上；折叠镜组件20、调焦机构(含调焦镜)22、碳纤维后盖组件23、调偏流机构24安装在碳纤维主背板组件21的背面；焦面组件25安装在调偏流机构24上；碳化硅三镜组件26安装在碳纤维主背板组件21的腔体内部，整个遥感器通过主背板构成一个整体。

工作原理说明：本发明提出的轻型同轴三反空间光学遥感器结构如图2所示。进入碳纤维外遮光罩组件14的光线经碳化硅主镜组件19的镜面汇聚并反射到碳化硅次镜组件15表面，经碳化硅次镜组件15镜面反射后光线穿过碳化硅主镜组件19中心圆孔到达折叠镜组件20表面，经折叠镜组件20镜面改变光线传播路径后到达碳化硅三镜组件26，经碳化硅三镜组件26镜面反射后到达调焦机构(含调焦镜)22，再经过调焦镜镜面反射后穿过调偏流机构24到达焦面组件25。该遥感器结构设计中引入折叠镜组件20和调焦机构组件(含调焦镜)22对光线进行折转，在保证焦距长度的同时大大减小了系统的体积，有利于减轻遥感器质量。遥感器结构设计碳纤维桁架组件17作为碳化硅主镜组件19和碳化硅次镜组件15间的连接结构，碳纤维桁架组件17利用三角稳定的原理，使相邻两桁架杆构成三角形，有利于遥感器整体结构的稳定；遥感器碳纤维主背板组件21采用碳纤维复合材料与钛合金金属预埋件组合设计方案，经高度轻量化设计，既能保证该组件具有足够高的比刚度，又能获得光学元件装调所需要的高精度安装表面；引入调焦机构22，保证调焦镜在-5mm～5mm范围内自由移动，外界环境变化时使遥感器焦平面位置始终与像面位置一致，大大提高了遥感器的适应性，通过对调焦镜位置的调整确保遥感器在5℃～35℃范围能够获得清晰的图像；引入调偏流机构24，根据指令带动焦面组件25在垂直遥感器视轴的平面内作-5°～5°的摆动，将焦面组件25中TDICCD线阵的方向调整到像移速度的方向，保证遥感器正确地完成TDICCD累积转移速度与地物像移速度的匹配，避免了飞行过程中卫星姿态的调整，节约了卫星需要携带的燃料，大大降低发射成本；设计碳纤维外遮光罩14、碳纤维主镜遮光罩18、碳纤维次镜遮光罩16、碳纤维后盖组件23最大限度地吸收已进入遥感器的杂散光，保证较高的信噪比；焦平面组件25包含TDI CCD器件和驱动、预放等电路，主要完成光电信号转换功能，是最终获得清晰完整的图像关键部件之一。遥感器结构主要选用高比刚度的碳纤维复合材料和碳化硅材料并经过高度轻量化设计，在满足外形尺寸Φ870mm×1600mm的要求下总重量不超过85kg。

其中，碳化硅主镜组件19与碳化硅次镜组件15同轴度≤0.02mm，碳化硅次镜组件15相对于碳化硅主镜组件19的倾斜≤5″，二者间隔精度≤0.02mm；调焦机构22和调偏流机构24的驱动电机采用亚美柯宝马公司生产的42BYG020G型号的军品级四相步进电机，反馈编码器选择中科院长春光机所自行研制的16位编码器，两个机构委托长春奥普光电技术股份有限公司装配；焦面组件25中选用4片96级TDI CCD进行高精度机械拼接实现大视场的要求；整个光学遥感器委托长春奥普光电技术股份有限公司的总装技术中心进行总体装调，经检测，光学系统波像差RMS平均值优于0.1λ(λ＝632.8nm),遥感器静态传递函数优于0.13，遥感器本体尺寸≤Φ870mm×1600mm，遥感器光机结构一阶固有频率118Hz，总重量不超过85kg。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种轻型同轴三反空间光学遥感器结构，其特征在于，包括：

纤维外遮光罩组件、碳化硅次镜组件、碳纤维次镜遮光罩组件、碳纤维桁架组件、碳纤维主镜遮光罩组件、碳化硅主镜组件、折叠镜组件、碳纤维主背板组件、调焦机构、碳纤维后盖组件、调偏流机构、焦面组件和碳化硅三镜组件；

所述碳纤维主背板组件是整个遥感器的安装基板；

所述碳化硅主镜组件、碳纤维主镜遮光罩组件和碳纤维外遮光罩组件直接安装在碳纤维主背板组件的正面上；

所述碳纤维次镜遮光罩组件和碳化硅次镜组件安装在碳纤维桁架组件的前端，再通过碳纤维桁架组件连接到碳纤维主背板组件的正面上；

所述折叠镜组件、调焦机构、碳纤维后盖组件、调偏流机构安装在碳纤维主背板组件的背面；

所述焦面组件安装在调偏流机构上；

所述碳化硅三镜组件安装在碳纤维主背板组件的腔体内部。

2.根据权利要求1所述的轻型同轴三反空间光学遥感器结构，其特征在于，所述调焦机构中含有调焦镜。

3.根据权利要求1或2所述的轻型同轴三反空间光学遥感器结构，其特征在于，进入碳纤维外遮光罩组件的光线可经碳化硅主镜组件的镜面汇聚并反射到碳化硅次镜组件表面，经碳化硅次镜组件镜面反射后光线穿过碳化硅主镜组件中心圆孔到达折叠镜组件表面，经折叠镜组件镜面改变光线传播路径后到达碳化硅三镜组件，经碳化硅三镜组件镜面反射后到达调焦机构，再经过调焦镜镜面反射后穿过调偏流机构到达焦面组件。

4.根据权利要求1所述的轻型同轴三反空间光学遥感器结构，其特征在于，所述调焦机构的调焦镜可在-5mm～5mm范围内自由移动。

5.根据权利要求1所述的轻型同轴三反空间光学遥感器结构，其特征在于，所述调偏流机构可根据指令带动焦面组件在垂直遥感器视轴的平面内作-5°～5°的摆动。